盐穴储气库不同类型盐岩溶蚀特性实验研究

张 敏，朱华银，武志德，石 磊

(1.中国石油勘探开发研究院，河北廊坊 065007；2.中国石油天然气集团有限公司 油气地下储库工程重点实验室，河北廊坊 065007)

盐穴储气库的建设是系统工程，其核心是如何建成稳定密封并具有较大储气能力的地下盐穴，而溶腔设计是盐穴储气库设计的关键[1]。腔体的大小和形状主要由地质条件决定，因此，在建设盐穴储气库之前必须充分了解盐层的构造、组分等条件，研究如何在地下盐层中建造出形状安全、稳固的盐腔，需要先在室内进行模拟实验研究，测定盐岩的水溶参数对溶蚀速率和腔体形态的影响，从而达到预测和控制溶腔体积和形态的要求。与国外盐丘型盐岩建库不同，我国主要为多夹层盐岩建库，陆相盐湖沉积盐层建库条件复杂，夹层多、品位低、埋藏深[2]，给控制造腔形态控制带来了难度。通过盐岩水溶实验观察不同盐岩的溶蚀规律，获得溶蚀速度、溶解质量、侧溶角等水溶参数。文章以不同类型岩心水溶参数测定实验为例，研究不同类型岩心水溶过程的不同表象，分析影响溶蚀速度、溶蚀形状的影响因素，为盐穴储气库水溶建库形态控制提供实验依据。

1 盐穴储气库盐岩溶蚀特性实验

早在20世纪60年代Durie R.W.和JeseenF.W.[3-4]开展了大量盐岩溶解实验，分析了多个因素对盐岩溶解速度的影响。我国很多研究学者也进行了大量的实验研究，针对盐岩水溶开采[5-8]；针对纯盐[9-10]、高不溶物[11-12]盐穴储库建库分别进行了大量的实验分析；针对我国盐岩含泥夹层的的情况，李建君等[13-15]分析了不溶物夹层对造腔的影响。以上实验研究大多采用盐矿开采的水溶实验方法，以纯度较高的岩心为实验材料；即使考虑不溶物的相关研究也是采用加工的相似材料进行实验，或者通过软件模拟不溶物夹层对盐穴造腔的影响。文章通过目前在建盐穴储气库现场取芯为实验材料，通过大量实验研究将不同类型岩心进行归类，对不溶物对溶蚀实验的影响进行了分析总结。

实验以长度为20 cm端面切平的两块样品分别做上溶和侧溶实验，上溶实验将圆柱岩心侧面蜡封，实验端面裸露；侧溶实验将圆柱岩心侧面裸露，端面蜡封。将实验样品放置在透明容器中，每隔一定时间测量并记录溶蚀进尺、质量、波美度等实验数据。溶蚀速率为在试样溶蚀面下端自然形成的溶蚀面坡度角称侧溶角；每小时沿着某一方向的溶解长度称为溶蚀速度；每小时所溶解的矿石质量称为溶解质量。

2 不同类型岩心实验表象及分析

不同类型的岩心由于不溶物含量不同，不溶物与可溶盐存在形式不同，溶蚀过程中呈现的实验表象不同，溶蚀的最后形态不同。文章按照样品含不溶物的含量和形式对样品进行分类分析。

2.1 含可溶盐含量较高的岩心

可溶量较高的样品由于组分不同，可溶物成分不同，最终表现的溶蚀形态也各有不同，有的是呈螺纹状，有的凹凸不平，溶蚀形态基本上不会呈现光滑平整状。但是整块盐样溶蚀面溶蚀速度呈同步推进，纯度越高的样品溶蚀速度趋于一致，对于溶蚀造腔的形态控制相对容易。图1为可溶盐含量较高的岩心侧溶、上溶溶蚀效果。

图1 可溶盐含量较高的岩心侧溶、上溶溶蚀效果图Fig.1 Side dissolution and upper dissolution effect of high purity salt rock

随着实验时间的推进，波美度增大，溶蚀速度和溶蚀质量都是逐渐减小的。图2为可溶盐含量较高的岩心侧溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系。

图2 可溶盐含量较高的岩心侧溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系图Fig.2 Relationship between side dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in high purity salt rock

由图2可知，溶蚀面积大，样品中的不溶物遇水吸附水，造成样品在损失可溶盐质量的同时增加不溶物吸附水的质量，溶蚀速度和溶解质量不同步，侧溶关系图中会出现溶蚀速度和溶解质量曲线不重合的情况。图3为可溶盐含量较高的岩心上溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系。上溶的溶蚀速度和溶解质量曲线基本重合。

图3 可溶盐含量较高的岩心上溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系图Fig.3 Relationship between upper dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in high purity salt rock

2.2 不溶物呈层状分布的岩心

不溶物与可溶盐呈层状分且分层明显，盐层的溶解基本同可溶盐含量较高的岩心，但不溶物的厚度与结构对可溶盐层的溶解都会产生影响。图4为不溶物呈层状分布的岩心侧溶、上溶溶蚀效果。

图4 不溶物呈层状分布的岩心侧溶、上溶溶蚀效果图Fig.4 Side dissolution and upper dissolution effect of bedded salt rock

图5为不溶物呈层状分布的岩心侧溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系。样品侧溶溶蚀速度较快，实验开始的15 min就到达2.5°Be。盐层的溶蚀情况同纯盐，形状较为规则。盐层下部与夹层接触部位的溶蚀速度相对盐层中部稍小；盐层上部与夹层接触部位的溶蚀速度高于盐层中下部的溶解速度，有的样品盐层上部与泥岩夹层分层处甚至出现了明显的溶蚀缝隙。

图5 不溶物呈层状分布的岩心侧溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系图Fig.5 Relationship between side dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in bedded salt rock

图6为不溶物呈层状分布的岩心上溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系。

图6 不溶物呈层状分布的岩心上溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系图Fig.6 Relationship between upper dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in bedded salt rock

由图6可知，上溶溶蚀速度和溶解质量曲线波动较大，实验开始时，实验样品顶部为泥岩夹层，溶蚀的盐主要存在于泥岩间的空隙，溶蚀进尺为0，随着表层泥岩溶蚀掉落，中间层的盐岩溶蚀，溶蚀速度有较大提高。不溶物泥层脱落后，盐层溶蚀速度较大，但盐层溶解后再次溶解的泥层由于结构紧密，溶解速度减小，由于夹层致密含可溶盐较少，实验进行了41 h夹层仍旧没有脱落，卤水没饱和，实验停止。

2.3 不溶物分层不明显的岩心

不溶物与可溶盐呈层状分且分层明显，有的不溶物机构致密呈块状交错分布于可溶盐中，有的不溶物结构疏松内部含有较多可溶盐。不溶物的存在减缓了可溶盐溶解进程。此次实验的侧溶样品为块状不溶物盐岩，上溶样品为不溶物结构疏松样品。图7为不溶物分层不明显的岩心侧溶、上溶溶蚀效果。

图7 不溶物分层不明显的岩心侧溶、上溶溶蚀效果图Fig.7 Side dissolution and upper dissolution effect of not bedded salt rock

图8为不溶物分层不明显的岩心侧溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系。侧溶过程不溶物吸水，溶蚀质量减少不如溶蚀速度明显。图形趋势大致同纯度较高的岩心，曲线上的波动是由于不溶物的整体脱落导致。

图8 不溶物分层不明显的岩心侧溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系图Fig.8 Relationship between side dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in not bedded salt rock

图9为不溶物分层不明显的岩心上溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系。上溶过程中不溶物随溶蚀进行过程中逐渐掉落，且掉落的速度不均匀，造成溶解速度和溶蚀质量曲线波动；溶解速度曲线波动幅度大于溶蚀质量曲线波动幅度。两条曲线的整体趋势与可溶性盐含量较高的样品基本一致。

图9 不溶物分层不明显的岩心上溶溶蚀速度和溶解质量与波美度的关系图Fig.9 Relationship between upper dissolution rate and dissolving mass with Baume degree in not bedded salt rock

3 结论

1) 由于侧溶溶蚀面积大，盐岩中不溶物遇水吸附水，造成实验样品在损失可溶盐质量的同时增加不溶物吸附水的质量，溶解质量减少的速度小于溶蚀速度减少的速度，侧溶关系图中会出现不重合情况。不溶物越多曲线差别越大，曲线不重合程度越高。

2) 不溶物含量越高，盐岩溶解有效面积小，盐岩溶解越慢，尤其是结构致密的不溶物对溶蚀进程的阻碍大于结构疏松不溶物。当上溶实验溶解面遇到致密不溶物时甚至会出现完全阻隔溶解的进行的情况，造成实验终止。致密的不溶物随实验的进行脱落时为整体脱落样品表面，会造成溶蚀速度和溶解质量的曲线有较大波动；但结构疏松的不溶物多呈现随实验进行逐渐剥落的情况，曲线波动不大。

3) 对于不溶物与可溶盐呈层状分且分层明显的实验样品，盐层下部与夹层接触面的溶蚀速度相对盐层中部较小；盐层上部与夹层接触面的溶蚀速度高于盐层中下部的溶解速度，有的样品随着实验的进程盐层上部与泥岩夹层分层处甚至出现了明显的溶蚀缝隙。