天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝設計

李 林

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

天然堿礦在開采過程中往往采用的是水溶采礦方式，該種方式主要是對應用天然堿礦床自身所具備的易溶于水特點的有效應用，利用井巷方式或者鉆井方式實現注入，這樣可以溶解礦床中的有益成分，產生的溶液會直接返出到地面上。針對這一情況，可以直接通過管道輸送，將溶液輸入到工廠中。與傳統采取的巷道鑿井法相比而言，水溶采礦方式能夠實現埋藏較深、厚度較薄的礦床開采，而且不需要大量投資，效果較好，使用的設備與工藝技術較為簡單，將環境污染問題控制在有效范圍內。

1 天然堿礦開采存在問題分析

1.1 天然堿礦

某天然堿礦礦體的埋藏深度是在600 m到700 m之間，采取的是自上而下開采方式，主要分布的是Bed10—Bed1主要礦層，每一層的厚度在0.5 m到20 m之間。厚度最大的堿層在10～25 m之間，是Bed3。該礦區在開采中，主要采取的是鉆井水溶開采方式。已有井組井距在400 m到500 m之間，而組距與排距分別是300～400 m、300～500 m，目的層主要以Bed3為核心。在完成鉆井建設工作后兩年內的單井吞吐助溶需要實現壓裂連通，這樣才能提升回采率。

1.2 存在問題分析

從該天然堿礦的實際生產實踐中可以了解到，已經擁有一套相對完善的開采工藝，比如，單井水利壓裂擴容工藝、單井吞吐工藝等，而且生產中出現的很多問題得到解決。但同時也積累很多不同問題與隱患，本文主要從以下幾點進行闡述與分析：

1)對井壓裂連通失敗率較高，而且在資源回采中無法達到更好效果。通常情況下，在礦山開采設計期間，工作人員需要對應力情況、壓裂通道方向情況進行分析，并做好布置工作。在實際壓裂實踐期間，對井之間的井組連通，沒有結合設計連通井展開。這使得形成的連通往往是非預期性連通，此類連通的壓裂成功率較低。通過相關研究分析了解到， 壓裂形成的裂縫往往是垂直方向裂縫。此類連通會對開采設計工作造成很大影響，無法實現對地下融腔的有效控制，這也是資源回采率低的一個重要原因。

2)高壓注水過程中可能會引發鉆井施工風險。在壓裂連通前期階段中，要進行大量高壓水的注入，這樣才能實現對井滲透流呈現面狀相通效果。水在高壓狀態下不僅會緩慢滲透到地層、礦層中，而且在地層與礦層中可以實現有效存儲[1]。在鉆井建設工作期間，鉆孔與存儲在礦層中如果出現高壓水串通，那么會引發安全事故的出現，比如，井噴事故、埋鉆事故，對工作人員的人身安全產生威脅。因為礦層的埋藏深度較深，在完成建井工作后，生產壓力會逐漸提升，單井吞吐法方式，持續時間較長，會對地層、礦層以及鉆井水泥環等產生破壞。嚴重情況下會出現環境災難，影響社會更好發展。

3)高壓運行背景下風險會逐漸提升，而且運維成本也會增加。如果使用壓裂連通方式，或者單井吞吐方式，在實際生產運行期間會產生很大壓力，為實現工作的順利進行，要保證地面管網質量、鉆井套管質量能夠符合標準規定。在當前礦區工作中出現的不同問題，通常是由生產套管穿孔造成的。在生產注井壓力較高背景下，與之配套的地面裝置，以及管網承壓級別也需要隨之提升。這樣不僅會增加生產成本與維護成本，而且工作人員在具體操作中會存在一定安全隱患問題。

2 采礦方法選擇分析

針對該天然堿礦開采工作出現的各類問題，需要相關工作人員能夠有正確認識。為防止資金浪費情況出現，同時提高資源回采率。要根據地質特征實際情況，采取以下幾種開采方式：

1)水平對接井溶采方式。如果礦層原生態保持較好，品位以及礦層厚度都可以滿足地區要求，那么可以采用水平對接井溶開采方式。合理利用當前現有垂直井，實現新水平井與老水平井之間相互連通[2]。水平井在相互連通后會形成通道，在此基礎上，開展主要礦層溶采工作。在后期階段中如果想要實現主采礦通道與上下相鄰礦層之間的相互連通，推動后續其他礦層開采工作的順利進行，工作人員可以采取水平井壓裂方式。

2)對井壓裂溶采方式分析。對于壓裂井的優勢工作人員不僅要有明確認識，還要將其優勢發揮出來，在一條水平井組軸線一側要進行壓裂垂直井的合理布置，或者將壓裂垂直井布置在兩條水平井組軸線之間，并做好壓裂處理工作。這樣裂隙可以沿著主應力方向延伸，與一側水平井通道，以及兩側水平井通道相互連接。在此背景下形成的水平井通道，可以為后續采礦工作的落實打下良好基礎。

3)分支井開采部分上行礦層分析。在完成水平井開采工作，與壓裂井通道完成開采工作之后，工作人員要分析并了解上部礦層深度具體情況、礦層厚度以及品位情況等，在保證可以將礦層厚度、品位等各方面需求滿足基礎上，合理使用水平井分支井構建通道，并做好上行其他礦層溶采工作。

4)單井吞吐法。在采礦主要通道明確中，可以通過垂直井上部井筒，以及水平井上部井筒實現，還可以通過射孔方式，實現對上部礦層的暴露，在上部礦層開采工作落實期間，工作人員要合理利用單井吞吐法方式。還可以將單井吞吐法開采方式，應用在礦區邊緣位置等。

3 布井參數明確

在對布井參數作出明確之前，需要工作人員能夠做好礦山地質數據收集工作與整理工作，并創建三維地質模型，繪制剖面圖、高線圖等，為后續工作的開展打下良好基礎。在具體布井參數的明確中，要做好以下幾點工作：

3.1 明確首采礦層

通過對礦床勘探結果以及儲量評價結果分析可以了解到，Bed3為首采礦層，主要是因為：

1)結合鉆井水溶開采原理可以明確，首采層必須要采用自上而下的開采順序，而Bed3礦層下的Bed1礦層與Bed2礦層，礦體分布面積相對較小[3]。在Bed2礦層中含鹽量較高，不具備開采價值。

2)礦區的主礦層之一為Bed3，不僅分布穩定，而且厚度較大。一般情況下來說，在Bed3礦層0.5 m等厚線邊界范圍內，將已有采空區避開，就可以將其作為首采區。如果礦層厚度已經超過1.0 m，那么需要進行水平井采礦通道布置。

3)次選Bed4礦層，主要是因為Bed4也是主礦層之一，分布較為廣泛，而且礦層相對穩定，厚度較大，符合首采層條件。

3.2 明確上部礦層開采方式

在布井過程中，可以將首采礦層作為核心與關鍵，同時壓裂通道開采屬于次采層，在具體開采中，要保證礦層分布位置、特性參數能夠滿足相應需求。該礦區工業礦層之間夾層厚度較厚，為節約更多上部礦層開采升本，可以采用綜合辦法對上部礦層進行開采[4]。比如，對于當前垂直單井在暴露中，可以采取射孔方式，實現開采工作的順利進行；對于新設計的水平井以及垂直井，需要在完成首采風與次采層開采工作后，針對厚度超過1.0 m的上部礦層，可以使用水平分支井建設開采通道，這樣才能高質量完成開采工作。

4 綜合鉆井水溶開采工藝設計

在天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝設計中，以水平復合井為例，具體井身結構設計與施工流程如下：

1)在一開鉆進過程中，使用φ445鉆頭進行鉆進，鉆進深度大約為20 m，并將φ339.70表層套管下入到其中，還要使用油井水泥實現固井，對表層土進行封閉。在一開固井水泥養護中，養護時間要達到8 h；

2)二開鉆進期間，可以使用φ311鉆頭開展鉆井工作，鉆進深度大約在350 m到450 m之間，需要注意的是相較于深部含水層要低10 m到20 m的距離，這樣可以保證固井井段質量。與此同時，開展錄井工作與測斜作業[5]。將φ244.50技術套管下入其中，主要目的是實現油井水泥固井。

3)三開鉆進工作開展中，要發揮出φ120螺桿馬達、φ216鉆頭優勢，在鉆進中可以直接鉆至首采層落平點，要注意做好落平時鉆進頂角控制工作，一般將其控制在86°到94°之間即可。在對落平點位置的確定中，需要工作人員能夠對隨鉆測井技術進行合理應用，最終確定的位置就是首采層。在鉆進期間要與第一靶井相互連通，并關閉第一靶點垂直井井口裝置，避免泥漿循環影響水平段鉆進工作的落實。繼續使用設備沿著首采層開展鉆井工作。在水平井段兩端井位置，要創建循環管網，向其中持續注水3天到5天，這樣通道可以實現發育。

4)四開井鉆進期間，工作人員要將φ120螺桿馬達、φ216鉆頭的作用發揮出來，在原造斜點進行反向造斜，鉆出大約20 m新孔[6]。提鉆將螺桿馬達卸下，并使用φ216鉆頭轉盤，鉆進到礦層以上大約20 m處位置。此時還要提鉆進行鉆具更換，繼續進行鉆進工作，直至鉆進到礦層底板10 m處位置為止。使用φ216鉆頭擴孔到孔底位置，并將139.7 mm生產套管下入到其中，使用油井水泥固井，這樣可以形成采礦通道。要保證水泥養護時間達到72 h。

5 結 語

綜上所述，天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝設計，是天然堿礦開采中的一項重點工作。在這一過程中，工作人員對開采工藝設計工作要加強重視程度，保證采取的開采方式，能夠符合天然堿礦實際情況，從而達到良好開采效果。