薄層復層狀鹽礦對井連通開采溶腔形成機理研究

余勇進，陳千漢，周普松，陳 寧

(1．湖北省鹽務局, 湖北 武漢 430022；2.湖北省礦業聯合會，湖北 武漢 430022；3.湖北雙環科技股份有限公司， 湖北 應城 432407；4.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

薄層復層狀鹽礦是我國古鹽湖礦床的主要賦存形式，其開采方式主要采用水溶壓裂對井連通開采技術。因受測試方法所限，有關水溶開采對井壓裂連通采鹵后形成的溶腔形態及形成機理的研究基本處于空白狀態，對于溶腔形態的傳統認識主要通過理論計算，認為是在鹽層中形成以兩井為中心，溶解半徑75m的近橢圓形水平溶腔，在薄層頂板跨塌后逐層上溶。但是，二十多年開采實踐證明，實際情況與理想形態有很大差異。重新認識這種類型的溶腔在不同階段發育的基本形態，對于科學設計采鹵井井間距和采區布局，合理建造溶腔，提高資源利用率及溶腔的再利用具有十分重要意義。

1 研究方法

以巖石力學基本理論和方法、鹽礦水溶壓裂開采基本理論為基礎，總結分析湖北云應地區鹽礦對井連通開采采區鉆井施工中，水文工程動態記錄數據、已形成的溶腔地球物理勘探測量數據、鹽井采鹵生產過程中有關參數，結合實驗室進行模擬試驗的成果，將理論計算、生產實踐、實驗室模擬試驗三個方面的成果資料進行對比研究，得出鹽礦對井連通開采溶腔形態和溶解機理的新認識，科學評估薄層復層狀鹽礦水溶開采的對象和開采方法，并指導今后的鹽礦水溶壓裂開采設計和鹽井采鹵生產。

2 溶腔形態分類

2.1 溶腔的形態類型

巖鹽礦床鉆井水溶開采形成的溶腔形態，主要取決于巖鹽礦床的特征、埋藏深度、礦區地質條件、采礦方法、開采設計、建井質量、采礦強度及生產管理水平等多種因素的綜合作用，可分為兩大類：規則形態與不規則形態。

一般巨厚層巖鹽及鹽丘礦床在水溶采礦時，大都采用單井對流的油墊或氣墊工藝，各鹽井之間在生產前期和中期互不連通。近年來，也有采用定向水平對接井鉆井技術，在采鹵過程中可以在最大限度內人工控制溶腔形態，其溶腔形態比較規則，研究程度也比較高。

內陸巖鹽地質成礦條件下形成的薄層、復層巖鹽礦床，采用對井水力壓裂和定向對接連通的開采方法，一般極少采用油墊或氣墊護頂工藝，主要是靠鹽礦中的夾層自然阻隔上溶，在水溶采鹽后形成的溶腔形態大都不規則。這種不規則溶腔是本文研究的重點。

2.2 溶腔的形態特征

由實驗室模擬試驗及生產實踐所表現出來的不規則溶腔形態，具有三個特點：一是向上溶解強烈，大致形成以各孔井管為中心的不規則向上發展的圓柱狀溶腔；二是側溶及兩井間通道水平沖刷溶解比上溶要緩慢，在上溶遇到非礦夾層及頂板時，側溶速度加快；三是基本上不沿裂隙通道向下部溶解。在沒有人為控制的情況下，這種類型的溶腔大致上形成以兩井管為中心，以30～50m側溶半徑沿井管向上溶解的近似柱狀或倒圓臺狀溶腔，溶腔高度比溶腔半徑大，其高徑比大約為1.5～2.5∶1，在兩孔軸線的縱剖面上，表現為近似不對稱馬鞍形。溶腔內表呈鋸齒狀，溶腔內部結構為空腔狀與骨架狀、蜂窩狀，其殘存物如珊瑚礁一般。

3 溶腔形成機理淺析

3.1 溶腔應力應變的分析

在沒有貫通性地質構造的鹽礦區塊內，我們可以將鹽礦水溶壓裂開采形成的溶腔，看成是由鹵水密實充填的鹽礦采空區。從注水井—地下溶腔—出鹵井的封閉條件下,由于鹵水的不可壓縮性和壓力傳遞性,溶腔內鹵水的浮托力與頂板下陷變形的應力處于平衡狀態。當封閉環境被破壞(包括部分鹵水被溶腔周圍巖石吸收),巖鹽不斷溶蝕,出現新的空間,或是井管穿漏使鹵水流失，溝通了其它地下通道等。這些因素都會減弱鹵水對頂板下陷的支撐力,使頂板的薄弱部分垮塌、形變并使應力得到釋放,從而又達到新的平衡。如此反復,其頂板逐步垮塌。因此,在沒有其它因素參與的情況下,頂板垮塌是一個漸進而漫長的過程。而波及到地表產生地面沉降，則應是更漫長一個時期。

3.2 溶腔形成的物理化學條件

本次模擬實驗選擇了具有典型代表的各類巖樣，摸擬了不同開采方法，對形成的溶腔進行了多次試驗，結合生產實踐驗證分析，認為影響溶腔形態的因素，既有地質的，也有開采過程中人為的因素，表現為以下十個方面：一是地層構造決定溶腔的主體形態；二是礦層結構決定溶腔內部結構形態；二是礦石類型決定溶腔發育速度；四是鹵水的自重分異決定溶腔上溶高度；五是鹽礦的沉積相變，使同一溶腔在不同水平部位出現差異；六是礦層結構面如節理裂隙，控制溶腔周邊的溶解通道的發育程度；七是對井注水方式決定溶腔的對稱性；八是注水時間長短決定溶腔的大小；九是鹽井固井質量決定了溶腔上竄的形態；十是壓裂連通的原始通道決定兩井間溶解的范圍和水平投影形態。

4 溶腔發育的階段

溶腔的形態特征存在著很大的差異，但同時又表現出了一定的規律性，它為我們進行溶腔形態特征的研究分析提供了可靠的依據。水力壓裂水溶采鹵工藝，根據其各個時期的水力學特點，可劃分為壓裂期、建槽期和采鹵期三個階段。這三個階段，實質上就是溶腔的產生與孕育、拓展、形成及發展的全過程，在不同的階段，其溶腔發育的形態特征是不同的。

4.1 溶腔的產生與孕育

在正常情況下，地應力場的垂直應力梯度約為0.23MPa/100m，水平方向應力梯度約為1.1MPa/100m。湖北云應地區鹽礦在壓裂連通作業中，破裂壓力梯度多數在2.4～3.6MPa/100m。裂隙擴展直到連通時的穩定壓力梯度在1.2～1.4MPa/100m，這說明兩井之間是以垂直裂縫連通的。當對注水井進行壓裂時，首先在注水井裸眼部分的礦層中近上部產生一組放射狀裂隙。這組放射狀裂隙的出現，就標志著微溶腔的產生。它產生的瞬間，首先是以注水井為中心呈圓形分布，隨之開始變成以注水井為焦點，反傾向呈扇形分布，注水井附近裂隙分布密而且寬，在接近回鹵井時變得稀而窄小。如果一旦有裂隙與回鹵井溝通，那么這個溝通的裂隙就決定著今后溶腔發展的大致方向，其裂隙的產生到溝通裂隙的形成，就是溶腔的孕育過程。隨后溶腔的拓展，就是在溝通裂隙的基礎上發展起來的。

這組溝通裂隙不一定在對井的連線上，有時這組溝通裂隙可能會遠遠偏離井組連線而將兩井連通。對于存在眾多夾層的復層狀巖鹽礦床而言，壓裂過程形成的裂隙，一般以縱向裂隙沿水平方向擴展為主，它主要是由外力的機械破壞(即水力壓裂)的作用和抗壓強度大于鹽層的夾層阻隔所產生的。

4.2 溶腔的拓展

本階段是將溝通裂隙進行拓展，使其過流斷面增大和增強。這一階段的溶腔發育的形態特征要比產生時復雜一些。首先，由于在鹽井工程完鉆前，要進行充分的洗井，在井底都形成了原始的小溶腔。這個小溶腔一方面便于接受另一口井壓裂裂縫的傳導，形成一個較大的靶區，另一方面也利于井筒中的沉積物沉積于井底。由于鹵水的自重分異作用， 注入的淡水密度較小，密度一般為1，但在小溶腔中的鹵水，因為近似飽和鹵水，其密度為1.2。因此，在密度差的作用下，淡水受到一個很大的向上的浮力，使得套管注入的淡水首先沿套管出口向上方升騰，其作用是稀釋小溶腔上部的鹵水，使其鹵水流動方向成為一個沿套管外壁向上流動，到達溶腔頂部后，向四周流動，然后沿井壁向下運動的流動方向，最后其沿著井下壓裂裂隙向另一口井運動。在這整個過程中，鹵水濃度漸漸增大，溶腔向上發育的速度大于水平方向的發育速度,而水平方向的發育速度大于向下發育的速度，在每口井的套管部位形成一個圓柱狀的溶腔或倒圓臺狀的溶腔。

4.3 溶腔的形成

對井之間的通道進一步拓展，兩井處的小溶穴不斷擴大并不斷使柱狀溶腔向上溶。在上溶遇到頂板或難溶的巖層時，則產生較強的側溶，形成以井管為中心的圓盤狀，沿頂部的難溶巖層與鹽巖層的結構界面向側面溶蝕。兩井之間的溝通裂隙，在水力沖刷和溶解作用下，也按照上溶較快、側溶較慢、基本不向下溶解的規律使其斷面不斷增大。液體在初～中期是紊流狀態，后期以層流方式流動，兩井之間的通道在水平面上的投影，類似于彎延曲折的河道。在這一階段中，礦石溶解后的水不溶物，一部分被快速流動的液體帶出地表，另一部分則被沉積在兩端及其通道的底部。在井底及通道中的水不溶物，又將巖鹽與溶液隔離開來。呆滯在溶腔下部的礦石，主要是與井底堆積物中的孔隙水接觸,其接觸面積小,由于鹵水的重力分異作用，使下部鹵水濃度高，故而溶腔向下發育十分緩慢。而且當堆積物不斷增厚或者出現大規模的頂板巖層跨塌時，底層堆積物不斷被壓實,其孔隙度隨之減少，溶腔向下發育呈減速趨勢，直至完全停止向下發育，底部的鹽巖基本上就不再溶解。此時的溶腔除了存在大的溶穴外,還包括井底水不溶堆積物中的孔隙和圍巖體變形破壞時產生的裂隙。這些不同類型充滿著水的空隙的集合，便形成了一個完整而復雜的溶腔,它們在井下以不同方式發生著水力聯系。而正是這些不同的水力聯系方式，決定著今后溶腔進一步發展的方向。

4.4 溶腔的發展

溶腔的頂部及周幫圍巖始終保持著與水溶液良好的接觸，在上溶時遇到了難溶的頂板，則溶解方向向水平方向擴展。此時，溶腔在同一方向上的發展速度是比較穩定的,在較短的時間內不會有明顯的變化,只是不同方向的發展速度不同而已，如沿傾向上方比沿傾向下方溶解要快。溶腔范圍在不斷增加,當園臺狀頂部遇難溶巖層向水平方向溶解時，其直徑越來越大；當上覆巖層的負荷超過頂板巖石強度時,頂板巖層在溶蝕及載荷的雙重作用下，便會發生變形以至產生斷裂， 在溶腔上部產生冒落帶、裂隙帶，并促使頂板的最終跨蹋，使淡鹵進入上一個含鹽礦層繼續溶解，且溶腔跨度越大， 溶腔發育高度就越大。 因此，溶腔向上發育呈加速進行,而且不斷地在上部礦層中產生新的溶穴,以致在縱剖面上出現溶穴群。實際巖鹽開采中的儲量，也并非我們人為劃定的某個開采層的鹽量，而是巖鹽上溶時，將很多的非工業鹽群一并開采出來的結果。巖鹽溶腔的形成，受多種因素的影響，最終是一個有著不同類型的、極不規則的、極其復雜的、多種層次、多種結構的充滿著鹵水的各種溶穴的集合體。

5 溶腔的失穩形式及檢測方法

5.1 溶腔的失穩形式

巖鹽礦床無論是采用什么方法進行鉆井水溶開采，都會經歷采空、地應力變化、頂板變形、頂板及上覆地層垮塌，直至地面沉降的過程。由于水溶采礦后，采空區即溶腔所有的空間均被鹵水充填，溶腔頂板受到均衡的支托力。在鹽井與溶腔呈完好的封閉狀態時，這種支托力是穩定溶腔頂板的有利因素；同時，鹽礦又是可溶性的物質，水對頂板鹽類礦物的溶解作用及對難溶巖石的水化作用，使其物理機械強度減弱，這又是促使頂板垮塌的不利因素。就是這一對矛盾體控制著溶腔，在對立統一中尋求平衡。但隨著鹽巖的開采，這種平衡被打破，又達到新的平衡，然后再打破，再達到新的平衡，使巖鹽頂板不斷的垮塌、穩定，漸漸向地表發展，直至使地面產生形變，就會發生地質災害事故，對地面農田、建(構)筑物及環境帶來破壞。由此可見，影響溶腔穩定性的主要因素，是礦層開采深度、開采上溶高度及溶腔的頂板暴露的形狀及面積等。如果保證在封閉條件，科學設計，合理開采，限制采高，頂部有足夠厚度的不溶性巖層，其穩定性較好。

5.2 溶腔的檢測方法

自1980年初湖南湘澧鹽礦水采區發生地面沉降以來，鹽礦地質采礦工程技術人員就一直在探索適合對井連通開采后形成溶腔的經濟、實用的探測方法。二十多年來，先后用于這種類型的溶腔探測方法有高分辨地震法、聲納法、電法及地球物理測井法等。這些方法用科學、經濟、實用標準來衡量，均有各自的特點和局限。根據實際條件，合理選擇相應的溶腔探測方法組使用，相互驗證，不失為一條比較正確的途徑。

6 巖鹽溶腔的再利用方向

6.1 可利用地下溶腔的基本條件

采鹽形成的溶腔是一種地下空間，隨其自身條件狀況，具有可以利用和產生危害兩種屬性。在采鹽之前，按照一定要求進行設計，在采鹽過程中采用技術手段加以控制，形成的溶腔就可以作為地下儲存空間加以利用。衡量溶腔再利用的基本條件，主要有兩個方面：一是物理條件，要具有穩定性、耐壓性、密封性和規模性，主要是指溶腔本身所處的深度、圍巖物理特征、造腔形態；二是地質條件，以鹽層厚度大、鹽層連續穩定，未被后期斷裂構造破壞，具有良好的保護蓋層，這些地段具有建造專用地下溶腔的地質環境。

6.2 溶腔利用的方向

巖鹽開采形成的地下空間，在滿足上述基本條件的前提下，可以用作鈣鎂泥、石油、天然氣的儲存庫。通過分析計算，作為石油儲存庫的溶腔，埋藏深度在600～1000m左右為宜，溶腔直徑與相鄰溶腔之間保安礦柱的安全距離比值為2.1～2.5。而作為天然氣的儲庫埋藏深度則應達到1000m以上，當埋藏深度達到1500m以上，其安全性更高，溶腔直徑與保安礦柱的比值為2.8～3。

[1] 湖北省國土資源廳. 湖北省鹽礦地質勘查規程, 2008.

[2] 湖北省國土資源廳. 湖北省鹽礦水溶開采設計規程, 2008 .

[3] 湖北省國土資源廳. 湖北省鹽礦水溶開采生產技術管理規程, 2008.