湖北省应城市盐穴地下储气库盐岩溶解性能试验研究

赵桂芳，杨 杰

(湖北省地质实验研究所，湖北武汉 430034)

湖北省应城市盐穴地下储气库盐岩溶解性能试验研究

赵桂芳，杨 杰

(湖北省地质实验研究所，湖北武汉 430034)

湖北省应城市西气东输二线云应盐穴地下储气库作为“西气东输”工程的配套工程，主要用于解决由于季节、气候变化造成的不平衡调峰以及管道意外故障的应急供气，具有重要的战略意义。通过对湖北省应城市西气东输二线云应盐穴地下储气库天然盐岩层32组盐岩试件进行溶解性能试验，探索盐岩溶解速率的影响因素。结果表明:①矿石品位高，盐类矿物的溶解面大，溶解速度快;②含石盐、钾石盐、芒硝等矿物比例越大，盐岩溶解速度越快，含石膏、硬石膏等比例越大越难溶于水，溶解速度越慢;③矿石结构紧密，溶解速度慢，矿石结构疏松，溶解速度快;④随着卤水浓度增加，溶解速率越来越小。本研究为进一步研究盐岩的流场和浓度场分布规律提供理论基础，为快速造腔提供基本的理论和实验基础。

盐穴储气库;盐岩;溶解实验

0 引言

盐岩矿层是储存石油、天然气和处理核废料的绝佳场所。湖北省应城市云应盐穴地下储气库作为西气东输二线三大储气库之一，其工程建造具有重要的战略意义。而首要问题是如何建造岩溶溶腔，现有的方法是利用水溶采矿后留下来的空间作为储存库加以利用［1－3］。盐岩储备库建腔过程中，首先解决的问题是盐的溶解，掌握和了解盐岩溶解特性对指导生产具有重要的意义。

盐岩溶解特性国外学者已做了大量研究，随着建立地下储备库在中国的实施，国内学者于20世纪90年代开始开展了相应的研究工作。太原理工大学的梁卫国等［4－7］对水溶开采盐岩岩腔进行了大量的室内试验研究，重点研究了芒硝盐岩的溶解特性。中国科学院的班凡生等［8］研究了盐岩品位对盐岩储气库水溶建腔的影响，结果表明盐岩储气库应选择在盐岩品位高的地层建造，既有利于溶腔形态的控制，又能缩短建腔周期。重庆大学的肖长富、王春荣［9－10］等通过盐岩的室内实验来研究溶解面面积、溶液的温度、溶液的浓度、溶液的流速及层理夹角等因素对溶解速率的影响。但在关于云应盐穴地下储气库盐岩溶解方面，没有相关的研究。本文通过对湖北省应城市西气东输二线云应盐穴地下储气库天然盐岩层32组盐岩试件进行溶解性能实验，通过侧溶溶蚀和上溶溶蚀结果指标，探讨该工程区盐岩溶解速率的影响因素。

1 试验部分

1.1 实验材料与设备

酒精灯和铁架台、打火机、铁锅、石蜡、大烧杯、干燥盒、取盘夹、秒表、吸水纸、干燥箱、波美度计、高精度电子称，溶蚀试验在自制的溶解池进行，如图1所示。

图1 溶蚀试验溶解池Fig.1 Dissolving tank of rock salt

1.2 盐岩取样和加工

实验所需盐岩试件采自湖北省应城市西气东输二线云应储气库的天然盐岩层，埋深为700～1 500 m。图2-a为实验用的来自云应储气库开采出的盐岩原料，图2-b为经过加工成7 cm×7 cm×15 cm的试件供实验所用，加工后的盐岩试件立即用熔融石蜡蜡封，备用。图2-c为经过蜡封的盐岩试件。由于盐岩质脆、遇水易溶，因此，盐岩试样是通过手工切割、磨制加工而成。取样过程和试件加工均严格按照实验规范进行。

图2 盐岩试件Fig.2 Rock salt

1.3 实验方法

为了研究盐岩溶解速率的影响因素，对32组盐岩样品进行了溶蚀实验，测定项目如表1所示。

表1 实验项目列表Table 1 Test content and indexes

本项目是根据《盐类矿石水溶性能实验室试验方法及要求》规范，结合实际改进后进行的，侧溶溶蚀试验和上溶溶蚀试验具体步骤如下:

(1)侧溶溶蚀试验:将准备好的、规格一致的试样直接置放在溶解池的底部。试验时，浸泡测试面，在静水状态下溶蚀，定时观测。开始时，每15 min观测1次;随着溶液浓度升高，溶蚀速度减弱，每隔半小时或每小时观测1次。在观测侧溶溶蚀速度的同时，测定卤水的浓度和试样的侧溶角以及试样的质量。一直观测到卤水浓度达到24°Be'(即饱和)时为止。

(2)上溶溶蚀试验:将试样按统一高度悬垂于预定体积的溶解水中浸泡静溶，每隔15 min、半小时或每小时观测一次溶蚀面上的溶蚀平均深度，即上溶溶蚀速度，同时称出试样质量。并计算出单位面积上每小时所溶解的矿石量，即上溶溶解速度。同时观测溶液的浓度和质量密度。一直观测到卤水浓度达到24°Be'(饱和)时为止。

测试样品基本信息见表2，侧溶、上溶溶蚀试验结果分别见表3、表4。

表2 测试样品表Table 2 Samples of basic information of rock salt

表3 侧溶溶蚀试验结果Table 3 Results of side dissolution test

续表3

表4 上溶溶蚀试验结果Table 4 Results of bottom side dissolution test

2 结果与讨论

从盐岩矿石品级、矿物组分、矿石构造、卤水浓度四方面探讨盐岩溶蚀速率的影响。

2.1 盐类矿石品位

通常情况下，矿石品位高，盐类矿物的溶解面大，溶解速度快。

本次实验中的32组样品中，矿石品级＞75%(A组)和＞60%但 ＜75%(B组)的各有13组，品级 ＜60%(C组)的有6组，侧溶和上溶溶蚀速度分组统计如表5。

表5 不同品级溶蚀速度统计表Table 5 Statistical table of corrosion velocity of rocksalt with different ore grade

A组矿石由于可溶性盐岩含量较高，其溶蚀速度、溶解速度较大。其中，卤水浓度从0°～24°Be'的溶解过程中，除X1-2、X3-4和S10三个试件侧溶溶蚀速度为0.02 mm/h(2.2中将论述产生这种现象的原因)，其他试件溶蚀速度在0.2～4.3 mm/h，总体平均溶蚀速度为 0.7 mm/h;上溶溶蚀速度 24°Be'之前在0.1 ～0.9 mm/h，平均值为 0.4 mm/h。

B组矿石可溶性盐岩含量60% ～75%，其侧溶溶蚀速度与A组相当，如图3-a所示，而上溶溶蚀速度较A组矿石慢，如图3-b所示。其中，B组盐岩卤水浓度在0°～24°Be'的溶解过程中，除了3个钙芒硝质盐试件侧溶溶蚀速度为0.1 mm/h之外，基本在0.5～0.7 mm/h，比较均匀，平均值为0.5 mm/h;上溶溶蚀速度24°Be'之前在0.0 ～0.5 mm/h，平均值为0.1 mm/h。

C组矿石可溶性盐岩含量为25% ～60%，其溶蚀速度、溶解速度较慢。除SY9和SY10两个试件侧溶溶蚀速度24°Be'之前在0.7 mm/h以外，其余四个试件均＜0.1 mm/h，溶蚀速度远小于A、B两组。上溶溶蚀试验中，除SY9外，有五个试件只有微弱溶解，甚至可以忽略不计。

2.2 盐类矿物组分

不同盐类矿物的水溶性不同，石盐、钾石盐、芒硝等矿物溶解速度快，钙芒硝等缓慢溶于水，石膏、硬石膏等难溶于水。

上述2.1探讨岩石品级对溶蚀速度的影响中，发现同一品级盐矿溶蚀速率会出现很大程度的差异，如A组样品中X1-2、X3-4和S10三个试件的侧溶溶蚀速率为0.02 mm/h，远小于同品级其他试件的平均值0.6 mm/h，因为其硬石膏组分含量较高，而石膏的溶解性远小于石盐、芒硝等矿物。同时，B组样品中S5、S6和X4-4的侧溶溶蚀速率为0.2 mm/h，也是远小于同品级其他试件的平均值0.5 mm/h。难溶矿物的加入使高品级的盐矿溶蚀速率大大降低，而易溶矿物的加入使低品级的盐矿溶蚀速率大大提高，如C组中SY9和SY10两个试件的侧溶溶蚀速率远大于同组其他试件。对于盐岩矿物不同组分对溶蚀速度的定量影响，需进一步实验，取得具有统计意义的数据后方能深入探讨。

2.3 盐类矿石构造

矿石结构紧密，水与盐类矿物的接触面小，溶解速度慢;矿石结构疏松，裂隙发育，水可以深入到矿石内部，接触面大，溶解速度快。

本次所取的32个盐岩样品中，块状矿石的可溶性良好，条带状矿石的可溶性较好，团块状矿石的可溶性较差。

此外，从上溶溶蚀试验能较明显地看出岩石构造对其水溶性的影响。如图3-b中所示，三个不同品级的上溶溶蚀速度相差较大，因为在上溶溶蚀过程中，低品位岩石一旦溶蚀被阻断，水无法渗进后，剩余的可溶盐无法进一步溶解，只能待长时间后水渗进了，才能进一步溶解。

图3 不同品级矿石溶蚀速度图(a).侧溶溶蚀试验;(b).上溶溶蚀试验。Fig.3 Dissolution rate of the ore grade

2.4 卤水浓度

从图3中可以看出，随着卤水浓度增加，溶蚀速率越来越小。

因为溶解过程是双向的，即溶解和结晶过程同时进行。当溶剂作用到矿物表面时，由于溶质分子本身的运动和溶剂分子对它的吸引，溶质离开固体表面，扩散到溶液中去，同时溶液中的溶质，在运动过程中遇到没有溶解的矿物时，又重新从溶液中结晶到矿物表面。这就造成随着卤水浓度增加，溶蚀速率越来越小。

3 结论

通过对湖北省应城市西气东输二线云应盐穴地下储气库天然盐岩层的32组盐岩试件进行溶解性能试验，研究结果表明盐岩溶蚀速率受盐岩矿石品级、矿物组分、矿石构造、卤水浓度四方面影响明显:

(1)矿石品位高，盐类矿物的溶解面大，溶解速度快。

(2)由于不同盐类矿物的水溶性不同，含石盐、钾石盐、芒硝等矿物比例越大，盐岩溶解速度越快，含石膏、硬石膏等比例越大越难溶于水，溶解速度越慢。

(3)矿石结构紧密，溶解速度慢;矿石结构疏松，裂隙发育，溶解速度快。

(4)随着卤水浓度增加，溶解速率越来越小。

通过以上研究及得出的相关结论，可为进一步研究盐岩的流场和浓度场分布规律提供理论基础，为快速造腔提供基本的理论和实验基础。

［1］ 张哲玮.岩盐矿石水溶性能实验若干问题探讨［J］.中国井矿盐，2002，33(2):23 －24.

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(责任编辑:于继红)

Experimental Study of the Dissolution of Rock Salt in Yingcheng，Hubei Province

ZHAO Guifang，YANG Jie
(Hubei Institute of Geological Experiment，Wuhan，Hubei430034)

As an supporting project of West-East gas transmitting project，the salt cavity gas storage located in Yingcheng，Hubei Province，has important strategic significance，mainly aiming to meet the demand of an emergency gas supply in the case of pipeline damage or unbalanced adjustment of peak-load due to periodical climate changes.32 sets of rock salt samples from the gas storage were tested to find the factors that affect the dissolution rate.The main results are generalized as follows:①The dissolution rate of salt mineral increased with the ore grade higher.②Due to the dissolving properties of different salt mineral，the dissolution rate were different.The larger the proportion of mineral that difficult to dissolve，such as gypsum and anhydrite，the slower the rate of dissolution.③The closer the ore structure features of rock salt，the slower the dissolution rate.Otherwise，the dissolution rate higher.④Dissolution rate decreased with solution concentration of rock salt increased.The above findings have contributed to research the distribution of the flow and the concentration.

salt cavity gas storage;rock salt;dissolution test

P588.24+7;O645.12

A

1671－1211(2014)02－0209－05

2014－03－13;改回日期:2014－03－31

赵桂芳 (1966－)，女，高级工程师，工程地质专业，从事工程地质检测与研究工作。E－mail:hxtg_2012@163.com