潜江凹陷王58井区盐穴地下储气库潜力分析①

2020-03-19付晓飞

广东石油化工学院学报 2020年1期

付晓飞

(中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北武汉 430223)

近年来，我国天然气消费快速增长，致使北方冬季频繁出现“气荒”，储气设施建设相对滞后，调峰能力不足是造成冬季供气紧张局面的主要原因[1]，因此，国家加快了天然气基础设施建设，并明确要求2020年各供气企业要具备合同供气量10%的储气能力。盐穴地下储气库不仅具有单腔库容量大、经济效益高、占地面积少、利于防火防爆防污染等优点[2]，而且能够实现用气旺季和淡季的供气平衡，在运输管道出现紧急情况下，发挥出应急供气作用，较适用于国家天然气战略储备。

潜江凹陷位于湖北省潜江市，潜一段至潜四上段共有87个韵律盐层，主要为石盐、无水芒硝、钙芒硝、无水钠镁钒和钾芒硝，分布面积为1560 km2，其中氯化钠资源量达8030.3×108t，硫酸钠资源量达912.0×108t[3，4]，丰富的盐矿资源以及毗邻川气东送管道是潜江建设盐穴地下储气库得天独厚的优势。通过对潜江凹陷王58井区地质特征、盐层特征、建库层段、储气潜力等方面进行研究，为盐穴地下储气库潜力分析提供借鉴。

1 地质特征

潜江凹陷发育白垩系-古近系古新统沙市组、上始新统潜江组两套含盐系地层，中始新统末，潜江凹陷北部边界大断裂活动强烈，断裂前缘快速下陷，形成北深南浅、北陡南缓的箕状深凹陷。潜江凹陷古气候以亚热带干旱为主，伴有潮湿并频繁交替，在干旱气候条件下，湖盆水体的补给量小于蒸发量，主要沉积蒸发盐岩[5]，潜江组沉积期是江汉盐湖发育的极盛时期，湖盆的沉降中心、汇水中心、浓缩中心均位于此。潜江凹陷在北部单向陆源水系、高盐度、强蒸发独特的环境下沉积了厚达6000 m的潜江组盐系地层，是我国独具特色的内陆高盐度氯化钠盐湖沉积[6]。

王58井区位于潜江凹陷北部，根据构造特点可分为两部分(见图1)：东部为黄场斜坡带，为一单斜，倾角约15°，倾向南西西向；西部为王场向斜轴部，地层平缓，倾角1～3°，盐层埋深1212.5～2248.5 m，区内无断层，裂隙不发育，有利于建库。

2 盐层特征

潜江凹陷潜江组盐系地层具有极明显的韵律性，从潜四上段到潜一段，古盐湖水体经历了由淡化-咸化-淡化发展的全过程，潜二段是盐湖水体浓缩的极盛时期，盐层主要矿物有石盐、无水芒硝、杂卤石、无水钠镁矾类矿物。王58井区潜二段共有25个韵律盐层，盐层埋深1600～1900 m，盐层单个厚度7.5～33.5 m，盐层累积厚度165.8～199.0 m，含矿率为76.8%，具有盐岩厚度大，含矿率高的特点。

图1 黄场地区王58井区构造剖面

3 建库层段

盐系地层纵向上由于陆源碎屑机械沉积和化学蒸发沉积交替出现，使多个砂泥岩层段频繁夹于盐韵律层段。在造腔过程中，矿石在水溶初期溶蚀速度最大，浓度增长很快，随着溶液浓度增加，溶蚀、溶解速度明显减慢；盐岩的溶解速率整体上快于含泥盐岩的溶解速率[7，8]。对王58井区王4-2井开展了一系列溶解试验，从常温盐岩、含泥盐岩溶解实验图(见图2、图3)可以看出：盐岩的初始溶解速率大约是含泥盐岩的1.27倍，夹层厚度较大时会影响溶蚀速度，因此，选择合理的建库层段是建设地下储气库的关键。

图2 王4-2井常温盐岩溶解实验图3 王4-2井常温含泥盐岩溶解实验

根据王储1井资料，潜二段第7、8韵律泥岩夹层较厚，其中第7韵律泥岩夹层厚度为8.5 m，第8韵律泥岩夹层厚度为10.5 m，均比王储3井垮塌实验中7 m夹层厚度大，因此建库目的层要尽量避开这两套泥岩夹层。从王储3井盐层及夹层厚度统计表(见表1)可以看出：潜二段第10～16韵律平均含矿率为88.60%，平均盐层厚度为22.4 m，平均夹层厚度4.5 m，夹层厚度小于王储3井垮塌实验中7 m夹层，因此，优选潜二段第10～16韵律层为建腔目的层。

表1 王储3井潜二段第10～16韵律盐层及夹层厚度统计情况

4 盖层性能评价

王58井区潜二段第1～9韵律层为上覆盖层，地层厚度为175～185 m，盐层厚度为120～130 m，盐岩厚度大且分布稳定，有较好的封闭性能。王储1井岩心扫描电镜实验显示：盐岩微观结构致密,密闭性好；泥岩粒径1～5 μm，粒间孔隙10～100 nm，孔隙度集中在10%以内，渗透率在(10-6～10-8)×10-3μm2。王储1井突破压力实验显示：突破压力分别为4.72，8.57，14.33，5.65 MPa，储气层埋深约2000 m，按照中扬子区白垩—下第三系区域天然气盖层定量评价标准，属于良好的天然气盖层。

5 上覆地层钻井工程地质特征

王58井区位于江汉平原中部，属于软土沉积区,储气层上覆地层为广华寺组、荆河镇组、潜一段、潜二段，主要由杂色泥岩夹砂岩、砾岩、绿灰色泥岩、粉砂岩夹油页岩、含钙芒硝泥岩、泥膏岩，盐岩、鲕状泥灰岩等组成，地层厚度约2000 m。从整个江汉平原软土形成环境来看属于湖盆形，厚度大，层次变化以垂直方向为主，水平方向较稳定，表层岩性过渡到亚黏土至细粉砂层，因此，对建筑施工仍有不利影响。工区土壤含盐量大，电阻率一般为20～30 Ω·m，对金属管线和设备有较大的腐蚀作用。

6 王58井区储气潜力

6.1 单腔体积

盐穴腔体的体积收缩率是衡量腔体效率的重要指标，按照国际通用标准，盐穴储气库在设计运营期限30年内正常使用时体积收缩小于30%为合理范围。研究表明，地下盐穴储气库腔体的体积收缩率与盐穴本身的蠕变特性、腔体形态和运行压力等因素有直接关系[9，10]。为了降低盐穴储气库的腔体收缩风险，延长储气库的使用寿命，分别对直径为80，85，90 m三种腔体在正常循环注采气条件下进行了模拟计算(见图4)，结果表明：体积收缩率增加的速率随着时间的增加而变缓，体积收缩率逐渐趋于稳定。运行30年条件下，直径为80，85，90 m时体积收缩率变化不显著，分别为19.84%，20.91%，22.03%，均小于30年体积收缩率30%的限值，可以保证腔体运行安全，腔体直径取值85～90 m。

图4 不同腔体直径时体积收缩率与时间关系曲线

王58井区造腔段地层厚度约250 m，为保证盐腔的稳定性，设计近似梨形的腔体形态，以王储3井为例，模拟计算70～90 m等4种不同直径单腔体积、单腔有效体积(见表2)，根据单腔有效体积占比情况分析，优选方案3，即腔体高度210 m，单腔直径85 m，单腔体积63×104m3，单腔有效体积43×104m3，单腔有效体积与单腔体积比达到68%，综合腔体的体积收缩率，腔体直径取值85 m。

表2 不同腔体单腔体积数据

6.2 布井方式

溶腔矿柱的安全距离对储气库的稳定性和经济性有较大的影响，根据国外建库经验，矿柱距离B=KD(D为储气库的直径)，德国取K=1.5～3.0，美国取K=1.75～2.5[11]。

为了对超大溶腔间矿柱宽度进行优化，根据王储3井所在区块的地层参数和超大溶腔形状参数(以直径85 m为例)，建立了两个相邻溶腔三维地质力学模型，从内压为17 MPa、运行30年条件下不同矿柱宽度相邻盐穴围岩中垂直变形量图(见图5a,b,c,d)可以看出：随着矿柱宽度的增加，盐穴围岩中的大变形区域(红色区域)不断降低，当矿柱度增加到2.5 D后，大变形区域基本上不再随着矿柱宽度的增加而增加。矿柱宽度为1.5，2.0，2.5，3.0 D对应矿柱截面中心点的变形量分别为0.98，0.76，0.53，0.24 m，可见矿柱宽度对其变形量影响较大，从垂直变形量角度，相邻两个盐穴间矿柱宽度取值为2.0～2.5 D。考虑到单个盐腔周围需要一定的距离以确保矿柱安全，同时为了提高盐岩利用效率，增加单位面积上的工作气量，相邻两个盐穴间矿柱宽度取值为3.0～3.5 D，计算矿柱宽度为255.0～297.5 m。

图5 内压为17 MPa、运行30年条件下不同直径溶腔围岩变形量

盐穴腔体布井方式一般采用三角形井网、正方形井网，对于一个盐腔的围岩，正方形井网受到周围4个盐腔的压力影响，而三角形井网受到周围6个盐腔的压力影响，围岩受力较前者均匀，且减小了井排间距，单个盐腔占用面积比正方形井网方式少，因此，选用三角形井网300 m井距布井方式。

图6 王58井区盐穴储气库一期工程一阶段井位部署

6.3 库容估算

按盐层埋深小于2200 m、地层厚度大于200 m、盐层厚度大于150 m、盐矿层水可溶物含量大于75%等条件，结合地面状况，初步筛选出4.3 km2的建库面积。采用三角形井网，相邻的盐腔轴距为300 m，预计王58井区可部署40个盐腔，总库容量为48.09×108m3，有效工作气量28.04×108m3。

根据王58井区储气库地质条件、储气调峰需求以及卤水消纳能力，拟分两期工程、三个阶段实施，目前正处于一期工程一阶段4口井实施阶段(见图6)，预计总库容量2.37×108m3，有效工作气量1.4×108m3。