連通井組分層二次對(duì)接開采技術(shù)淺析①

胡海兵 王春連 顧強(qiáng)

1 湖南省湘澧鹽化有限責(zé)任公司，湖南 津市415400

2 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

3 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

1 礦山概況

湘澧鹽化礦區(qū)位于湖南省澧縣鹽井鎮(zhèn)境內(nèi)，巖鹽礦體位于鹽井-申津度-東港盆地邊緣，受盆地西及北成鹽后期斷層控制[1]。礦層沿盆地邊緣呈弧形分布，地層走向北東60°左右，傾向北北西，傾角較平緩，一般4°～7°，基本上為一單斜構(gòu)造。

巖鹽層產(chǎn)于第三系始新統(tǒng)的灰色含鹽系中，埋深500～700m。含鹽系之上，依次上覆紫紅色泥巖，偶夾薄層砂巖，褐色和黃褐色網(wǎng)紋狀粘土，含鹽系由上下石膏層（即含硬石膏，鈣芒硝的灰色泥巖偶夾泥灰?guī)r，白云質(zhì)泥巖）礦體組成[2-5]。由于沉積旋迴和沉積分異的緣故，礦體中的鹽、鈣芒硝、泥巖出現(xiàn)互層，并偶含硬石膏，因沉積環(huán)境動(dòng)蕩不定，成鹽母液成份多變，分布于全采區(qū)的鹽層有六層，且不穩(wěn)定(表1，圖1)。

表1 礦層厚度及品位Table 1 Thickness and grade of ore bed

圖1 含鹽巖段柱狀對(duì)比圖Fig.1 Columnar comparison of saline rock section

第Ⅰ、Ⅱ鹽層為單鹽層，其余為復(fù)鹽層，復(fù)鹽層比較密集，間距2～5m，單鹽層分布稀，間距10～73m，以Ⅰ到Ⅱ鹽層為最大，間距在70m左右。巖鹽層累計(jì)厚度12.7～14.0m[6-10]。

湘澧鹽礦二采區(qū)初步設(shè)計(jì)將探明的6個(gè)鹽層，依其空間組合關(guān)系，劃為三個(gè)工業(yè)鹽層，作為分層開采對(duì)象。各層厚度、品位變化情況見表1。

2 鹵井開采情況

2.1 采區(qū)現(xiàn)有鹵井分布及開采情況

湘澧鹽化礦區(qū)年生產(chǎn)能力達(dá)到100萬t，采區(qū)目前有生產(chǎn)鹵井42口，其中單井對(duì)流鹵井2口，自然溶蝕連通鹵井12口，定向鉆井連通鹵井24口，與老溶腔定向水平對(duì)接鹵井4口（圖2）。

2.2 開采方法

湘澧鹽化鹽層比較薄，根據(jù)鹽礦開采技術(shù)條件（包括鹽礦地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件），以往主要采用單井對(duì)流法、壓裂連通法和井組連通法開采巖鹽，后期引入定向水平對(duì)接連通水溶開采法開采。

單井對(duì)流法是以一口井為一個(gè)開采單元，在井內(nèi)多層同心管的密閉系統(tǒng)中，從其中一層管內(nèi)往井下注入淡水，溶解鹽類礦層，生成鹵水后，再利用注水余壓使鹵水從另一層管內(nèi)返出地面的開采方法。單井對(duì)流法礦石采取率低，不足20%，鹵水產(chǎn)量低，質(zhì)量不穩(wěn)，井內(nèi)事故多，對(duì)環(huán)境污染大，采鹵成本高，礦山建設(shè)投資大。

圖2 采區(qū)井組分布圖Fig.2 Well group distribution map of mining area

水力壓裂連通水溶開采法是以2口直井為一個(gè)開采單元，利用水力傳壓的作用，從其中一口井注入高壓淡水，迫使井下礦層形成壓裂裂縫與另一口井貫通，并將裂縫迅速溶蝕、沖刷、擴(kuò)展成壓裂通道，再自下而上進(jìn)行水溶開采。其優(yōu)點(diǎn)為鹵水產(chǎn)量大，濃度高，礦石采收率較高，相比實(shí)現(xiàn)井組連通的時(shí)間最短；缺點(diǎn)為壓裂主裂縫的延伸方向和連通部位不能有效控制，易造成鄰近井組間壓裂竄槽和地層充水，操作較困難。

自然溶蝕連通法是以兩井或多井為一個(gè)開采單元，各井早期用單井對(duì)流法開采，對(duì)井下礦層的溶解作用不加控制，隨著水溶開采溶洞直徑的擴(kuò)大，當(dāng)兩井（或多井）的溶洞相互溶蝕連通后，改從其中一口井（或分井）注入淡水，溶解礦層，生成鹵水，再利用注水余壓使鹵水從另一口井（或其他井）返出地面的開采方法。自然溶蝕連通法往往是在鹵井使用后期兩井或多井通過溶采連通，礦層開采已到后期，井的連通使用效果較差，資源浪費(fèi)大，建井成本高，且可利用價(jià)值差。

定向水平對(duì)接連通水溶開采法就是以2口井為一個(gè)開采單元，朝目標(biāo)井（直井）鉆一口定向水平井，使兩井在開采礦層下部連通，形成初始溶解硐室，然后從一口井注入淡水，溶解礦層，生成鹵水，再利用注水余壓使鹵水從另一口井返出地面的開采方法。其優(yōu)點(diǎn)是連通部位基本可靠，采收率高。建槽時(shí)間短，升咸快，鹵水產(chǎn)量大，井下事故少，安全生產(chǎn)周期長，采鹵井維護(hù)費(fèi)用低，井距大，控制的可采礦量多，服務(wù)年限較長；缺點(diǎn)為水平井以下的礦石無法開采，約造成20%的礦石損失，上溶生產(chǎn)不加控制，易于上溶至礦層頂板[9]。

2.3 定向水平對(duì)接連通井組開采情況

由于定向水平連通井眾多優(yōu)點(diǎn)，湘澧鹽化現(xiàn)采取定向水平連通井開采。具體方法是直井先鉆進(jìn)至第三工業(yè)鹽層，下套管固井封隔上部第一、二工業(yè)鹽層，建槽形成溶腔。然后采取定向水平鉆進(jìn)方式與直井溶腔對(duì)接，開采第三工業(yè)鹽層。第三工業(yè)鹽層開采達(dá)到設(shè)計(jì)采出率后，由于湘澧鹽化鹽層比較薄的特殊性，第三工業(yè)鹽層與第二工業(yè)鹽層相距70m左右，上部的第二、一工業(yè)鹽層因間隔較厚無法自然垮塌冒落第二工業(yè)鹽層，致使第二工業(yè)鹽層無法開采，造成礦產(chǎn)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，因而考慮實(shí)施鹵井套管開窗側(cè)鉆定向水平二次對(duì)接。

3 水平對(duì)接井組二次對(duì)接開采方法

3.1 二次對(duì)接開采

現(xiàn)階段，采區(qū)鹵井大部分開采的是第三工業(yè)鹽層，經(jīng)過十多年的開采，一部分鹵井第三工業(yè)鹽層采出率高達(dá)50%以上，但該工業(yè)鹽層只占地質(zhì)儲(chǔ)量的五分之一，欲采與第三工業(yè)鹽層溶腔相距70m左右的第二工業(yè)鹽層，因鈣芒硝、泥巖層疊加太厚，泥渣膨脹系數(shù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。因此，無法利用自然垮塌開采。

湘澧鹽化公司自2004年引進(jìn)水平對(duì)接井技術(shù)以來[11]，先后完成了19對(duì)對(duì)接井。早期施工的一對(duì)水平對(duì)接井A121-A122，其開采鹽層為下部第三工業(yè)鹽層，經(jīng)過十多年的開采，其采出率已達(dá)36.45%，大大超過設(shè)計(jì)的27.8%，針對(duì)這一情況，考慮開采上部第二、一工業(yè)鹽層。結(jié)合石油系統(tǒng)開采技術(shù)及單井提層開采技術(shù)，對(duì)A121-A122實(shí)施提層定向水平對(duì)接。

3.2 二次對(duì)接開采方法

二次對(duì)接開采方法就是以現(xiàn)有直井和定向水平井為一個(gè)開采單元，對(duì)直井被套管封隔的第二工業(yè)鹽層實(shí)施爆破，使第二工業(yè)鹽層裸露，注水溶解，形成小的溶腔。對(duì)定向水平井被套管封隔的第二工業(yè)鹽層實(shí)施開窗側(cè)鉆，與爆破形成的溶腔進(jìn)行二次定向水平對(duì)接，然后從一口井注入淡水，繼續(xù)溶解礦層，生成鹵水，再利用注水余壓使鹵水從另一口井返出地面的開采方法。以水平對(duì)接井A121-A122為例（表2）。

表2 井身結(jié)構(gòu)表Table 2 Well body structure table

3.2.1 該井組基本情況

A121井為直井，終孔深度為589.53m，套管下深583.50m，二鹽層底板為518.86m，層厚2.90m；A122井為定向水平井，套管下深550.00m，通過直井取芯，該井二鹽層底板為492.79m，層厚2.90m。地面井距228m。

3.2.2 A121直井二次開采

（1）探孔。探孔工具由Ф120mm平面鉆頭+Ф108mm巖心管4.0m+Ф60mm鉆桿構(gòu)成，探至520.00m結(jié)束。

（2）爆破二鹽層。用Ф60mm鉆桿送入爆破彈（Ф110mm彈頭3.00m+緩沖管1.0m），進(jìn)行井下爆破。

（3）懸浮固井。下單向閥+Ф60mm鉆桿至565.00m注水泥，頂替清水，上提鉆桿，候凝一周。

（4）下中心管。下入Ф73×5.51mm油管519.00m，連接井口裝置，注水建槽。

3.2.3 A122定向井二次開采

（1）利用水平井計(jì)算模板和測斜成果，確定造斜點(diǎn)。

計(jì)算鉆孔中揭露的各鹽層空間坐標(biāo)，計(jì)算時(shí)根據(jù)測斜成果用最小曲率法求得各點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)原有地質(zhì)資料，用插值法算出對(duì)接靶點(diǎn)和水平井鹽層取樣點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

（2）探孔。探頭工具由Ф120mm平面鉆頭+Ф108mm巖心管4.0m+Ф73mm鉆桿構(gòu)成，探至造斜點(diǎn)以下，并用大排量清洗井眼，從而替掉井內(nèi)鹵水[12-13]。

（3）聲幅測井。根據(jù)聲幅測井情況，確定采用下斜向器直接開窗側(cè)鉆。

（4）開窗

①開窗工具構(gòu)成

地錨：用10m長的油管，表面焊毛刺，下部割幾個(gè)通水孔，用來固定斜向器。

斜向器：用于引導(dǎo)銑錐按設(shè)計(jì)方向開窗，斜面長度為4m，頂部角度為3°。

送斜器：一根割眼的中心管，上部與鉆具絲扣連接，下部與斜向器銷釘連接，其作用是將斜向器送至預(yù)定位置，然后靠鉆具自重剪斷銷釘，與斜向器分離，將斜向器留在井內(nèi)[14]。

銑錐：對(duì)于Ф139.7mm套管，使用Ф118mm鉆鉸銑。

②開窗前的準(zhǔn)備工作

注水泥封堵老井眼，下入Ф73mm鉆桿到預(yù)定井深，按設(shè)計(jì)注入水泥漿，水泥漿比重在1.9以上，候凝72h后試壓。掃水泥面，鉆時(shí)均勻，無放空現(xiàn)象。固定斜向器，把設(shè)計(jì)好的地錨總成下到井底，循環(huán)正常后，開始定向，采用陀螺定向，定完向后，讓地錨接觸井底，斜面避開套管接箍，開始注水泥漿，結(jié)束后加一定鉆壓，剪斷送斜器和斜向器之間的銷釘，斜向器留在井內(nèi)，起出鉆具，起鉆過程中，沖洗鉆桿，候凝72h后進(jìn)行開窗作業(yè)掃水泥面至斜尖0.3～0.5m，準(zhǔn)備開窗[15]。

③下銑錐開窗側(cè)鉆[16]。

（5）定向鉆進(jìn)，鉆至與A121井靶點(diǎn)對(duì)接成功。

①確定軌道曲線類型：鹽層水平井雖然中靶要求比較高，但是就軌道本身是簡單的三段式二維曲線（圖3）。

②計(jì)算水平井垂深DT：水平井垂深是指孔口O至靶點(diǎn)T的高差。這是三段式軌道設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，一系列的參數(shù)都是以這個(gè)參數(shù)為基準(zhǔn)計(jì)算出來的。

③確定圓弧終點(diǎn)的井斜角αB：圓弧終點(diǎn)的井斜角就是鹽層的傾斜天頂角，為了準(zhǔn)確計(jì)算這個(gè)角度專門在水平井處鉆直井，確定鹽層的坐標(biāo)，就是為了獲得這個(gè)取樣點(diǎn)Y與靶點(diǎn)T的準(zhǔn)確距離l和靶點(diǎn)T與取樣點(diǎn)Y之間的高差DT-DY(圖3)。

④圓弧半徑R：圓弧半徑從理論上和采鹽角度來說是越小越好，但是目前是由造斜工具的造斜性能決定的，用普通的鉆桿加螺桿鉆具組合，曲率半徑達(dá)100m左右，在設(shè)計(jì)時(shí)最好不要小于100m。

⑤計(jì)算圓弧長度ΔL：根據(jù)A、B兩點(diǎn)的井斜角可以計(jì)算出圓弧的圓心角，不難算出圓弧長度。

⑥計(jì)算A、B兩點(diǎn)間的垂深增量ΔD和水平增量ΔS：

圖3 水平對(duì)接示意圖Fig.3 Horizontal docking schematic diagram

根據(jù)ΔS和鹽層在設(shè)計(jì)剖面上的傾角可以確定B點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)B點(diǎn)的垂深減去ΔD確定A點(diǎn)的位置。A點(diǎn)附近就是需要注水泥堵塞的頂面。

根據(jù)以上計(jì)算已經(jīng)確定了造斜點(diǎn)A、圓弧終點(diǎn)B、靶點(diǎn)T的坐標(biāo)參數(shù)。軌道設(shè)計(jì)可以從圓弧起點(diǎn)開始。設(shè)計(jì)要算出的參數(shù)主要有：井斜角、井斜方位角、垂深、N坐標(biāo)、E坐標(biāo)、水平位移、視位移、井眼曲率、對(duì)接方位角等。

在薄鹽層對(duì)接井施工中，應(yīng)特別關(guān)注設(shè)計(jì)剖面上鉆頭的投影位置，要將水平位移投影到設(shè)計(jì)剖面得到視位移，分析鉆頭與鹽層頂板和底板的相對(duì)關(guān)系[17]。

（6）采用下尾管技術(shù)，下入Ф95.3×6.5mm非API標(biāo)準(zhǔn)套管至第四鹽層頂板。

（7）固井。固井采用環(huán)隙注水泥方法，候凝72h后掃孔，掃至對(duì)接點(diǎn)。至此二次對(duì)接成功，直接投入生產(chǎn)運(yùn)行。

圖4 二次定向水平對(duì)接示意圖Fig.4 Schematic diagram of horizontal docking with secondary orientation

4 分析

4.1 二次對(duì)接開采技術(shù)分析

1986年，湘澧鹽化有限責(zé)任公司與長沙礦業(yè)研究院合作，在單井對(duì)應(yīng)鹽層部位利用爆破方法爆開封隔鹽巖層的高強(qiáng)度套管和水泥環(huán)[18]，使巖鹽層裸露，進(jìn)行水溶開采獲得成功。但對(duì)于自然溶蝕連通井組，利用此法，有待進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性。

對(duì)于薄鹽層厚夾層巖鹽礦定向水平對(duì)接井二次開采問題，采用爆破與開窗側(cè)鉆的方法可達(dá)到技術(shù)要求。在進(jìn)入巖鹽前應(yīng)提前加足抗鹽鉆井液，防止垮塌物堵塞井眼。在選擇靶點(diǎn)垂深時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖鹽的厚度和鹽巖溶腔特點(diǎn)（包括地層傾角、鹽巖的分布、溶腔的大小等）進(jìn)行綜合考慮。做好井身軌跡的控制和預(yù)測是水平井成功對(duì)接的基本保障，應(yīng)取準(zhǔn)測斜數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確推測造斜率，做好水平對(duì)接圖。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

連通井組多鹽層分層對(duì)接開采技術(shù)，可以利用老井地面的集輸設(shè)備，減少重復(fù)建設(shè)投資；可以利用原有的井場，減少永久性占地面積，降低征地費(fèi)用；可以利用老井眼，縮短鉆井周期，降低鉆井成本；可減少鉆井及鹽巖開采過程中對(duì)環(huán)境的污染，爆破及開窗側(cè)鉆后，可以提高采收率，充分開采礦產(chǎn)資源。

A121-A122井組二次定向水平對(duì)接成功，并于當(dāng)年投入生產(chǎn)運(yùn)行，截止10月底止，該井組共采鹵183626.8m3，平均NaCl含量297.74g/L，折鹽54673t；平均Na2SO4含量27.7g/L，折芒硝5086t。按市場價(jià)300元/t計(jì)算，已新增工業(yè)產(chǎn)值1500多萬元。若按鹵井日采鹵1100m3，平均NaCl含量297g/L，折鹽326.7t，每年按300天生產(chǎn)時(shí)間計(jì)算，年產(chǎn)超98000t，按現(xiàn)有市場價(jià)300元/t計(jì)算，年可新增產(chǎn)值3000多萬元。

5 結(jié)語

湘澧鹽化礦區(qū)二采區(qū)延伸區(qū)水平對(duì)接井組可以利用直井爆破二鹽層，水平井二次開窗側(cè)鉆、定向水平對(duì)接上部鹽層，繼續(xù)開采上部鹽層。該技術(shù)是可行的，且具有可靠性高、安全性好、施工工藝簡便、費(fèi)用低等工藝性能。該組井的成功，開啟了連通井組分層二次對(duì)接開采的范例，可供類似工程借鑒應(yīng)用。特別是對(duì)薄鹽層、厚夾層巖鹽礦山挖潛增效，大幅提高采收率相當(dāng)適用。