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(yè)聯(lián)合會，湖北 武漢 430022；3.湖北雙環(huán)科技股份有限公司， 湖北 應城 432407；4.中國地質(zhì)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(tài)及形成機理的研究基本處于空白狀態(tài)，對于溶腔形態(tài)的傳統(tǒng)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(tài)有很大差異。重新認識這種類型的溶腔在不同階段發(fā)育的基本形態(tài)，對于科學設計采鹵井井間距和采區(qū)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(qū)鹽礦對井連通開采采區(qū)鉆井施工中，水文工程動態(tài)記錄數(shù)據(jù)、已形成的溶腔地球物理勘探測量數(shù)據(jù)、鹽井采鹵生產(chǎn)過程中有關參數(shù)，結合實驗室進行模擬試驗的成果，將理論計算、生產(chǎn)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(tài)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(chǎn)。

2 溶腔形態(tài)分類

2.1 溶腔的形態(tài)類型

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

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(chǎn)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(nèi)人工控制溶腔形態(tài)，其溶腔形態(tài)比較規(guī)則，研究程度也比較高。

內(nèi)陸巖鹽地質(zhì)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(tài)大都不規(guī)則。這種不規(guī)則溶腔是本文研究的重點。

2.2 溶腔的形態(tài)特征

由實驗室模擬試驗及生產(chǎn)實踐所表現(xiàn)出來的不規(guī)則溶腔形態(tài)，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(guī)則向上發(fā)展的圓柱狀溶腔；二是側溶及兩井間通道水平?jīng)_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(xiàn)為近似不對稱馬鞍形。溶腔內(nèi)表呈鋸齒狀，溶腔內(nèi)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(zhì)構造的鹽礦區(qū)塊內(nèi)，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(qū)。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(nèi)鹵水的浮托力與頂板下陷變形的應力處于平衡狀態(tài)。當封閉環(huán)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)實踐驗證分析，認為影響溶腔形態(tài)的因素，既有地質(zhì)的，也有開采過程中人為的因素，表現(xiàn)為以下十個方面：一是地層構造決定溶腔的主體形態(tài)；二是礦層結構決定溶腔內(nèi)部結構形態(tài)；二是礦石類型決定溶腔發(fā)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(xiàn)差異；六是礦層結構面如節(jié)理裂隙，控制溶腔周邊的溶解通道的發(fā)育程度；七是對井注水方式?jīng)Q定溶腔的對稱性；八是注水時間長短決定溶腔的大??；九是鹽井固井質(zhì)量決定了溶腔上竄的形態(tài)；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(tài)。

4 溶腔發(fā)育的階段

溶腔的形態(tài)特征存在著很大的差異，但同時又表現(xiàn)出了一定的規(guī)律性，它為我們進行溶腔形態(tài)特征的研究分析提供了可靠的依據(jù)。水力壓裂水溶采鹵工藝，根據(jù)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(zhì)上就是溶腔的產(chǎn)生與孕育、拓展、形成及發(fā)展的全過程，在不同的階段，其溶腔發(fā)育的形態(tài)特征是不同的。

4.1 溶腔的產(chǎn)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(qū)鹽礦在壓裂連通作業(yè)中，破裂壓力梯度多數(shù)在2.4～3.6MPa/100m。裂隙擴展直到連通時的穩(wěn)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(chǎn)生一組放射狀裂隙。這組放射狀裂隙的出現(xiàn)，就標志著微溶腔的產(chǎn)生。它產(chǎn)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(fā)展的大致方向，其裂隙的產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(fā)育的形態(tài)特征要比產(chǎn)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(qū)，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(fā)育的速度大于水平方向的發(fā)育速度,而水平方向的發(fā)育速度大于向下發(fā)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(chǎn)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(guī)律使其斷面不斷增大。液體在初～中期是紊流狀態(tài)，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(fā)育十分緩慢。而且當堆積物不斷增厚或者出現(xiàn)大規(guī)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(fā)育呈減速趨勢，直至完全停止向下發(fā)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(chǎn)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(fā)生著水力聯(lián)系。而正是這些不同的水力聯(lián)系方式，決定著今后溶腔進一步發(fā)展的方向。

4.4 溶腔的發(fā)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(fā)展速度是比較穩(wěn)定的,在較短的時間內(nèi)不會有明顯的變化,只是不同方向的發(fā)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(fā)生變形以至產(chǎn)生斷裂， 在溶腔上部產(chǎn)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(xù)溶解，且溶腔跨度越大， 溶腔發(fā)育高度就越大。 因此，溶腔向上發(fā)育呈加速進行,而且不斷地在上部礦層中產(chǎn)生新的溶穴,以致在縱剖面上出現(xiàn)溶穴群。實際巖鹽開采中的儲量，也并非我們?nèi)藶閯澏ǖ哪硞€開采層的鹽量，而是巖鹽上溶時，將很多的非工業(yè)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(guī)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(wěn)形式及檢測方法

5.1 溶腔的失穩(wěn)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(jīng)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(qū)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(tài)時，這種支托力是穩(wěn)定溶腔頂板的有利因素；同時，鹽礦又是可溶性的物質(zhì)，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(tǒng)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(wěn)定，漸漸向地表發(fā)展，直至使地面產(chǎn)生形變，就會發(fā)生地質(zhì)災害事故，對地面農(nóng)田、建(構)筑物及環(huán)境帶來破壞。由此可見，影響溶腔穩(wěn)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(wěn)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(qū)發(fā)生地面沉降以來，鹽礦地質(zhì)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(jīng)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(jīng)濟、實用標準來衡量，均有各自的特點和局限。根據(jù)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(chǎn)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(wěn)定性、耐壓性、密封性和規(guī)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(tài)；二是地質(zhì)條件，以鹽層厚度大、鹽層連續(xù)穩(wěn)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(zhì)環(huán)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(zhì)勘查規(guī)程, 2008.

[2] 湖北省國土資源廳. 湖北省鹽礦水溶開采設計規(guī)程, 2008 .

[3] 湖北省國土資源廳. 湖北省鹽礦水溶開采生產(chǎn)技術管理規(guī)程, 2008.