江漢潛江構(gòu)造鹽礦水平井開采分析研究①

付曉飛，胡漢正，覃麗君，梁文川

(1.中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 430223，2.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江 433124)

我國巖鹽開采技術(shù)主要以水溶采礦法為主，即根據(jù)大部分鹽類礦物易溶于水的特性，通過鉆井形成井眼，再從井眼注入淡水溶解地層中的巖鹽礦體，在礦床賦存地進(jìn)行物理化學(xué)作用，將礦床中的鹽類礦物就地溶解，轉(zhuǎn)變成流動(dòng)狀態(tài)的鹵水后壓出地面，從而進(jìn)行鹽化工產(chǎn)品的加工制造[1]。水溶采礦法主要有單井對(duì)流法、油墊法、壓裂連通法、人工定向水平對(duì)接井開采法、硐室水溶法、爆破法等技術(shù)，其中水平對(duì)接井技術(shù)是一種通過水平井連通垂直井，形成溶解循環(huán)通道的方法[2]。與其他方法比較，水平對(duì)接井技術(shù)具有采出鹵水濃度高、產(chǎn)量高、鹵井服務(wù)年限長、井下事故少、采鹵成本低、綜合效益好等特點(diǎn)。水平對(duì)接井技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，埋深幅度廣、巖鹽層厚度跨度大、NaCl品位差別大的鹽礦，普遍采用了這一技術(shù)進(jìn)行開采，從發(fā)展趨勢(shì)看，該技術(shù)將成為今后巖鹽開采的主要技術(shù)發(fā)展方向[3]。

1 地質(zhì)特征

江漢盆地潛江構(gòu)造為北東73°傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向NWSE163°，傾向NE73°，傾角平緩(8°～12°)。潛江構(gòu)造潛二段鹽礦層25個(gè)，埋深1000～1450 m，礦石品位穩(wěn)定，考慮礦區(qū)的安全生產(chǎn)，只能開采部分鹽礦層，即潛二段第22(K1)、19(K2)、16(K3)、14(K4)、10(K5)、7(K6)、4(K7)、2(K8)韻律的巖鹽層。表1為潛江構(gòu)造潛二段巖鹽開采層參數(shù)。

表1 潛江構(gòu)造潛二段巖鹽開采層參數(shù)

從表1可以看出，潛二段8個(gè)開采層中僅有第19、22韻律巖鹽厚度大于10 m，巖鹽厚度分別為12.3,11.4 m，夾石厚度分別為2.42,0.56 m，夾石率分別為19.67%、4.91%，水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.54%、3.41%，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為78.23%、88.16%。第22韻律具有鹽層厚度大、夾石厚度較小、夾石率低、水不溶物含量低、NaCl含量高的特點(diǎn)，因此，選擇第22韻律鹽礦層作為開采層。

2 溶解速率

巖鹽溶解速率是描述巖鹽溶解特性的重要參數(shù)，以單位面積和單位時(shí)間內(nèi)所釋放出的鹽量來表示。一般來說，鹽類礦物溶解速率隨水溶性變化而變化。溶解度大的鹽類礦物，如石鹽、鉀石鹽、芒硝鹽等，其溶解速率快；溶解度小的鹽類物質(zhì)，如鈣芒硝、石膏、硬石膏等，其溶解速率慢[4，5]。

2.1 水溶性能

潛江凹陷潛江組鹽系地層具有極明顯的韻律性，反映出古鹽湖鹵水從濃縮到淡化的周期性變化，從潛四上段到潛一段，古鹽湖水體經(jīng)歷了由淡化—咸化—淡化發(fā)展的全過程[6]。潛江構(gòu)造潛二段是鹽湖水體濃縮的極盛時(shí)期，鹽層主要礦物有石鹽、無水芒硝、雜鹵石、無水鈉鎂礬類，此外，還有鉀芒硝和無水鉀鎂礬等。水溶解性能良好的礦物有石鹽、無水芒硝、無水鉀鎂礬、鹽鎂芒硝等，難溶或微溶礦物有鈣芒硝、鉀石膏、硬石膏等，而不溶物為泥云巖、灰泥巖。在室內(nèi)條件下，通過粉碎和充分溶解后，可知潛江構(gòu)造潛二段巖鹽開采層難溶物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為3.41%～9.54%，平均為5.79%，可溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)則占80%以上，礦石具有良好的水溶性能。

2.2 礦石品位

為研究不溶物夾層的影響，Durie R W和Jessen F W[7]開展了多個(gè)等厚度的鹽片和不溶物夾層疊置溶蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：夾層的存在加速了巖鹽的溶蝕，等厚的鹽樣溶蝕速率相同，鹽層段越薄，溶蝕速度越快，而與夾層的厚薄無關(guān)。巖鹽的溶解速度隨著礦石中NaCl含量的增加而增大。這是因?yàn)檩^純的巖鹽(礦石品位≥95%)與溶劑接觸的溶蝕表面相對(duì)較大，因此，一定時(shí)間內(nèi)會(huì)有更多的NaCl分子溶解到溶液中，使溶解速度增快。相反，在溶解低品位的巖鹽礦石時(shí)，不溶物含量過高導(dǎo)致最終溶腔內(nèi)殘?jiān)w積遠(yuǎn)大于品位較高均質(zhì)巖鹽層的殘?jiān)w積, 溶劑接觸礦物的溶蝕表面相對(duì)較小，致使溶解速度減慢，溶解周期變長。潛江構(gòu)造潛二段巖鹽開采層中NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為74.09%～88.16%，平均為81.28%，可見，其具有NaCl含量較高、品位高的特點(diǎn)。

2.3 溶解面積

在巖鹽開采過程中，出鹵濃度高時(shí)，溶解速度低，會(huì)導(dǎo)致出鹵濃度降低，最終導(dǎo)致開采效率下降。因此需要優(yōu)化巖鹽與溶解到溶液中的巖鹽量，使之處于相對(duì)平衡的狀態(tài)，以保證鹽礦既能長時(shí)間連續(xù)作業(yè)，又能達(dá)到較高的出鹵量。Durie R W和Jessen F W[8]對(duì)鹽水溶過程中表面特征影響進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在水溶過程中，由于巖石組成的非均質(zhì)性導(dǎo)致鹽溶蝕表面溶蝕不均，造成表面粗糙，增加了溶蝕面積，從而增加了溶蝕速度。從表2可以看出，溶解面面積分別為9，16，25 cm2時(shí)，隨著溶解面面積逐漸增加，溶解速率逐漸趨于穩(wěn)定，溶解速率基本一致。這說明面積對(duì)溶解速率的影響較小，巖鹽溶解速率不隨溶解面積的增加而增大，而是趨于一個(gè)穩(wěn)定值[9]。但溶解面積越大，礦物溶解越多，越利于造腔。因此，在巖鹽礦藏水溶開采過程中，應(yīng)盡力擴(kuò)大巖鹽的溶解面積，加速鹽溶液的溶解，提高生產(chǎn)效率。

表2 不同溶解面積下巖鹽的溶解速率

3 水平段長優(yōu)化

井組連通水溶開采法是以兩井或多井為一個(gè)開采單元，用各種方法在井間礦層中建造溶蝕通道，從其中一口井注入淡水以溶鹽，再利用注水余壓使鹵水從另一口井輸出到地面的開采方法。巖鹽溶腔的跨度與井底距有關(guān)：井底距過大，控制的可采礦量多，服務(wù)年限較長，投資省，缺點(diǎn)是鉆井軌跡以下的礦石無法開采，約造成20%的礦量損失，不控制上溶，易上溶至頂板，影響礦石采收率，難以充分發(fā)揮井組的生產(chǎn)潛力，在鹵井達(dá)到壽命報(bào)廢時(shí)，仍無法有效溶出巖鹽而造成資源浪費(fèi)，甚至?xí)?dǎo)致溶腔因跨度大而失穩(wěn)造成頂板垮塌；井底距過小，井間巖鹽很快被采空，淡水接觸巖鹽表面小，淡水溶解巖鹽時(shí)間短，使鹵井難以長時(shí)間產(chǎn)出高濃度鹵水[10，11]。因此，合理的井底距不僅能取得較好的溶蝕采礦效果，而且可以有效采出井組的中部礦塊，提高資源利用率。

不同的井距控制的礦量與礦層的厚度、品位相關(guān)，但是，對(duì)厚度、品位變化不大的同一個(gè)開采層，則主要根據(jù)井組控制儲(chǔ)量與井組服務(wù)年限匹配性來優(yōu)化水平段長。

3.1 井組控制儲(chǔ)量

在鉆井水溶采鹽過程中，注入的淡水以一種淹沒出流方式進(jìn)入溶腔，其自然溶蝕半徑取決于鹽層厚度、巖鹽品位、夾層厚度、頂板強(qiáng)度等因素。一般鹽層厚度越大、品位越高，自然溶蝕半徑越小，僅在25 m左右；而厚度不大、品位適中、頂板條件較好的鹽礦層，自然溶蝕半徑一般在35 m左右；厚度不大、品位較高的鹽礦層，其自然溶蝕的半徑會(huì)更大，可以達(dá)到50 m以上。潛江構(gòu)造潛二段第22韻律巖鹽視厚度為11.4 m，礦石體積質(zhì)量2.17 t/m3，石鹽品位85.31%，屬于厚度不大、品位較高類型巖鹽。其自然溶蝕半徑50 m，井組控制儲(chǔ)量以對(duì)井外擴(kuò)100 m的規(guī)則矩形計(jì)算：

Q=(L+100)×100×h×d×C

式中：Q為井組控制儲(chǔ)量，t；L為對(duì)井井距，m；h為鹽層厚度，m；d為礦石體積質(zhì)量，t/m3；C為石鹽品位。

當(dāng)水平段長分別為100，150，200，250，300 m時(shí)，單一井組控制NaCl儲(chǔ)量分別為42.21，52.76，63.31，73.86，84.42萬t，單井組控制可采儲(chǔ)量按單井組控制儲(chǔ)量的80%計(jì)算時(shí)，單井組控制NaCl可采儲(chǔ)量分別為33.77,42.21,50.65,59.09,67.54萬t(見表3、圖1)。

圖1 水平段長與井組控制儲(chǔ)量、可采儲(chǔ)量及面積關(guān)系 圖2 水平段長與可采儲(chǔ)量、最大服務(wù)年限關(guān)系

表3 不同水平段長開采層單一井組儲(chǔ)量

3.2 井組服務(wù)年限

實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)表明，礦區(qū)出鹵質(zhì)量濃度的安全值為300～305 g/L。300 g/L以下為低咸區(qū)，咸量太低影響效益生產(chǎn)與成本；305 g/L 以上為危險(xiǎn)區(qū)，易引起鹽結(jié)晶堵管而發(fā)生鹵井故障。按照年產(chǎn)能15萬t鹵水，NaCl質(zhì)量濃度300 g/L計(jì)算，當(dāng)水平段長分別為100，150，200，250，300 m時(shí)，最大開采年限分別為7.5，9.4，11.3，13.1，15.0 a(見表4、圖2)。

表4 不同水平段長下單一井組控制可采儲(chǔ)量與最大服務(wù)年限

由于腐蝕和地應(yīng)力等的破壞，鹽井的使用壽命一般為8～12 a。為了滿足15萬t鹵水的年產(chǎn)能需求，根據(jù)井組控制儲(chǔ)量與井組服務(wù)年限(8～12 a)匹配性，結(jié)合地面狀況、鹽層埋深(≤1400 m)、鹽層厚度(11.4 m)，同時(shí)為了避免井間干擾以及充分發(fā)揮單井采鹵效益，選取水平段長110～220 m。

4 井位布置

根據(jù)鹽礦水溶開采長期生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合巖鹽厚度、巖鹽品位、水平段長等技術(shù)參數(shù)要求，確定水平對(duì)接井的布井原則。巖鹽鹵水存在比重分異特性，即在同一溶腔內(nèi)，存在自下而上鹵水濃度由濃逐漸變淡的現(xiàn)象，水平井井位布置在鹽體傾斜下方位置，充分利用鹽鹵比重分異特性的有利因素，保障產(chǎn)出鹵水質(zhì)量(濃度)更高[12]。水平段長度在110～220 m，以增加足夠的巖鹽溶解段長度及溶解面積，確保產(chǎn)鹵質(zhì)量更高。

5 結(jié)論

(1)潛江構(gòu)造潛二段第22韻律巖鹽層厚度大、埋深適中，適合水平對(duì)接井水溶開采。

(2)溶解面的面積對(duì)溶解速率的影響不明顯，但是溶解面面積越大溶解的質(zhì)量越大。

(3)對(duì)潛江構(gòu)造潛二段第22韻律巖鹽層，從井組控制儲(chǔ)量與井組服務(wù)年限匹配性進(jìn)行優(yōu)化，選取水平段長110～220 m。