天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝設(shè)計(jì)

劉汪威， 劉海翔， 涂運(yùn)中， 張新剛， 胡漢月

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

1 概述

目前，天然堿礦普遍采用水溶采礦法進(jìn)行開采，該方法利用天然堿礦床易溶于水的特點(diǎn)，通過鉆井或井巷注入淡水，溶解地下礦床中的有益組分，成為溶液返出地面，通過管道輸送到工廠進(jìn)行加工[1]。相較于傳統(tǒng)巷道鑿井法，利用該方法可開采埋藏較深、厚度較薄或品位較低的礦床，投資少，見效快，設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)費(fèi)用和能耗低，勞動(dòng)條件好，環(huán)境污染小。

土耳其卡贊天然堿礦礦體埋深600～700 m，自上至下分布Bed10～Bed1共10個(gè)主要礦層，每層厚度0.5～20 m不等，其中厚度最大的堿層為Bed3，厚度為10～25 m。目前該礦區(qū)采用鉆井水溶采礦法開采，以單井吞吐法為主、壓裂溶通為輔的方式進(jìn)行生產(chǎn)。該礦已有井組的井距為400～500 m，組距為300～400 m，排距300～500 m，目的層以Bed3為主。鉆井建成后經(jīng)過2年的單井吞吐助溶進(jìn)行壓裂連通，形成對(duì)井以提高回采率。

2 存在的問題

該堿礦在生產(chǎn)實(shí)踐中形成了一套單井水力壓裂擴(kuò)溶、單井吞吐法生產(chǎn)的開采工藝，解決了生產(chǎn)需要，但同時(shí)也累積了一些生產(chǎn)上的問題和隱患，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 對(duì)井壓裂連通成功率低，資源回采率低

在礦山開采設(shè)計(jì)時(shí)盡管對(duì)地應(yīng)力、壓裂通道方向進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)時(shí)按照最易形成縫隙的主應(yīng)力方向布置對(duì)井，但在壓裂實(shí)踐中幾乎沒有對(duì)井是按照設(shè)計(jì)的連通井實(shí)現(xiàn)井組連通的，所形成的連通大多是非預(yù)期性的連通，壓裂連通成功率在20%左右。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，壓裂形成的裂縫以垂直方向?yàn)橹?。這種連通造成了在開采設(shè)計(jì)上的混亂和地下溶腔的不可控，最終導(dǎo)致資源回采率低，礦山服務(wù)年限短。

2.2 高壓注水對(duì)鉆井施工造成風(fēng)險(xiǎn)

壓裂連通前期需注入大量的高壓水并使之?dāng)U散，以達(dá)到對(duì)井滲透流呈面狀相通的目的。這些水呈高壓狀態(tài)緩慢滲透并儲(chǔ)存于地層或礦層中，在鉆井建設(shè)時(shí)，一旦鉆孔與儲(chǔ)存于礦層中的高壓水串通，便會(huì)造成井噴或埋鉆事故。由于礦層埋藏深，在建井完成后生產(chǎn)壓力高，單井吞吐法周期性注水-返鹵、少部分形成高壓通道的井組持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)地層、礦層和鉆井水泥環(huán)都有很大的破壞作用，嚴(yán)重時(shí)高壓水沿破壞后的水泥環(huán)串至地表，可造成環(huán)境災(zāi)難和鉆井的報(bào)廢。

2.3 高壓運(yùn)行增加了風(fēng)險(xiǎn)，提高了運(yùn)維成本

采用壓裂連通法和單井吞吐法開采，生產(chǎn)運(yùn)行壓力高，對(duì)地面管網(wǎng)和鉆井套管質(zhì)量都有較高的耐壓要求，目前礦區(qū)出現(xiàn)的問題井絕大多數(shù)是生產(chǎn)套管穿孔造成生產(chǎn)套管漏失，問題井出現(xiàn)的原因與長(zhǎng)時(shí)間的高壓運(yùn)行有關(guān)。由于生產(chǎn)注井的壓力高，與之相配套的地面裝置與管網(wǎng)承壓級(jí)別也相應(yīng)提高，這樣除了增加生產(chǎn)和維護(hù)成本外，也增加了人員操作的安全隱患。

3 采礦方法選擇

針對(duì)該天然堿礦目前開采過程中存在的這些問題，為降低采礦成本，有效提高資源回采率，結(jié)合其地質(zhì)特征，提出了一種綜合鉆井水溶開采工藝方法，它主要包含幾下幾種開采方式[2-4]。

3.1 水平對(duì)接井溶采

在礦層原生態(tài)保持較好、礦層厚度和品位滿足條件的地區(qū)，優(yōu)先采用水平對(duì)接井。合理利用現(xiàn)有的垂直井，有選擇地使新開的水平井與老井連通。以水平井連通后形成的通道來溶采主要礦層(首采層)。后期亦可采用水平井壓裂方式使主采礦通道與上下相鄰礦層相通，繼續(xù)開采其它礦層。

3.2 對(duì)井壓裂溶采

充分利用壓裂井的優(yōu)點(diǎn)，在一條水平井組軸線的一側(cè)或兩條水平井組軸線之間布置一排壓裂垂直井，對(duì)其進(jìn)行壓裂處理，讓裂隙沿主應(yīng)力方位發(fā)展，最終分別與一側(cè)或兩側(cè)的水平井通道連通，形成與水平井通道基本正交的采礦通道。

3.3 分支井開采部分上行礦層

在水平井及壓裂井通道將首采層開采完畢后，視其上部礦層分布深度、礦層厚度及品位情況，在滿足條件(礦層厚度、品位和水平段長(zhǎng)度等)時(shí)，以水平井分支井形成的通道來溶采上行其它礦層。

3.4 單井吞吐法溶采

以垂直井或水平井的上部井筒作為采礦通道，以射孔方法暴露上部礦層，以單井吞吐法開采上部礦層。在礦區(qū)邊緣和含有大量斷層或構(gòu)造等不適合布置水平井的區(qū)域采用單井吞吐法開采工藝。

表1對(duì)單井吞吐法、對(duì)井壓裂溶采法和水平對(duì)接井溶采法的主要指標(biāo)進(jìn)行了比較，從中可以看出這3種采礦方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們的適用范圍也各有差別。

表1 3種溶采方法的主要指標(biāo)比較

4 布井參數(shù)確定

在確定相關(guān)布井參數(shù)之前，需要收集和整理相關(guān)的礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立三維地質(zhì)模型，繪制礦層等高線圖、等厚線圖、剖面圖等相關(guān)地質(zhì)圖件[5]。

4.1 首采礦層確定

根據(jù)礦床勘探結(jié)果及儲(chǔ)量評(píng)價(jià)結(jié)果，選擇首采礦層為Bed3礦層，理由如下：

(1)自下而上地選擇首采層。根據(jù)鉆井水溶開采原理，首采層應(yīng)選擇自下至上開采的順序，Bed3礦層之下的Bed1和Bed2礦層的礦體分布面積小，其中Bed2礦層含鹽高，不具備現(xiàn)階段工業(yè)開采價(jià)值。

(2)首選Bed3礦層。Bed3礦層是礦區(qū)主礦層之一，分布較穩(wěn)定，厚度較大。原則上只要在Bed3礦層0.5 m等厚線邊界范圍內(nèi)，避開已有的采空區(qū)，就可作為首采區(qū)；在礦厚>1.0 m時(shí)則可布置水平井采礦通道。

(3)次選Bed4礦層。Bed4礦層為礦區(qū)的主礦層之一，其分布范圍最大，礦層穩(wěn)定，厚度較大，符合首采層選擇原則。

4.2 上部礦層開采方法確定

布井以首采礦層開采為主，兼以壓裂通道開采次采層，并在礦層分布位置和特性參數(shù)滿足條件時(shí)利用分支井開采上部礦層。由于該礦區(qū)主要工業(yè)礦層相互之間的夾層厚度較大，為減少上層礦的開采成本，必須采用多種方法綜合開采首采層和次采層以上的礦層。

(1)對(duì)現(xiàn)有垂直單井采用射孔方法暴露其上部仍未暴露的其它礦層，實(shí)施繼續(xù)開采。

(2)對(duì)新設(shè)計(jì)的垂直井和水平井，在開采完首采礦層和次采層后，對(duì)其上部礦厚>1.0 m的礦層，采用水平分支井來建立開采通道實(shí)施繼續(xù)開采。

(3)對(duì)新設(shè)計(jì)的垂直井和水平井，在開采完首采礦層和次采層后，對(duì)其上部礦厚>0.5 m的礦層，采用射孔方法暴露上部礦層實(shí)施單井吞吐開采。

4.3 水平段采礦通道長(zhǎng)度確定

首采層的埋藏深度在700 m左右，深度較大，水平井的采礦通道長(zhǎng)度應(yīng)在鉆機(jī)能力的范圍內(nèi)盡可能增大。然而，過大的水平段采礦通道長(zhǎng)度同時(shí)也會(huì)帶來負(fù)面影響：

(1)由于單層礦體平均厚度大多在3 m以下，要控制水平段鉆進(jìn)保持在礦體內(nèi)，在技術(shù)上增加了很大的難度。如果水平段長(zhǎng)度超過300 m，隨鉆測(cè)量?jī)x器的累計(jì)誤差較大，極易穿過礦層的頂、底板，引起塌孔事故，或?qū)е麻_采時(shí)通道內(nèi)固體巖渣過多，堵塞采礦通道。

(2)根據(jù)相關(guān)溶采經(jīng)驗(yàn)和研究表明，天然堿礦水平段采礦通道經(jīng)過一定時(shí)間水溶開采后呈現(xiàn)出“棒骨”狀(如圖1所示)。由于堿層厚度和品位等因素不同，以及工廠注入溶液的壓力、溫度和流速等情況不同，垂直井溶腔最大發(fā)展半徑為35～70 m，水平通道的溶腔寬度隨著鹵水流速、溫度的衰減而變窄。因此，過長(zhǎng)的水平段采礦通道會(huì)導(dǎo)致通道中部堿礦開采寬度過低，反而降低礦山回采率。

圖1 水平段采礦通道發(fā)展示意圖

(3)由于大部分水平井井深在1000 m以深，采用常規(guī)的轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)在后期水平段鉆進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)加壓困難，造成鉆進(jìn)進(jìn)尺極慢，容易引起鉆進(jìn)事故；而采用2000 m以上的動(dòng)力頭式鉆機(jī)則投入設(shè)備過于昂貴，易引起鉆井成本上升。

綜合上述因素的影響，為降低鉆井成本，宜使用1500 m轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)施工，將水平段采礦通道的長(zhǎng)度確定為約300 m。

4.4 水平井井組組距確定

(1)由于采用了鉆進(jìn)連通和壓裂連通的綜合采礦方法，因此布井需滿足兩種通道的合理分配。

(2)水平井井組是沿著軸線布置的，相鄰兩條軸線之間的距離即為水平井井組組距。該組距過大時(shí)，壓裂作業(yè)不易使垂直壓裂井與水平井通道連通；該組距過小時(shí)，壓裂作業(yè)較容易使垂直壓裂井與水平井通道連通，但壓裂井產(chǎn)生的裂隙通道過短，影響產(chǎn)鹵效率。

(3)設(shè)計(jì)選擇水平井井組組距為600 m，使垂直壓裂井位于其中點(diǎn)上，這樣，垂直壓裂井距離兩側(cè)的水平通道均為300 m。根據(jù)可溶性礦產(chǎn)既往的壓裂作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)距離在主應(yīng)力方向上可以獲得比較滿意的連通率。而且，當(dāng)被連通的對(duì)象由單井改為一個(gè)水平通道時(shí)，理論上，其連通率會(huì)得到一定程度的提升。

5 井組類型

本開采工藝方法共包含6種不同類型的井[6-8]，分別敘述如下。

5.1 垂直單井

垂直單井僅指一口單純的垂直井，與其它井組既無壓裂連通，又無鉆進(jìn)連通，僅用于在礦區(qū)邊緣和含有大量斷層或構(gòu)造等不易布置其它井組的區(qū)域，采用單井吞吐開采。

5.2 垂直壓裂井

垂直壓裂井本身是一口垂直井，不同之處在于它位于兩個(gè)水平井井組軸線之間，以壓裂方式完井，最終，這種垂直壓裂井將以裂隙的方式在Bed3和Bed4礦層中與其兩側(cè)的水平通道相連通(如圖2所示)。

圖2 垂直壓裂井示意圖

5.3 垂直靶井

垂直靶井本身是一口垂直井，不同之處在于它位于某個(gè)水平井井組之中，依靠某口水平井將其與另一口垂直井鉆進(jìn)連通，它不需要進(jìn)行壓裂作業(yè)(如圖3所示)。

圖3 同一軸線上的井組示意圖

5.4 水平單井

水平單井僅指一口單純的水平井，用于連通兩口垂直井，在實(shí)現(xiàn)連通后不再用于施工垂直井，位于水平井井組軸線的起始位置(如圖3所示)。

5.5 水平復(fù)合井

水平復(fù)合井為水平井與垂直井的復(fù)合井，兼?zhèn)淞怂骄痛怪本畠煞N功能，可節(jié)省建井費(fèi)用。首先將其施工為水平井，將兩口垂直井連通，然后將其施工成垂直井，形成一口開采井，作為下一個(gè)水平井組之中的一口目標(biāo)靶井(如圖3所示)。

5.6 水平分支井

水平分支井是以Bed3或Bed4礦層作為首采層的水平井井組在開采完主礦層以后，在其上方的礦層中采用分支井進(jìn)行溶采的水平井(如圖4所示)。

圖4 水平分支井示意圖

綜合起來，在本次布井中的垂直井和水平井各有3類，表2顯示了這6類井的命名方式和基本特征。

表2 布井類型

6 鉆井施工工藝設(shè)計(jì)

以水平復(fù)合井為例，其井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大致施工程序[9-14]如下：

(1)一開鉆進(jìn)采用?445 mm鉆頭鉆至井深約20 m，下入?339.70 mm表層套管并用油井水泥固井，對(duì)表土層進(jìn)行封閉；一開固井水泥養(yǎng)護(hù)48 h。

(2)二開鉆進(jìn)采用?311 mm鉆頭鉆至井深350～450 m(比深部含水層低10～20 m，以保固井井段和固井質(zhì)量)，進(jìn)行錄井、測(cè)斜作業(yè)；下入?244.50 mm技術(shù)套管并用油井水泥固井，對(duì)上部含水層進(jìn)行封閉；二開固井水泥養(yǎng)護(hù)72 h；下鉆掃水泥塞后進(jìn)行固井質(zhì)量測(cè)量。

(3)三開鉆進(jìn)采用?120 mm螺桿馬達(dá)和?216 mm鉆頭鉆進(jìn)至首采層落平點(diǎn)位置，控制落平時(shí)鉆進(jìn)頂角在86°～94°；采用隨鉆測(cè)井技術(shù)確定落平點(diǎn)位置即為首采層；鉆進(jìn)與第一靶井連通；關(guān)閉第一靶點(diǎn)的垂直井井口裝置，避免泥漿循環(huán)對(duì)后續(xù)水平段鉆進(jìn)形成干擾；繼續(xù)采用?120 mm螺桿馬達(dá)和?216 mm鉆頭沿首采層鉆進(jìn)，采用LWD隨鉆測(cè)量技術(shù)控制鉆進(jìn)軌跡不出礦層；在鉆進(jìn)至離垂直靶井約70 m時(shí)，采用“慧磁”鉆進(jìn)中靶導(dǎo)向系統(tǒng)[15-16]引導(dǎo)鉆進(jìn)，準(zhǔn)確與垂直靶井連通。

在水平井段兩端的井分別建立循環(huán)管網(wǎng)，注水循環(huán)3～5 d，使已形成的通道得到進(jìn)一步發(fā)育。

(4)四開鉆進(jìn)采用?120 mm螺桿馬達(dá)和?216 mm鉆頭在原造斜點(diǎn)實(shí)施反向造斜，鉆進(jìn)約20 m分出新孔；提鉆卸下螺桿馬達(dá)，采用?216 mm鉆頭轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)至礦層以上20 m處，提鉆換鉆具開始取心鉆進(jìn)，直至礦層底板以下10 m處終止；采用?216 mm鉆頭擴(kuò)孔至孔底，下入?139.7 mm生產(chǎn)套管并用油井水泥固井，形成采礦通道；四開固井水泥養(yǎng)護(hù)72 h；下鉆掃水泥塞后進(jìn)行固井質(zhì)量測(cè)量；安裝井樹和建槽管網(wǎng)，進(jìn)行孔底建槽2～3周。

7 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

鉆井在施工完成后，需進(jìn)行地面管線的安裝，將其加入到整個(gè)工廠管網(wǎng)中。在生產(chǎn)過程中，每日需對(duì)每個(gè)井組的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行記錄，如注井溶劑溫度、濃度、流速、壓力等。在返出鹵水濃度提高到工廠生產(chǎn)要求后，送入工廠加工成純堿產(chǎn)品?，F(xiàn)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)記錄的相關(guān)參數(shù)，在注井溫度65 ℃、注井流速15 m3/h、注井濃度2%等相同條件下，將采用3種不同溶采方法為代表的井組在運(yùn)行一個(gè)月后的情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 不同溶采方法效果對(duì)比

從表3可以看出，采用水平對(duì)接井溶采法的P039井組，雖然建井周期較長(zhǎng)，施工成本較高，但因其返出鹵水濃度能在極短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到工廠生產(chǎn)要求，與其它兩種方法相比，純堿月產(chǎn)量分別提高440%和66%，增產(chǎn)效果非常顯著。同時(shí)，具有較低的注井壓力，可以有效保護(hù)礦層不受破壞，保持溶采通道暢通，保證井組具有較長(zhǎng)的使用壽命。

8 結(jié)論與建議

通過以土耳其卡贊天然堿礦為例，初步闡述了一種天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝方法，其特點(diǎn)如下：

(1)相較于傳統(tǒng)巷道鑿井法，可開采埋藏較深、厚度較薄或品位較低的礦床，投資少，見效快，設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)費(fèi)用和能耗低，勞動(dòng)條件好，環(huán)境污染小。

(2)結(jié)合了水平對(duì)接井溶采、對(duì)井壓裂溶采、分支井開采部分上行礦層、單井吞吐法溶采等多種水溶開采形式，針對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，及礦山開采情況和地質(zhì)條件，可合理靈活運(yùn)用。

(3)合理采用首采礦層、開采順序、通道長(zhǎng)度、井組組距等布井參數(shù)，不僅可以在現(xiàn)有條件下提高礦山利用率，也可降低施工風(fēng)險(xiǎn)和成本。

(4)提出了垂直單井、垂直壓裂井、垂直靶井、水平單井、水平復(fù)合井、水平分支井等井組類型，根據(jù)各自特征和地質(zhì)條件，可充分布置于整個(gè)礦區(qū)，大大提高了礦山回采率。

(5)由于原來單一的壓裂連通，導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)行壓力高。通過綜合采用不同的溶采形式和井組類型，大大降低了壓裂井占比，從而降低了整個(gè)地面管網(wǎng)運(yùn)行壓力。

(6)水平復(fù)合井和水平分支井實(shí)現(xiàn)了一井多用途的功能，不僅大大降低成本、縮短工期，而且實(shí)現(xiàn)了礦山立體開采。

(7)水平對(duì)接井溶采法，雖建井周期較長(zhǎng)，施工成本較高，但其返出鹵水濃度能在極短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到工廠生產(chǎn)要求，增產(chǎn)效果非常顯著，且具有較低的注井壓力，可以有效保護(hù)礦層不受破壞，保持溶采通道暢通，保證井組具有較長(zhǎng)的使用壽命。