天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝設(shè)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(yīng)用天然堿礦床自身所具備的易溶于水特點的有效應(yīng)用，利用井巷方式或者鉆井方式實現(xiàn)注入，這樣可以溶解礦床中的有益成分，產(chǎn)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(tǒng)采取的巷道鑿井法相比而言，水溶采礦方式能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)備與工藝技術(shù)較為簡單，將環(huán)境污染問題控制在有效范圍內(nèi)。

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(qū)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(shè)工作后兩年內(nèi)的單井吞吐助溶需要實現(xiàn)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(chǎn)實踐中可以了解到，已經(jīng)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(chǎn)中出現(xiàn)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(jìn)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(dá)到更好效果。通常情況下，在礦山開采設(shè)計期間，工作人員需要對應(yīng)力情況、壓裂通道方向情況進(jìn)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(jié)合設(shè)計連通井展開。這使得形成的連通往往是非預(yù)期性連通，此類連通的壓裂成功率較低。通過相關(guān)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(shè)計工作造成很大影響，無法實現(xiàn)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(fā)鉆井施工風(fēng)險。在壓裂連通前期階段中，要進(jìn)行大量高壓水的注入，這樣才能實現(xiàn)對井滲透流呈現(xiàn)面狀相通效果。水在高壓狀態(tài)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(xiàn)有效存儲[1]。在鉆井建設(shè)工作期間，鉆孔與存儲在礦層中如果出現(xiàn)高壓水串通，那么會引發(fā)安全事故的出現(xiàn)，比如，井噴事故、埋鉆事故，對工作人員的人身安全產(chǎn)生威脅。因為礦層的埋藏深度較深，在完成建井工作后，生產(chǎn)壓力會逐漸提升，單井吞吐法方式，持續(xù)時間較長，會對地層、礦層以及鉆井水泥環(huán)等產(chǎn)生破壞。嚴(yán)重情況下會出現(xiàn)環(huán)境災(zāi)難，影響社會更好發(fā)展。

3)高壓運行背景下風(fēng)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(chǎn)運行期間會產(chǎn)生很大壓力，為實現(xiàn)工作的順利進(jìn)行，要保證地面管網(wǎng)質(zhì)量、鉆井套管質(zhì)量能夠符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在當(dāng)前礦區(qū)工作中出現(xiàn)的不同問題，通常是由生產(chǎn)套管穿孔造成的。在生產(chǎn)注井壓力較高背景下，與之配套的地面裝置，以及管網(wǎng)承壓級別也需要隨之提升。這樣不僅會增加生產(chǎn)成本與維護(hù)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(xiàn)的各類問題，需要相關(guān)工作人員能夠有正確認(rèn)識。為防止資金浪費情況出現(xiàn)，同時提高資源回采率。要根據(jù)地質(zhì)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(tài)保持較好，品位以及礦層厚度都可以滿足地區(qū)要求，那么可以采用水平對接井溶開采方式。合理利用當(dāng)前現(xiàn)有垂直井，實現(xiàn)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(chǔ)上，開展主要礦層溶采工作。在后期階段中如果想要實現(xiàn)主采礦通道與上下相鄰礦層之間的相互連通，推動后續(xù)其他礦層開采工作的順利進(jìn)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(yōu)勢工作人員不僅要有明確認(rèn)識，還要將其優(yōu)勢發(fā)揮出來，在一條水平井組軸線一側(cè)要進(jìn)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(yīng)力方向延伸，與一側(cè)水平井通道，以及兩側(cè)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(xù)采礦工作的落實打下良好基礎(chǔ)。

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(chǔ)上，合理使用水平井分支井構(gòu)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(xiàn)，還可以通過射孔方式，實現(xiàn)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(yīng)用在礦區(qū)邊緣位置等。

3 布井參數(shù)明確

在對布井參數(shù)作出明確之前，需要工作人員能夠做好礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)收集工作與整理工作，并創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，繪制剖面圖、高線圖等，為后續(xù)工作的開展打下良好基礎(chǔ)。在具體布井參數(shù)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(jié)果以及儲量評價結(jié)果分析可以了解到，Bed3為首采礦層，主要是因為：

1)結(jié)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(qū)的主礦層之一為Bed3，不僅分布穩(wěn)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(nèi)，將已有采空區(qū)避開，就可以將其作為首采區(qū)。如果礦層厚度已經(jīng)超過1.0 m，那么需要進(jìn)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(wěn)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(guān)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(shù)能夠滿足相應(yīng)需求。該礦區(qū)工業(yè)礦層之間夾層厚度較厚，為節(jié)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(jìn)行開采[4]。比如，對于當(dāng)前垂直單井在暴露中，可以采取射孔方式，實現(xiàn)開采工作的順利進(jìn)行；對于新設(shè)計的水平井以及垂直井，需要在完成首采風(fēng)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(shè)開采通道，這樣才能高質(zhì)量完成開采工作。

4 綜合鉆井水溶開采工藝設(shè)計

在天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝設(shè)計中，以水平復(fù)合井為例，具體井身結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工流程如下：

1)在一開鉆進(jìn)過程中，使用φ445鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)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(xiàn)固井，對表層土進(jìn)行封閉。在一開固井水泥養(yǎng)護(hù)中，養(yǎng)護(hù)時間要達(dá)到8 h；

2)二開鉆進(jìn)期間，可以使用φ311鉆頭開展鉆井工作，鉆進(jìn)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(zhì)量。與此同時，開展錄井工作與測斜作業(yè)[5]。將φ244.50技術(shù)套管下入其中，主要目的是實現(xiàn)油井水泥固井。

3)三開鉆進(jìn)工作開展中，要發(fā)揮出φ120螺桿馬達(dá)、φ216鉆頭優(yōu)勢，在鉆進(jìn)中可以直接鉆至首采層落平點，要注意做好落平時鉆進(jìn)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?qū)﹄S鉆測井技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，最終確定的位置就是首采層。在鉆進(jìn)期間要與第一靶井相互連通，并關(guān)閉第一靶點垂直井井口裝置，避免泥漿循環(huán)影響水平段鉆進(jìn)工作的落實。繼續(xù)使用設(shè)備沿著首采層開展鉆井工作。在水平井段兩端井位置，要創(chuàng)建循環(huán)管網(wǎng)，向其中持續(xù)注水3天到5天，這樣通道可以實現(xiàn)發(fā)育。

4)四開井鉆進(jìn)期間，工作人員要將φ120螺桿馬達(dá)、φ216鉆頭的作用發(fā)揮出來，在原造斜點進(jìn)行反向造斜，鉆出大約20 m新孔[6]。提鉆將螺桿馬達(dá)卸下，并使用φ216鉆頭轉(zhuǎn)盤，鉆進(jìn)到礦層以上大約20 m處位置。此時還要提鉆進(jìn)行鉆具更換，繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)工作，直至鉆進(jìn)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(chǎn)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(yǎng)護(hù)時間達(dá)到72 h。

5 結(jié) 語

綜上所述，天然堿礦綜合鉆井水溶開采工藝設(shè)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(shè)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(dá)到良好開采效果。