單一規(guī)模化深部鹵水開采效率和越流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

房　琦，李義連，呂俊文，程　鵬

(1.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.湖南省有色地質(zhì)勘察局217隊(duì)，湖南 衡陽 421001)

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單一規(guī)模化深部鹵水開采效率和越流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

房琦1，李義連2，呂俊文1，程鵬3

(1.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.湖南省有色地質(zhì)勘察局217隊(duì)，湖南 衡陽 421001)

摘要：以江陵凹陷深部高礦化度富鉀鹵水層為例，通過建立多級(jí)砂泥巖互層模型，采用數(shù)值模擬的方法評(píng)估了不同泥巖隔層滲透條件下單一規(guī)模化的鹵水開采效率、越流風(fēng)險(xiǎn)和區(qū)域壓強(qiáng)的變化。結(jié)果表明：鹵水開采效率受到泥巖隔層滲透性的顯著影響，對(duì)于單一規(guī)模化的鹵水開采，單井鹵水日產(chǎn)量隨著開采時(shí)間的延續(xù)降低迅速，難以保持鹵水的高效開采；各水文地質(zhì)單元之間發(fā)生強(qiáng)烈的越流補(bǔ)給，其越流補(bǔ)給量取決于泥巖隔層滲透性的強(qiáng)弱；無論泥巖隔層滲透性的強(qiáng)弱如何，單一規(guī)模化的鹵水開采都會(huì)使得含水層的區(qū)域壓強(qiáng)發(fā)生大幅度降低，容易誘發(fā)地面沉降，引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題。

關(guān)鍵詞：深部鹵水；開采效率；越流風(fēng)險(xiǎn)；壓強(qiáng)變化；單一規(guī)模化開采

我國是農(nóng)業(yè)大國，同時(shí)也是一個(gè)鉀資源嚴(yán)重匱乏的國家，鉀肥對(duì)外依存度高達(dá)50%以上，直接影響到國家糧食安全。目前我國鉀資源的開發(fā)還局限于淺層地下鹵水和淺部鹽類礦物的溶解開采，無法滿足我國鉀鹽的需求[1]，而且隨著淺層鹵水資源的耗竭，勘查尋找深層富鉀鹵水、高效開采利用富鉀鹵水成為緩解我國鉀鹽供需緊張的重要途徑。

江陵凹陷位于湖北省荊州市，是江漢盆地最大的次級(jí)凹陷，在凹陷地層深部賦存著豐富的高溫富鉀鹵水，鹵水中鋰、銣、溴、碘等微量元素的含量也很高，均超過工業(yè)開采利用品位[2]。據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院初步預(yù)測(cè)，江陵凹陷深層鹵水鉀鹽資源約852萬t，金屬鋰30 200t，銣30 720t，溴123 360t，碘17 280t，如若得到高效環(huán)保的開發(fā)利用，對(duì)于緩解我國鉀鹽資源缺乏、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

目前關(guān)于深部鹵水層開采的研究甚少，F(xiàn)ang等[3]通過建立上覆封閉蓋層的單層含水層系統(tǒng)，初步研究了大規(guī)模的鹵水開采效率和區(qū)域壓強(qiáng)的變化。由于陸相沉積環(huán)境的復(fù)雜性，江陵凹陷沉積地層除了具有普遍較低的孔隙度和滲透率外，還呈現(xiàn)出砂泥巖互層與膏鹽互層、砂巖儲(chǔ)層薄而多的特點(diǎn)。本文以江陵凹陷沙市組深層富鉀鹵水為例，通過構(gòu)建多級(jí)砂泥巖互層模型，并采用數(shù)值模擬的方法研究了不同泥巖隔層滲透條件下單一規(guī)模化的鹵水開采效率、越流風(fēng)險(xiǎn)和區(qū)域壓強(qiáng)的變化情況。

1研究區(qū)概況

江陵凹陷為江漢盆地面積最大的次級(jí)構(gòu)造單元，面積為7 400km2，其發(fā)育受萬城斷層、紀(jì)山寺斷層、問安寺斷層和公安斷層的控制，并由NNE向萬城斷層切割組成地塊，總體呈現(xiàn)出“一凸、兩洼”的構(gòu)造格局，見圖1。

圖1　江陵凹陷構(gòu)造分區(qū)簡圖Fig.1　Structural units of Jiangling depression

江陵凹陷為白堊系—古近系斷陷盆地，地層沉積厚度近萬米，自下而上為白堊系漁洋組，古近系沙市組、新溝咀組、荊沙組、潛江組、荊河鎮(zhèn)組，新近系廣華寺組以及第四系平原組，以碎屑巖沉積為主(見圖2)，其中又以晚白堊系、古近系砂泥巖互層與膏鹽互層較為發(fā)育[4-6]。

古近系古新統(tǒng)沙市組上段和新溝咀組下段II、III油層組是目前發(fā)現(xiàn)的富鉀鹵水礦化點(diǎn)主要分布區(qū)域，該組地層的蒸發(fā)巖主要分布于江陵斷凹的洼陷內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的鹽巖盆地。江陵洼陷分布面積為1 600km2，富鉀鹵水主要分布于其中南部，主要表現(xiàn)為3處富鉀鹵水特點(diǎn)、6處礦化點(diǎn)，總體控制面積為960km2[2]。沙市組上段為三角洲濱淺湖相沉積，以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，厚度一般在10～100m，荊州背斜帶滲透性砂巖均厚20～40m，孔隙度一般為8.5%～15.7%，儲(chǔ)層物性較好。新溝咀組下段為三角洲-湖泊沉積體系，砂巖厚100～150m，不同地區(qū)砂巖孔隙度差異較大：西段砂巖孔隙度為12%～16%，滲透率一般為10×10-3～ 20×10-3μm2；東段砂巖孔隙度為7%～8%，滲透率小于1×10-3μm2，儲(chǔ)層物性變差；南部斜坡帶砂巖不發(fā)育，厚度小于25m，儲(chǔ)層物性差[5-9]。

圖2　江陵凹陷白堊系—古近系地層柱狀圖　　　(據(jù)文獻(xiàn)[2]、[3]修改)Fig.2　Stratigraphic column of Jiangling Depression　　　from Cretaceous to Palaeogene(Modified　　　after references[2-3])

江陵凹陷富鉀鹵水的礦化度超過325g/L，陰離子中Cl-占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占毫克當(dāng)量數(shù)的99.3%～99.7%，陽離子中Na+>Ca2+>K+，三者之和達(dá)到毫克當(dāng)量數(shù)的99%，構(gòu)成了鹵水的主要組分，在某些地區(qū)，ρ(KCl)達(dá)到17.5～18.5g/L，ρ(K+)達(dá)到9.1～9.6g/L，超過工業(yè)開采利用品位[2,10]。此外，鹵水中Li+、Br-、I-的含量也很高，具有極高的開發(fā)價(jià)值。

2研究方法

本文選取江陵凹陷富鉀鹵水層沙市組上段砂泥巖互層作為研究對(duì)象，將其概化成被泥巖弱透水層隔斷的多級(jí)砂泥巖互層含水層系統(tǒng)，并建立各向均質(zhì)的三維水文地質(zhì)模型，見圖3。模型縱斷面總厚120m，由3個(gè)鹵水含水層(Sand1、Sand2和Sand3)和3個(gè)泥巖隔水層或弱透水層(Mud1、Mud2、Mud3)交互沉積構(gòu)成，各層厚度均為20m，頂部埋深3 000m；模型橫切面自中心向橫向和縱向各延伸10km，構(gòu)成20km×20km的水平范圍，并采用矩形布井方案以8km為間距共布設(shè)9口鹵水開采井。利用mView軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，根據(jù)距井孔遠(yuǎn)近進(jìn)行層層加密，井孔附近1 000m采用多層次放射性的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，共計(jì)330 000個(gè)網(wǎng)格。由于富鉀鹵水洼陷被各斷層隔斷且上覆較厚的膏質(zhì)鹽巖，故將外邊界和上下邊界均設(shè)置為封閉邊界。目標(biāo)開采層為第三鹵水層(Sand3)，射孔部位為第三鹵水層的中下段，為獲得最大鹵水開采效率，采用1bar(1bar=0.1MPa)的恒定壓力開采，持續(xù)開采50a。所有鹵水層(Sand1、Sand2、Sand3)的水文地質(zhì)和熱力學(xué)參數(shù)取值相同，參見表1中砂巖的各項(xiàng)取值；所有泥巖隔層(Mud1、Mud2、Mud3)的水文地質(zhì)和熱力學(xué)參數(shù)取值相同，參見表1中泥巖的各項(xiàng)取值。為了研究不同泥巖隔層滲透條件對(duì)鹵水開采效率和越流風(fēng)險(xiǎn)的影響，本文設(shè)置了泥巖隔層滲透率k的4個(gè)取值，分別為1×10-17m2、1×10-18m2、1×10-19m2、1×10-20m2，表示從弱透水層過渡到隔水層;地層初始?jí)簭?qiáng)服從靜水壓強(qiáng)分布，頂層初始?jí)簭?qiáng)為30MPa。

數(shù)值模擬采用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的多相流模擬軟件TOUGH2-MP[11-12]完成。TOUGH2軟件采用積分有限差分方法進(jìn)行空間離散，能進(jìn)行一維、二維和三維孔隙或裂隙介質(zhì)中多相流、多組分以及非等溫的水流和熱流運(yùn)移的數(shù)值模擬，廣泛應(yīng)用于地?zé)醿?chǔ)藏工程、飽和/非飽和帶地下水流、核廢物地質(zhì)處置、環(huán)境評(píng)價(jià)與修復(fù)以及二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存等領(lǐng)域，用以解決各種不同條件下地下水流和熱量運(yùn)移問題[11-14]。

表1　水文地質(zhì)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)取值

圖3　建立的多級(jí)砂泥巖互層模型示意圖Fig.3　Schematic diagram of model established in this study

3模擬結(jié)果及分析

3.1鹵水開采效率

首先簡單解釋下文中出現(xiàn)的幾個(gè)表述：“單一規(guī)模化鹵水開采”是指單純性的且大規(guī)模的鹵水開采行為；“鹵水總開采量”是指9口鹵水井開采量的總和;“目標(biāo)層鹵水開采量”是指來自目標(biāo)鹵水層即Sand3的鹵水開采量；“鹵水開采效率”是指目標(biāo)層鹵水開采量與鹵水總開采量的百分比。

圖4為鹵水總開采量和目標(biāo)層鹵水開采量隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可見，鹵水總開采量隨著泥巖隔層滲透率的降低而降低，而目標(biāo)層(Sand3)的鹵水開采量卻隨著泥巖隔層滲透率的降低而升高；開采50a后泥巖隔層滲透率分別為1×10-17m2、1×10-18m2、1×10-19m2、1×10-20m2的鹵水開采總量為62.5Mt、59.4Mt、50.6Mt、35.4Mt，而目標(biāo)層(Sand3)的鹵水開采量為13.9Mt、13.6Mt、15.3Mt、22.0Mt，分別占鹵水總開采量的22%、23%、30%、62%，表明鹵水開采效率與泥巖隔層滲透率成反比，并且鹵水開采效率隨著開采時(shí)間的延續(xù)降低顯著(見圖5)。

然而，對(duì)于單一規(guī)模化的鹵水開采(即單純性大規(guī)模的鹵水開采)，無論泥巖隔層滲透性的強(qiáng)弱如何，單井鹵水日產(chǎn)量隨著開采時(shí)間的延續(xù)呈現(xiàn)出直線下降趨勢(shì)(見圖6)，從開采初期的500t/d降至50a后的200t/d，可見是難以實(shí)現(xiàn)鹵水持續(xù)高效開采的。

圖4　鹵水總開采量(a)和目標(biāo)層鹵水開采量(b)　　　隨時(shí)間的變化曲線Fig.4　Brine production from all formations(a) and　　　from target formation(b) varying with time

圖5　鹵水開采效率隨時(shí)間的變化曲線Fig.5　Efficiency of brine production varying with time

圖6　單井鹵水日產(chǎn)量隨時(shí)間的變化曲線Fig.6　Brine production of single well varying with time

3.2越流補(bǔ)給評(píng)估

圖7　各水文地質(zhì)單元越流補(bǔ)給所占百分比Fig.7　Percentage of leakage recharge of each　　　hydrogeological unit

由鹵水開采量和開采效率的變化曲線可知，大規(guī)模的鹵水開采使得各水文地質(zhì)單元之間發(fā)生了強(qiáng)烈的越流補(bǔ)給，其越流補(bǔ)給量與泥巖隔層的滲透性顯著相關(guān)。各水文地質(zhì)單元越流補(bǔ)給所占百分比見圖7。由圖7可見，對(duì)于大規(guī)模的鹵水開采，無論泥巖隔層滲透性的強(qiáng)弱如何，都會(huì)不同程度地發(fā)生越流補(bǔ)給，鹵水開采時(shí)間越久，來自上覆泥巖隔層與砂巖層的越流補(bǔ)給量也就越大。對(duì)于泥巖隔層滲透率為1×10-20m2的含水層系統(tǒng)，越流補(bǔ)給首先來自第三泥巖隔層(Mud3)釋水，其次來自第二砂巖層(Sand2)，開采50a后來自Mud3和Sand2的越流補(bǔ)給量分別占鹵水總開采量的18.5%、13.9%。然而對(duì)于泥巖隔層滲透率為1×10-17m2、1×10-18m2、1×10-19m2的含水層系統(tǒng)，泥巖隔層首先發(fā)生釋水補(bǔ)給，當(dāng)釋水補(bǔ)給達(dá)到平衡后則在巨大的壓力差下?lián)?dāng)起上下承壓含水層的導(dǎo)水通道。如以泥巖滲透率為1×10-17m2為例，開采50a時(shí)來自目標(biāo)開采層Sand3的水量僅占22.3%，來自上覆泥巖隔層Mud3、Mud2、Mud1的水量分別占11.1%、11.1%、11.1%，來自上覆砂巖層Sand2和Sand1的水量分別占22.2%、22.2%，各水文地質(zhì)單元的給水量達(dá)到平衡。

3.3區(qū)域壓強(qiáng)變化

單一規(guī)模化的鹵水開采使得各水文地質(zhì)單元之間發(fā)生強(qiáng)烈的越流補(bǔ)給，尤其是泥巖隔層滲透性較強(qiáng)可充當(dāng)弱透水層的含水層系統(tǒng)，各砂巖層和各泥巖層給水量相當(dāng)，這是由于大規(guī)模鹵水開采使得區(qū)域壓強(qiáng)發(fā)生大幅度下降造成的。圖8為鹵水開采50a后區(qū)域壓強(qiáng)分布圖。由圖8可見，對(duì)于泥巖隔層滲透率為1×10-17m2、1×10-18m2的含水層系統(tǒng)，垂向深度壓差變化小，區(qū)域壓強(qiáng)整體從初始的30MPa降至15MPa，降幅達(dá)15MPa；對(duì)于泥巖隔層滲透率為1×10-20m2的含水層系統(tǒng)，垂向深度壓差變化大，目標(biāo)含水層靜水壓強(qiáng)降至6MPa，降幅達(dá)24MPa，而頂部泥巖隔水層壓強(qiáng)基本無變化。因此，大規(guī)模開采地下鹵水，開采前后巨大的壓力差會(huì)破壞原有流體與周圍介質(zhì)的壓力平衡，等效于給介質(zhì)施加相當(dāng)大的應(yīng)力，引起介質(zhì)壓密、體積縮小，容易誘發(fā)地面沉降，從而引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題。

圖8　鹵水開采50 a后區(qū)域壓強(qiáng)分布圖Fig.8　Distribution of regional pressure intensity after　　　50 years’ brine production

4結(jié)論

本文以江漢盆地江陵凹陷高礦化度富鉀鹵水層為例，通過建立多級(jí)砂泥巖互層模型，采用數(shù)值模擬的方法評(píng)估了不同泥巖隔層滲透條件下的鹵水開采效率、越流風(fēng)險(xiǎn)和區(qū)域壓強(qiáng)的變化，得到如下結(jié)論：

(1) 鹵水開采效率受到泥巖隔層滲透性的顯著影響，對(duì)于單一規(guī)模化的鹵水開采，單井鹵水日產(chǎn)量隨著開采時(shí)間的延續(xù)降低迅速，難以保持鹵水的高效開采。

(2) 單一規(guī)模化的鹵水開采使得各水文地質(zhì)單元之間發(fā)生強(qiáng)烈的越流補(bǔ)給，其越流補(bǔ)給量取決于泥巖隔層滲透性的強(qiáng)弱。

(3) 無論泥巖隔層滲透性的強(qiáng)弱如何，單一規(guī)模化的鹵水開采都會(huì)使得含水層的區(qū)域壓強(qiáng)發(fā)生大幅度的降低，從而容易誘發(fā)地面沉降，引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題。

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Estimation on Production Efficiency and Leakage Risk of PureLarge-ScaleExploitationofDeepBrine

FANGQi1,LIYilian2,LYUJunwen1,CHENGPeng3

(1.School of Environmental Protection and Safety Engineering,University of South China,Hengyang 421001,China；2.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China；3.Team 217 of Hunan Nonferrous Geological Exploration Bureau,Hengyang 421001,China)

Abstract:By taking potassium-rich brine production in Jiangling depressin for instance,this paper builds up a 3D multiple aquifer system model composed of three groups of interbeded sandstone and mudstone layers and carries out numerical simulations to estimate efficiency of pure large-scale brine production and leakage risk as well as regional pressure change under different permeability conditions of mudstone interlayer.The results show that brine production efficiency is significantly influenced by the permeability of mudstone interlayer.As for the large-scale brine exploitation,it is difficult to maintain the effective brine production because the brine production of single well drops rapidly with time.Strong leakage recharge occurs between each hydrogeological unit because of large-scale brine production,and the amount of recharge strongly depends on the permeability of mudstone interlayer.Regardless of the strength of the permeability of mudstone interlayer,significant reduction in regional pressure occurs during the large-scale brine production,which tends to induce land subsidence and causes a series of environmental and geological problems.

Key words:deep brine;production efficiency;leakage risk;change of pressure intensity;pure large-scale exploitation

文章編號(hào)：1671-1556(2016)03-0113-06

收稿日期：2015-09-26修回日期：2015-11-26

基金項(xiàng)目：國土資源部公益性行業(yè)基金項(xiàng)目(201211063)；南華大學(xué)引進(jìn)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2014XQD12)

作者簡介：房琦(1985—)，女，講師，主要從事CO2地質(zhì)儲(chǔ)存與溶浸采鈾方面的研究。E-mail:frances2009@foxmail.com

中圖分類號(hào)：X936;TD74

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.019

通訊作者：李義連(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地下水污染控制與溫室氣體的地質(zhì)解決方法等方面的研究。E-mail:yl.li@cug.edu.cn