江漢潛江構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)

我國巖鹽開采技術主要以水溶采礦法為主，即根據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，在礦床賦存地進行物理化學作用，將礦床中的鹽類礦物就地溶解，轉變成流動狀態的鹵水后壓出地面，從而進行鹽化工產品的加工制造[1]。水溶采礦法主要有單井對流法、油墊法、壓裂連通法、人工定向水平對接井開采法、硐室水溶法、爆破法等技術，其中水平對接井技術是一種通過水平井連通垂直井，形成溶解循環通道的方法[2]。與其他方法比較，水平對接井技術具有采出鹵水濃度高、產量高、鹵井服務年限長、井下事故少、采鹵成本低、綜合效益好等特點。水平對接井技術在國內得到了廣泛的應用，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進行開采，從發展趨勢看，該技術將成為今后巖鹽開采的主要技術發展方向[3]。

1 地質特征

江漢盆地潛江構造為北東73°傾斜的單斜構造，地層走向NWSE163°，傾向NE73°，傾角平緩(8°～12°)。潛江構造潛二段鹽礦層25個，埋深1000～1450 m，礦石品位穩定，考慮礦區的安全生產，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為潛江構造潛二段巖鹽開采層參數。

表1 潛江構造潛二段巖鹽開采層參數

從表1可以看出，潛二段8個開采層中僅有第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%，水不溶物質量分數分別為9.54%、3.41%，NaCl質量分數分別為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，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，以單位面積和單位時間內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，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，古鹽湖水體經歷了由淡化—咸化—淡化發展的全過程[6]。潛江構造潛二段是鹽湖水體濃縮的極盛時期，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。在室內條件下，通過粉碎和充分溶解后，可知潛江構造潛二段巖鹽開采層難溶物質質量分數一般為3.41%～9.54%，平均為5.79%，可溶物質量分數則占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]開展了多個等厚度的鹽片和不溶物夾層疊置溶蝕實驗，結果表明：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。巖鹽的溶解速度隨著礦石中NaCl含量的增加而增大。這是因為較純的巖鹽(礦石品位≥95%)與溶劑接觸的溶蝕表面相對較大，因此，一定時間內會有更多的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，不溶物含量過高導致最終溶腔內殘渣體積遠大于品位較高均質巖鹽層的殘渣體積, 溶劑接觸礦物的溶蝕表面相對較小，致使溶解速度減慢，溶解周期變長。潛江構造潛二段巖鹽開采層中NaCl的質量分數一般為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。

2.3 溶解面積

在巖鹽開采過程中，出鹵濃度高時，溶解速度低，會導致出鹵濃度降低，最終導致開采效率下降。因此需要優化巖鹽與溶解到溶液中的巖鹽量，使之處于相對平衡的狀態，以保證鹽礦既能長時間連續作業，又能達到較高的出鹵量。Durie R W和Jessen F W[8]對鹽水溶過程中表面特征影響進行了研究，實驗結果表明：在水溶過程中，由于巖石組成的非均質性導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，隨著溶解面面積逐漸增加，溶解速率逐漸趨于穩定，溶解速率基本一致。這說明面積對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，而是趨于一個穩定值[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，應盡力擴大巖鹽的溶解面積，加速鹽溶液的溶解，提高生產效率。

表2 不同溶解面積下巖鹽的溶解速率

3 水平段長優化

井組連通水溶開采法是以兩井或多井為一個開采單元，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：井底距過大，控制的可采礦量多，服務年限較長，投資省，缺點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，難以充分發揮井組的生產潛力，在鹵井達到壽命報廢時，仍無法有效溶出巖鹽而造成資源浪費，甚至會導致溶腔因跨度大而失穩造成頂板垮塌；井底距過小，井間巖鹽很快被采空，淡水接觸巖鹽表面小，淡水溶解巖鹽時間短，使鹵井難以長時間產出高濃度鹵水[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，但是，對厚度、品位變化不大的同一個開采層，則主要根據井組控制儲量與井組服務年限匹配性來優化水平段長。

3.1 井組控制儲量

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更大，可以達到50 m以上。潛江構造潛二段第22韻律巖鹽視厚度為11.4 m，礦石體積質量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，井組控制儲量以對井外擴100 m的規則矩形計算：

Q=(L+100)×100×h×d×C

式中：Q為井組控制儲量，t；L為對井井距，m；h為鹽層厚度，m；d為礦石體積質量，t/m3；C為石鹽品位。

當水平段長分別為100，150，200，250，300 m時，單一井組控制NaCl儲量分別為42.21，52.76，63.31，73.86，84.42萬t，單井組控制可采儲量按單井組控制儲量的80%計算時，單井組控制NaCl可采儲量分別為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量、可采儲量及面積關系 圖2 水平段長與可采儲量、最大服務年限關系

表3 不同水平段長開采層單一井組儲量

3.2 井組服務年限

實驗和實際生產表明，礦區出鹵質量濃度的安全值為300～305 g/L。300 g/L以下為低咸區，咸量太低影響效益生產與成本；305 g/L 以上為危險區，易引起鹽結晶堵管而發生鹵井故障。按照年產能15萬t鹵水，NaCl質量濃度300 g/L計算，當水平段長分別為100，150，200，250，300 m時，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量與最大服務年限

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

4 井位布置

根據鹽礦水溶開采長期生產實踐經驗，再結合巖鹽厚度、巖鹽品位、水平段長等技術參數要求，確定水平對接井的布井原則。巖鹽鹵水存在比重分異特性，即在同一溶腔內，存在自下而上鹵水濃度由濃逐漸變淡的現象，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，保障產出鹵水質量(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，確保產鹵質量更高。

5 結論

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

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

(3)對潛江構造潛二段第22韻律巖鹽層，從井組控制儲量與井組服務年限匹配性進行優化，選取水平段長110～220 m。