衡阳盐矿区深部地下空间储气地质条件适宜性初评

2024-03-08阮岳军杨贵花曹创华姚海鹏王灵珏

地下水 2024年1期

王潇,阮岳军,杨贵花,何阳,曹创华,姚海鹏,王灵珏

(湖南省地质调查所,湖南长沙 410114)

0 引言

盐岩开采后形成的盐腔可用于能源和废物处置,是一种重要的深部地质空间资源。目前全球共有45座盐穴储气库在运行,占储气库总数的11.7%,总工作气量为161.98×108m3,占全球储气库总工作气量的4.6%,在各国的天然气调峰中发挥了重要作用[1-7]。我国盐岩资源丰富,但除江苏金坛天然气储气库之外,还未有其它盐腔资源利用的案例,原因之一是对我国其它地区盐腔资源研究不足。湖南湘衡盐矿是我国特大型盐矿床之一,盐岩开采留下的盐腔空间具备用于能源储存及高污染废物的永久处置的潜力。

1 湘衡岩矿基本情况

1.1 矿区位置

衡阳盐矿区位于衡阳盆地东北部,地域范围为蒋家山、咸塘、茶山坳、金甲岭一带,包括盐岩矿床,钙芒硝矿床和硬石膏矿床。包含白鹿港、金甲岭、茶山坳、蒋家山等矿段。北至白鹿港一带湘江,南至湘江一级支流耒水一带,西东西两侧均为湘江,平面大致呈“几”字形,东西长近8 km,南北宽约13 km。

1.2 地层特征

(1)白露港-茶山坳盐岩矿段位于衡阳红盆东北部盆地氯化物沉积区(衡阳盐矿区)。区内出露地层简单,除第四系外,仅见古近系霞流市组茶山坳段上部浅色泥岩带和高岭段。地层简述如下。

(2)全新统(Qh)和更新统(Qp):分布于矿区南部和西部,不整合于下伏地层之上。

(3)古近系霞流市组高岭段(E2x2):与下伏地层无明显分界,二者为连续过渡沉积关系。以紫红色泥岩和泥质粉砂岩为主,夹薄层青灰色泥岩、泥灰岩和薄层长石石英砂岩、细砂岩。局部地段岩石结构粒度变粗,砂岩量增多或出现砾岩夹层。化石主要有哺乳类、爬行类和轮藻类等动植物化石,厚﹥150 m。

(4)茶山坳段(E2x1):为矿区含矿岩系,以咸水湖相沉积及浅色层发育为其主要特征,其与下伏车江组和上覆高岭段均呈连续沉积之渐变关系。该段自上而下共分为E2x1-5、E2x1-4、E2x1-3、E2x1-2、E2x1-1共计5个岩性带。

1.3 构造特征

白露港-茶山坳盐岩矿段一带区域褶皱不发育,仅见有短小的背斜,如茶山坳背斜,一般走向为NE—NEE向,褶皱幅度小,规模不大,形态多不完整,对矿床的影响甚微。主要是断层发育,研究区内主要出露樟木市断层(F2)、鸡公山断层(F3)、茶山坳耒河断层(F4)、咸塘断层(F5)(图1)。其走向多呈NE向,形态以正断层为多,常具压扭性质,规模也较大,并有多次活动的特点,对“成盐盆地”的形成、盐类矿物的沉积起了控制作用,成矿期后的活动对矿层有一定的影响。

图1 矿区区域地质简图

2 盐矿分布特征分析

研究区一带盐矿主要分布在茶山坳段第三岩性带(E2x1-3),中上部以盐岩矿层为主体,夹钙芒硝岩、钙芒硝泥岩、硬石膏岩及泥岩,偶夹紫红色泥岩。厚120～350 m。为盐岩主矿层;下部以团块状、肠状硬石膏泥岩为主,夹1～4 m厚盐岩矿多层,或夹硬石膏岩及钙芒硝岩。厚14～50 m。为盐岩副矿层。研究区布设3条剖面线A-A’、B-B’、C-C’,结合收集钻探等资料探索区内的水平和垂向岩矿的空间分布特征。

2.1 水平分布

根据矿区勘探报告中钻孔揭露矿体情况,研究区一带可分为白露港-金甲岭盐矿段以及茶山坳盐矿段,水平分布受构造控制明显。两个矿段在海联-金甲岭一带被F3断层断开,每个矿段水平上呈环状分布。其中白露港-金甲岭盐矿段北起白露港一带湘江边的F2断层,南至金甲岭-海联一带的F3断层,东西向以湘江为界,水平面积约26.03 km2;茶山坳盐矿段北起F3断层,南至湘江支流耒水,西起湘江边珠晖塔,东至石塘一带,水平面积约25.55 km2。

2.2 垂向分布

由图2、图3、图4可知,垂向上矿体分布为钙芒硝矿体、盐岩主矿体、盐岩副矿体。而矿山主要开采盐岩主矿层,盐岩副矿层和钙芒硝矿层均未被开采利用,故本次仅对盐岩主矿体的分布进行研究。

图2 A-A’剖面图

图3 B-B’剖面图

图4 C-C’剖面图

由图2中的A-A’剖面可知,白露港-金甲岭盐矿段盐矿的分布呈“凹”形,与盆地的地层分布一致,南北埋深浅,一般高程在-200～-400 m左右,而中部白露港一带埋深最深,高程区间-900～-1 220 m左右。盐矿带垂向厚度中间厚,向南北两侧逐步歼灭,平均垂向厚度300 m左右。而茶山坳盐矿段由于南北向较短,受构造及地层控制,未呈“凹”形,而是中间厚,南北两侧相对薄的脉状分布,整体高程分布-200～-450 m左右,平均厚度300 m左右。

图3的B-B’剖面控制研究区的东部,盐矿的垂向分布特征基本与A-A’剖面展示一致,说明了两个盐矿段在东西向的分布较为稳定,受地层影响,盐矿的走向与地层走向基本一致。

图4的C-C’剖面展示,C-C’剖面为近东西向,盐矿在垂线上近长条状,分布高程-100～-600 m不等,厚度130～350 m,东西向整体分布较为均匀,与前文结论相吻合。

3 盐矿主矿层特征

盐岩矿层分主矿层和副矿层。目前仅开采利用盐岩主矿层,盐岩副矿层和钙芒硝矿层均未被开采利用。盐岩、钙芒硝矿体呈层状、似层状或透镜状,形态简单,其产状与地层产状一致,倾向北西、倾角5°～7°。盐岩主矿层总厚51～355 m,一般厚220 m左右,其中单矿层厚20～40 m,累计厚度33～296 m,平均厚为187.52 m。夹石累计厚3～44 m,一般5～10层,单层厚2～5 m;含矿率为65%～95%,一般为80%左右。平均品位NaCl含量46.11%,Na2SO4含量12.33%。矿层埋深212～399 m,东西控制长3 000 m,南北控制宽900～1 800 m,走向和倾向上均延伸出矿段。

4 矿区工程地质条件及开采后的变化

4.1 盐岩的开采方法

湘衡盐矿的开采方法为钻井水溶法,现为双(多)井定向连通采卤方式,已淘汰单井对流采卤方式。于相距的两处或多处施工采卤井,以现代先进的钻探造斜技术,按预设计轨迹于岩矿层中钻进,到达采矿目的层会合,两轨或多轨相会连通。生产操作可从A井注入清水,清水沿造斜通道溶解岩盐和钙芒硝,从B井或C井排出卤水;也可从B井或C井注入清水,向A、C井或A、B井排出卤水。造斜通道打通后,通道内残渣、夹石下落,溶腔通道随采卤时间推移而不断上蚀,始终形成新的溶腔通道。双(多)井定向连通采卤法,具有矿产利用率提高,卤水浓度高,产量高,采卤成本低和不需维修采卤井等方面优点。

4.2 矿层顶板盖层及夹层岩石的稳固性

4.2.1 岩性特征

(1)盖层:近地表为紫红色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、薄层灰色泥岩,因风化原因,垂直裂隙发育,岩石较破碎。中部以青灰色泥岩、泥灰岩、泥质粉砂岩为主,夹灰色细砂岩、紫红色泥岩、粉砂岩,裂隙不发育。下部为青灰色泥灰岩、紫红色泥岩和棕红色钙质泥岩,岩石结构致密,钙质泥岩有溶蚀现象。中部和下部岩石,物理力学试验在干燥状态下,极限抗压强度值较高;但在饱和状态下,极限抗压强度值低。

(2)矿层顶板:矿层顶板为青灰色泥岩与硫酸盐岩石组成,稳固性较好,不透水。但该层与矿层过渡带为深灰色含岩盐泥岩,溶蚀现象明显,局部已形成溶洞,稳固性能较差。

(3)夹层:主矿层矿石本身并非全为岩盐,常含粘土,夹薄层含盐泥岩,矿层内夹层多为硬石膏泥岩、钙芒硝泥岩或泥岩,厚为几十公分到数米不等。

4.2.2 岩性特征

收集了盖层各类代表岩石的物理力学性质测试结果[8](表1和表2)。

表1 岩石物理性质综合成果表

表2 岩石力学试验成果表

4.2.3 岩石的稳固性

盐岩盖层岩石的封闭性和稳固性是盐穴储气库建库可行性的重要论证指标,是确保盐穴储气库稳定和安全的基础[9],对岩盐夹层和矿层直接顶板未取物理性能测定样,参照盖层岩石测试结果。根据表1、表2的测试结果,结合岩石抗压强度分级表,可见顶板过渡带层属极不坚实岩石。夹层为含硬石膏泥岩、含钙芒硝泥岩、含岩盐钙芒硝泥岩和泥岩,其主要成分为粘土矿物含部分可溶盐类矿物,易崩塌软化,属不坚实岩石,此类岩石于水采过程中随着溶腔的扩大、岩盐采空、加以水体动能作用失去稳固性平衡而塌落,压覆下伏岩盐矿层,是影响矿产回采率和井内事故的根源;矿层顶板为硫酸盐岩石夹泥岩,微密无裂隙,不透水,为顶板隔水层,岩石稳固性相对较好。盖层岩石的极限抗压强度值于干燥状态下较高,于饱和状态下则低,说明岩石受水影响易于软化。

5 储气地质条件初评

5.1 评价原则

综合国内盐穴储气库成功经验,普遍认为有利的建库区应具备以下6项基本要素[10-11]。(1)构造形态简单,断层少,断距小,对建库无影响;(2)盐层厚度大,分布稳定,含盐量高,夹层厚度小;(3)盐层的顶、底板分布稳定,厚度较大,抗压强度大,无裂缝,封闭性和稳定性好;(4)盐层埋深800～1 200 m,适宜建库要求;(5)建库区块避开村镇、河流,但离水源要近;(6)储气规模要满足市场正常调峰气量及应急气量的需求。

5.2 分段评价

拟在白露港-金甲岭盐矿段以及茶山坳盐矿段一带对两者储气的地质条件适宜性进行初步评价,综合前文的论述,分析如下。

(1)白露港-金甲岭盐矿段:区内构造简单,地层产状平缓,褶皱不发育,断层不发育,仅东南面边界有F3断层发育,对矿层影响小;矿层厚度在300 m左右,分布均匀稳定;矿体直接顶板为钙芒硝矿体,厚度在3.26～9.03 m之间,间接顶板为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等,厚度大多800 m以上,岩石整体微密无裂隙,不透水,岩石稳固性相对较好,密封性好;矿层埋深南北浅,中部渗,高程在-900～-1 220 m,埋深在950～1 300 m左右,保证储气能力;区内水源充足,保证造腔用水等条件;区内人居较分散,无重大工程等设施。

(2)茶山坳盐矿段:区内构造简单,地层产状平缓,褶皱发育,断层不发育,北部为F3断层,南部为F4断层,但对矿层影响小;矿层厚度在300 m左右,分布均匀稳定;矿体直接顶板为钙芒硝矿体,厚度在3.26～9.03 m之间,间接顶板为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等,厚度大多400 m以上,岩石整体微密无裂隙,不透水,岩石稳固性相对较好、密封性;矿层分布高程在-200～-450 m,埋深在250～500 m左右;区内水源充足,保证造腔用水等条件;区内有茶山坳镇、铁路、高速等,人口相对密集。