山東大汶口盆地采鹽溶腔的不穩(wěn)定性及變化特征

王少華 楊樹杰 孔德金 雷道鵬 周龍濤

中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000

從20世紀(jì)90年代中期開始，中國井礦鹽開始采用定向連通開采技術(shù)，隨著該技術(shù)的提高和完善，對接越來越精準(zhǔn)，極大的提高了開采強(qiáng)度和開采量。一對對接井生產(chǎn)能力可達(dá)15萬t/a鹵折鹽，對接井井間距一般為300～400m，溶礦水在溶腔中強(qiáng)行循環(huán)溶礦[1]。與單井對流相比，其形成的溶腔規(guī)模更大，形狀更復(fù)雜[2]。由于水溶法開采井礦鹽在井下進(jìn)行，難以測量和控制，給研究其大小、形狀、穩(wěn)定性能以及可能產(chǎn)生的次生地質(zhì)災(zāi)害等帶來困難，也給研究采鹽溶腔的綜合利用評價帶來困難[2]。

當(dāng)前對采鹽溶腔的研究多集中在像金壇這種單井對流、用于建造油氣儲庫的較穩(wěn)定溶腔，而像大汶口盆地這種雙井對流采鹽溶腔的研究甚少。筆者根據(jù)多年對大汶口盆地巖鹽開采溶腔的調(diào)查成果，著重研究了該礦區(qū)這種多薄層鹽雙井流采鹽溶腔的形狀及不穩(wěn)定性，研究分析了溶腔頂?shù)讕r石的蠕變特點以及由于其蠕變快慢與巖鹽開采速度快慢的不同形成了溶腔塌陷和不塌陷的兩種不同變化結(jié)果。本文對于今后像大汶口盆地這種多薄層鹽雙井對流采鹽溶腔的特點、利用及其可能產(chǎn)生的次生地質(zhì)災(zāi)害等方面研究具有參考意義。

1 大汶口盆地巖鹽礦層及其開采特征

1.1 大汶口盆地巖鹽礦層特征

大汶口盆地巖鹽礦層分布于泰安市岱岳區(qū)馬莊與肥城市邊院鎮(zhèn)交界一帶，長軸方向為北北西-南東東向，長約 11.5km，寬 3～5km，分布面積45km2左右[3]。巖鹽礦層共有32層，具體到某一礦山，最多28層鹽。鹽層單層厚度0.63～16.53m，一般幾米厚；單孔見礦累計厚度28.48～165.54m。巖鹽頂板埋深750～1100m左右，底板埋深910～1640.30m。鹽層傾向北西向，傾角一般 4°～8°，含礦率 19.97%～53.29%，礦層 NaCl平均品位80%～94%，單孔單層石鹽厚度1.17～6.64m，平均4.55m。

主礦層為7、15、21、25、27層（由下至上編號），在礦區(qū)內(nèi)上述礦層厚度較大，分布面積較廣，礦層較穩(wěn)定。其中7鹽層最大厚度10.14m，平均厚度7.07m，展布面積19.96km2，礦層平均品位89.14%。在32層鹽中，最大單層厚度16.53m。

巖鹽礦層夾層主要為硬石膏巖，部分地段泥灰?guī)r、含硬石膏泥灰?guī)r、白云巖等，局部為泥巖。單孔單層夾層厚度5.38～9.79m，平均7.24m[4-6]。

從以上資料可看出，大汶口盆地巖鹽礦層具有層多、單層厚度小、含礦率低、夾層厚度大且夾層較堅硬、遇水不易崩解的特點。

1.2 大汶口盆地巖鹽開采現(xiàn)狀及特征

目前泰安巖鹽開采企業(yè)共10家，批準(zhǔn)的生產(chǎn)能力為合計705萬t/a，其中1家尚未生產(chǎn)，其余9家批準(zhǔn)的生產(chǎn)能力為15～160萬t/a。各鹽礦正在生產(chǎn)的鹽井共54對對接井、2個單井和12組鏈接井。

大汶口盆地共有鹽32層，但每個礦區(qū)鹽層多少及層位有所差異。各鹽礦均將第7層及以上各鹽層納入開采層。目前所有礦區(qū)均開采最下面的主礦層第7層鹽，有的礦山7層上部的8、9、10層也有部分開采。

采礦方法主要為井組定向井連通法，其中又以雙井定向連通為主，3井定向鏈接為少數(shù)。原單井對流井僅有2口在繼續(xù)使用。

各鹽礦采井對接（鏈接）井間距及井組間距有差異，其中對接（鏈接）井間距300～490m，以300m左右居多，而井組間距為110～230m，其中施工較早的間距小，多為110～120m，后期施工的間距較大，多為180～200m[1]。

2 雙井定向連通采鹽溶腔的形狀及不穩(wěn)定性

2.1 雙井定向連通采鹽溶腔的形成及形狀

雙井對接采鹽過程中，兩井間距一般為300～400m，首先施工直井。直井在鉆穿采鹽目的層后下雙層套管，開始單井對流建槽。然后施工定向孔。定向井與直井連通后，拔起中心管，采用雙井對流采鹵。近年來采用高精度點對點中靶引導(dǎo)系統(tǒng)直接對接，不再進(jìn)行單井對流建槽。

山東省泰安市大汶口盆地目前各鹽礦主開采層為下部第一個主鹽層-第7鹽層。該鹽層一般厚3.94～10.14m，平均7m左右。

建槽形成的溶腔規(guī)模很小，當(dāng)對接井開始生產(chǎn)后，鹵水在數(shù)個大氣壓下強(qiáng)行循環(huán)，進(jìn)行溶蝕，由于含鹽高的鹵水密度大，在重力作用下下沉到底部，而含鹽低的鹵水位于上部。含鹽高的鹵水溶解速度和溶蝕速度遠(yuǎn)小于含鹽低的鹵水，因此，雙井對流采鹵上溶速度一般為側(cè)溶的2倍。雙井對流溶腔是沿著定向井在開采鹽層中的軌跡線形成并逐漸發(fā)展。由于一般巖鹽礦石側(cè)溶角為20°～35°左右，因此，推測雙井對流初步形成的溶腔的橫截面為一近視的倒梯形狀。重慶大學(xué)姜德義的模擬研究認(rèn)為溶腔的橫截面為一近似的倒錐體[7]（梯形上、下底寬度差別大）。這是溶腔發(fā)展的初步階段，不同的鹽層厚度、夾層厚度及夾層巖性等都對溶腔的形態(tài)和以后發(fā)展變化起重要作用。

山東省泰安市大汶口盆地采11～采12井溶腔是我們前期重點調(diào)查的溶腔之一。采11為直井，采12為定向井，兩井水平距離310m（圖1）。主開采層為第7層鹽，鉛直厚度7m。該對井2005年11月完工并開始生產(chǎn)，到2014年12月因出黑鹵而停產(chǎn)。共生產(chǎn)鹵折鹽約44萬t。根據(jù)開采鹽層厚度（7m）、巖鹽礦側(cè)溶角及溶蝕速度等，可大致推測該對井溶腔在向上溶蝕到達(dá)頂板夾層后無法上溶時的溶腔橫截面為一高6m左右（假定對接軌跡在7鹽層底板，高度雖為7m，但底部被水不溶物殘渣充填）頂寬底窄的近倒梯形。由于鹽層頂板為厚度達(dá)6m的硬石膏巖，不溶且堅硬，在鹵水中不易崩解，因此上溶停止，溶腔開始向兩側(cè)擴(kuò)展。由于此時溶腔跨度很小，頂板不會發(fā)生坍塌。但隨著溶腔的跨度（寬度）越來越大，溶腔的橫截面近似于長方形的倒梯形（梯形頂?shù)装彘L度差別?。?。整個溶腔為一兩端寬窄不同的馬槽狀（圖2a）[2]。

圖1 采11-采12井7鹽層溶腔變化平面示意圖Fig.1 Plane sketch map of dissolved cavity variation in the 7th salt-layer between well collecting 11 and 12

圖2 汶口盆地與金壇盆地形成的不同形狀采鹽溶腔Fig.2 Different shapes of salt-dissolving cavities formed in Dawenkou basin and Jintan basin

2.2 雙井定向連通采鹽溶腔的不穩(wěn)定性

雙井對流形成的這種溶腔與江蘇金壇盆地等單井對流形成的溶腔相比，其形狀和穩(wěn)定性有很大不同。金壇盆地由于建造儲氣鹽穴庫而聞名全國。金壇盆地幾乎所有采井均采用單井對流孔。鹽層累計厚度一般150～200m，最厚240m。單層最大厚度52.91m，NaCl平均品位85%左右。巖鹽夾層為含石鹽、鈣芒硝泥巖，厚度一般不超過2m。由于金壇盆地鹽層厚度較大，能形成高度較大（50～80m 以上）的溶腔[8-11]；由于夾層以含石鹽、鈣芒硝泥巖為主，厚度小，因此在溶蝕中易崩解成泥狀落于溶腔底部，溶腔上下貫通，形成高度較大的圓柱-圓錐體形狀的溶腔（圖 2b）。這種形態(tài)的溶腔頂部承受的重力大部分被兩側(cè)腔壁所承擔(dān)，溶腔頂部承受的垂直壓力不大，因此頂部不易坍塌，溶腔相對較穩(wěn)定。

大汶口盆地巖鹽層發(fā)育情況與金壇盆地有較大差別。由于鹽層薄而夾層厚，且夾層巖石為硬石膏巖和泥灰?guī)r等，在鹵水中不溶，不易崩解。因此在單層鹽溶解到鹽層頂板時，不能繼續(xù)上溶，此時溶腔跨度很小，頂板在一定時間內(nèi)不會坍塌。由于雙井對流溶礦水強(qiáng)行循環(huán)，溶腔向兩側(cè)擴(kuò)展，形成近似長形體的溶腔。這樣的溶腔頂板直接承受了上覆巖石的巨大重力的壓力。正在生產(chǎn)的鹽井溶腔內(nèi)鹵水的壓力僅為 4.2～5MPa，因此溶腔頂板存在巨大的剩余重力壓力，使溶腔頂板下沉、坍塌、底板巖石上拱變形等。同時由于處于地下深處，巖石在巨大的圍壓下易發(fā)生蠕變，而且由于溶腔的存在，在其周邊的巖石中存在巨大的壓力差，從而加劇了蠕變的速度和幅度。因此，這樣的溶腔穩(wěn)定性很差，而且在形成后無時不在發(fā)生著變形。

3 雙井定向連通采鹽溶腔的變化特征

采鹽溶腔從形成開始就在不停的發(fā)生變化。一方面，在水的不停循環(huán)下，巖鹽不斷的被溶蝕，溶腔在不斷的擴(kuò)大；另一方面，在溶腔形成后，其不穩(wěn)定決定了其不斷向穩(wěn)定性轉(zhuǎn)變。在這個變化過程中，溶腔頂板的下沉及坍塌、圍巖蠕變、底板巖石上拱等變形都將使溶腔變小。在采鹵停止后經(jīng)過一段時間，溶腔在上述作用下逐漸縮小，或因頂板巖石蠕變、下沉與底板相接獲得支撐，或因頂板坍塌溶腔達(dá)到穩(wěn)定。在這個過程中，溶腔周邊巖石主要發(fā)生頂板下沉及坍塌、底板上隆、圍巖蠕變等變形。

3.1 溶腔頂板下沉（蠕變）幅度

巖鹽礦層及其頂?shù)装鍘r石在深埋地下時的蠕變特征及采鹽溶腔頂板巖石穩(wěn)定性方面前人多有研究[12-16]。昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院苗騰蛟、朱杰勇在對昆明安寧盆地鹽礦開采研究，對溶腔上覆巖層進(jìn)行變形模擬計算發(fā)現(xiàn)，在上溶過程中，在埋深500m左右、溶腔跨距100m的頂板巖石最大下沉量為 2.35m[12]；重慶大學(xué)姜義德的模擬研究認(rèn)為，當(dāng)采鹽溶腔達(dá)到極限跨距時，最大下沉量大于1.2m[7]。

近年來，筆者在山東省泰安市大汶口盆地進(jìn)行巖鹽礦開采溶腔調(diào)查研究，重點對其中的一對雙井定向連通采鹽溶腔（采11～采12）進(jìn)行研究。2017年10月在距直井（采11）約20m的位置施工了一探查孔JC02，揭露的開采層（第7層鹽）上部第1層鹽（第8層鹽）底板較開采前低了3.9m（圖3）（正常層位JC02第7鹽層應(yīng)較采11井高3.9m左右）。3.9m為頂板下沉巖石向下蠕變的結(jié)果。

圖3 大汶口盆地部分鉆孔5～10鹽層柱狀對比圖Fig.3 Columnar comparison of the 5th～10th salt layers in Dawenkou basin

3.2 溶腔壁巖石蠕變速度及幅度

巖鹽水溶法開采一般在地下深處進(jìn)行。目前山東省泰安市大汶口盆地巖鹽開采層埋深在 800～1400m。上覆地層以泥灰?guī)r、泥巖、砂巖、粉砂巖、硬石膏巖及石鹽巖為主，平均比重在2.1t/m3左右。采11～采12井開采鹽層（第7層）頂板埋深835m，上覆巖石的壓力為 19MPa。在正常采-注生產(chǎn)中，鹵水壓力為4.2～5MPa。因此，在采鹽溶腔與圍巖之間存在 14～15MPa的壓差。由于巖鹽及其頂?shù)装宓挠彩鄮r等在地下深處圍壓下具有明顯的塑性變形，尤其在采鹽溶腔與圍巖存在巨大的壓力差時，巖石的蠕變將會加速進(jìn)行。

近年來，中國國內(nèi)掀起了鹽穴利用研究高潮。重慶大學(xué)姜德義的模擬研究認(rèn)為，雙井對接采鹽溶腔的極限跨距與采深關(guān)系密切。當(dāng)采深為594m時，極限跨距為142m；當(dāng)采深為700m時，極限跨距為134m；當(dāng)采深為1000m時，極限跨距為102m[7]。

自20世紀(jì)90年代后期中國在江蘇金壇開始研究利用巖鹽溶腔建造油氣儲庫，到目前已建成國內(nèi)首座儲氣庫。這期間進(jìn)行了大量有關(guān)溶腔穩(wěn)定性研究[17-22]。

尹雪英、楊春和、陳建文通過對金壇巖鹽礦區(qū)兩個采鹽老腔穩(wěn)定性模擬計算分析[17]，在525.5m埋深，上覆巖石垂直壓力12.09MPa的條件下，溶腔內(nèi)不同內(nèi)壓時腔壁巖鹽發(fā)生蠕變及溶腔體積收縮情況。經(jīng)模擬計算，內(nèi)壓越大，腔體收縮的越慢，幅度越?。粌?nèi)壓越小，收縮幅度越大。當(dāng)內(nèi)壓為14.5Mpa時，20年后，體積收縮率約為2.38%，而內(nèi)壓為6Mpa時，體積收縮率較半年增加了約 15倍，約為 22%。說明當(dāng)溶腔內(nèi)壓變小時，其腔體巖鹽加速蠕變，體積加速收縮。

張強(qiáng)勇、段抗等在江蘇金壇巖鹽礦進(jìn)行多溶腔儲氣運營狀態(tài)下三維流變的模擬研究[18]，溶腔為橢球狀，其上覆巖石壓力21.35Mpa。如果采氣前腔內(nèi)氣壓為 16Mpa，而當(dāng)采氣中降壓速為0.75Mpa/d時，在0～10d，溶腔壁向內(nèi)位移了約1.5mm；從第10天以后，溶腔壁向內(nèi)開始快速位移，最大速率為6mm/d（圖4）；實驗在極端情況下，一旦腔體內(nèi)失壓，即氣壓突然降為0時，位移速率更大。

圖4 不同采氣速率下徑向位移時程變化圖[18]Fig.4 Time-varying graph of radial displacement at different gas production rate

根據(jù)以上模擬實驗結(jié)果，當(dāng)溶腔內(nèi)儲壓力為16Mpa時，巖石的圍壓為 21.35Mpa，壓差為5.35Mpa。在采氣過程中，當(dāng)降壓速率為0.75Mpa/d時，在 10天內(nèi)，腔內(nèi)儲壓力降低了7.5Mpa，為 8.5Mpa，與巖石的圍壓壓差擴(kuò)大為12.55Mpa，腔壁巖鹽蠕變速率更快，蠕變量更大。一旦腔體內(nèi)突然失壓，腔體內(nèi)與巖石的圍壓壓差擴(kuò)大為21.35Mpa，其腔壁巖鹽蠕變速率和蠕變量將會變得巨大。井文君、楊春和等在對國外鹽穴儲氣庫進(jìn)行事故統(tǒng)計分析中發(fā)現(xiàn)，1967年德國Kiel儲氣庫在 40天中因腔體蠕變體積收縮了12.3%，導(dǎo)致溶腔失效[23]。

雖然大汶口盆地采鹽形成的溶腔及溶腔壁巖石與上述不同，但在地下深處巨大的圍壓下，一旦出現(xiàn)溶腔，其與圍壓存在較大的壓力差時，溶腔壁巖石向溶腔方向蠕變是必然的，只是蠕變的特征和速率、幅度不同而已。金壇盆地這種單井對流形成的圓柱-圓錐形溶腔腔壁位置蠕變量最大，而大汶口盆地這種雙井對流采鹽溶腔最大蠕變量在溶腔的頂板部位。兩側(cè)側(cè)壁上的石鹽巖雖然也發(fā)生蠕變，但因在采鹵生產(chǎn)中不斷的被溶蝕，所以不易被發(fā)現(xiàn)。與金壇鹽礦區(qū)相比，一方面，大汶口盆地采鹽溶腔頂?shù)装鍘r石以石膏巖、硬石膏巖及白云質(zhì)泥灰?guī)r等為主，較金壇盆地的石鹽巖在物理性質(zhì)上存在一定差距，因此，僅從溶腔壁巖性上分析，其發(fā)生蠕變的速率和幅度較金壇盆地的要??；但另一方面，大汶口盆地采11井埋深835m，上覆巖石以泥灰?guī)r為主，少量粉砂巖、泥巖，巖鹽頂板以石膏、硬石膏巖為主，平均密度2.3kg/m3左右（與金壇盆地鹽礦層上覆巖石以泥巖為主的密度相近），壓力約 19Mpa。正常生產(chǎn)時注水壓力一般為4～5Mpa，與圍壓壓力差約為14～15Mpa。這與上述張強(qiáng)勇、段抗等在江蘇金壇巖鹽礦進(jìn)行的模擬研究相比，上覆巖層的壓力與溶腔生產(chǎn)的壓力差要大，因此巖石的蠕變速度增大。

3.3 大汶口盆地采鹽溶腔頂?shù)装鍘r石蠕變速度及幅度

近年來，筆者在調(diào)查山東省泰安市大汶口盆地巖鹽開采溶腔中，選擇了采11～采12井溶腔進(jìn)行探測。采11為直井，在采11附近施工了溶腔探查孔JC01，該孔穿過開采層位置距采11～采12對接軌跡線28m，終孔穿過開采層位置，但未見溶腔。當(dāng)時分析認(rèn)為是由于該井距采11較遠(yuǎn)，未見溶腔。后又更靠近采11井施工了JC02井（圖1）。在鉆至目的位置附近時仍未見溶腔，繼續(xù)鉆透7層鹽以下的第5層鹽后終孔。通過該孔發(fā)現(xiàn)，第5層鹽與其上見到的第一層鹽（實際為8鹽層）之間夾層厚度異常大，基本與7層鹽及其頂?shù)装鍔A層的厚度之和相當(dāng)（表1、表2）。研究發(fā)現(xiàn)，原來JC01井把第8層鹽當(dāng)成了第7層鹽，實際情況是JC01和JC02井位置在第7層鹽被溶蝕后的溶腔在形成后的時間里，被頂?shù)装鍔A層巖石蠕變所充填（圖1、圖3）。在對該次勘查成果總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，得出上述結(jié)論幾乎是唯一的：①采11～采12及附近（250m）的采9～采10井施工中發(fā)現(xiàn)7鹽層較穩(wěn)定；在JC01和JC02的施工中，發(fā)現(xiàn)在8鹽層以下、5鹽層以上的夾層巖石層位完整，巖心采取率在90%以上，說明巖石未發(fā)生坍塌破碎；上部的8鹽層與下部的5鹽層完全可對比，如果是JC01和JC02一帶存在斷層，則不能只錯斷7鹽層，上下8鹽和5鹽層未受影響。②JC02井8鹽層底板至5鹽層頂板為夾層巖石，其厚度正好與附近采1（早期探采結(jié)合孔）及ZK11（巖鹽勘查孔）8鹽層底板＋7鹽層＋7鹽層底板厚度之和非常接近（表2）。③采11～采12共采了44t鹵折鹽，如果在距兩井對接軌跡線僅10～20m的地方存在斷層而缺失7鹽層的話，該對井無法生產(chǎn)這么多的鹽出來。

表1 JC01、JC02等井5～10層鹽見礦情況一覽表Table 1 List of the 5th～the 10th layers of salt appearing in JC01, JC02, etc.

表2 采1、ZK11、JC02孔7、8鹽層及其夾層厚度表Table 2 Thickness of the 7th, the 8th salt layers and their interlayer in the wells of collecting 1, ZK11, JC02

據(jù)前述，大汶口盆地采11～采12井溶腔頂板下沉（向下蠕變）量不小于3.9m。該對井從投產(chǎn)到2017年4月勘查發(fā)現(xiàn)，溶腔被頂?shù)装鍘r所充填，大約11年多的時間。若按大約投產(chǎn)1年多的時間后形成初始溶腔，則溶腔經(jīng)過了約10年的蠕變后，頂?shù)装鍘r石因蠕變上下相接。由此推測，頂板巖石向下蠕變速度平均不小于1.07mm/d。采11～采12采鹽溶腔最大高度約6m，頂板向下蠕變了3.9m，勘探結(jié)果顯示溶腔全部被夾層巖石所充填。推測其余 2.1m應(yīng)為底板巖石向溶腔方向（向上）蠕變的結(jié)果。雖然目前還沒有這方面的研究成果，但考慮到溶腔底板兩側(cè)及底部受到約19Mpa的圍壓，溶腔方向壓力僅為4～5Mpa，壓力差為 14～15Mpa，類似于單軸軸向施加 14～15Mpa的壓力橫向上發(fā)生蠕變情況，所不同的是在橫向的一個方向（下部）得到巖石支撐。正是由于底板巖石在受到兩側(cè)壓力（圍壓）及下部受到巖石支撐，所以才向上（溶腔方向）發(fā)生蠕變。

3.4 大汶口盆地雙井對流采鹽溶腔演變分析

前人對采鹽溶腔因腔壁蠕變導(dǎo)致大小、形態(tài)變化及其穩(wěn)定性的研究多集中在江蘇金壇這種較穩(wěn)定的儲氣用鹽腔[19-20]，而對雙井對流形成的不穩(wěn)定溶腔在形成后的變化研究較少。大汶口盆地這種雙井對流采鹽溶腔自形成的一刻起，由于與上覆巖石形成的圍壓產(chǎn)生巨大的壓力差，這種壓差使溶腔周圍巖石（包括巖鹽）向溶腔方向蠕變，壓差越大，蠕變速度越快。當(dāng)采井停產(chǎn)、修井等泄壓時，巖石蠕變速度急劇增大。

在正常采鹵生產(chǎn)中，注水壓力一般為 4.2～5Mpa。大汶口盆地采11井埋深835m，上覆巖石壓力約19Mpa，因此正常生產(chǎn)時溶腔內(nèi)壓力差約為14～15Mpa。在溶腔形成初期，由于鹽層厚度僅為7m，因此在上溶作用下很快溶到頂板。由于此時溶腔寬度很小，且頂板巖石厚度較大（5～6m），巖石堅硬，在水中不易崩解，頂板穩(wěn)定，在采鹽鹵水的循環(huán)下，向兩側(cè)溶蝕。即溶腔不斷向兩側(cè)擴(kuò)大變寬。而另一方面，由于溶腔與上覆巖石存在14～15Mpa的壓力差，使圍巖向溶腔中蠕變，溶腔在不斷的縮小。其中兩側(cè)巖鹽的蠕變使溶腔變窄，頂?shù)装鍘r石蠕變使溶腔高度變低。溶腔的發(fā)展變化出現(xiàn)兩種情況：一是開采緩慢，開采量小，經(jīng)多年開采，溶腔寬度仍未達(dá)到極限跨距而尚未坍塌，而頂?shù)装鍘r石在局部地段因蠕變相接，使頂板獲得支撐，從此頂板不會發(fā)生坍塌。一旦該井停產(chǎn)，溶腔腔壁巖石蠕變?nèi)栽谶M(jìn)行，從而使溶腔大部空間被頂?shù)装鍘r石所充填。這時兩個井仍然可以通過部分空腔及縫隙通水采鹵。采11～采12溶腔就屬于這種情況。該對井從2005年底開始生產(chǎn)至2014年12月停產(chǎn)共9年時間，生產(chǎn)鹵折鹽44萬t，平均每年不到5萬t。如果在生產(chǎn)1年后形成初始溶腔，到2017年4月JC01施工結(jié)束時，共10年多的時間。該井開采鹽層-第7層鹽的厚度為7m，溶腔最大高度以6m計算（巖鹽礦層中水不溶物約占 15%）。溶腔頂板向下蠕變了 3.9m，則頂板向上蠕變了 2.1m。由于2017年鉆探施工發(fā)現(xiàn)溶腔已經(jīng)消失，故頂?shù)装鍘r石因發(fā)生蠕變相接必定在此時間之前，因此，該溶腔圍巖蠕變速度應(yīng)不小于該值。第二種情況：開采速度快，強(qiáng)度大，在數(shù)年時間內(nèi)，溶腔跨度達(dá)到極限跨距，而此時由于時間短，圍巖發(fā)生蠕變的量有限，頂?shù)装鍘r發(fā)生坍塌，溶腔得到新的暫時的平衡。這里所說的開采速度快慢是相對而言。采11～采12井9年生產(chǎn)了44萬t鹵折鹽，平均每年4.9萬t。但如果平均每年生產(chǎn)10萬t，則5～6年就會生產(chǎn)50萬t～60萬t。這時溶腔寬度可能達(dá)到了極限跨距，而由于時間短，頂?shù)装鍘r石蠕變量較小，溶腔頂板可能就會發(fā)生坍塌。

根據(jù)以上分析研究，像大汶口盆地這種多薄層鹽雙井對流產(chǎn)生的溶腔，在其形成后具有特殊的發(fā)展變化特點，大致可劃分以下幾個階段（圖5）：第一階段為初始形成階段，溶腔橫截面呈倒梯形，沿對接方向形成長體形狀，頂板不穩(wěn)定；第二階段為溶腔擴(kuò)展及腔壁蠕變階段；第三階段為初步穩(wěn)定階段。由于開采速度的不同，第二階段分兩種情況：一種情況是開采速度慢，時間長，在溶腔跨度未達(dá)到極限跨距時頂?shù)装鍘r石因蠕變相向位移而相接，溶腔頂板不發(fā)生坍塌（圖5a）；另一種是開采速度快，強(qiáng)度大，在較短時間內(nèi)溶腔頂板發(fā)生坍塌（圖 5b）。發(fā)生坍塌的溶腔繼續(xù)溶蝕，坍塌使上部鹽層暴露于鹵水中被溶蝕，然后發(fā)生新的坍塌，直至坍塌下的巖石支撐頂板，這時往往由于鹵水溶蝕了大量夾層中的雜質(zhì)而質(zhì)量下降，或因鹵水濃度達(dá)不到要求導(dǎo)致停產(chǎn)。不坍塌的溶腔頂板在得到初步支撐后，由于開采緩慢，頂?shù)装鍘r石繼續(xù)蠕變充填溶腔，使溶腔空間更小，僅限于邊部局部區(qū)域，溶腔頂板趨于穩(wěn)定。此時鹵水與頂?shù)装鍘r石大面積接觸，使鹵水中雜質(zhì)超標(biāo)或濃度達(dá)不到要求而停產(chǎn)。

圖5 大汶囗盆地采井溶腔形成-變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of formation and variation of dissolved cavity of collecting wells in the Dawenyu basin

4 結(jié)論

由于采鹽溶腔多用于儲藏油、氣及化學(xué)氣體等，所以對溶腔的研究也多集中在造腔地質(zhì)條件好，所形成溶腔較穩(wěn)定的地區(qū)。國內(nèi)江蘇金壇鹽礦區(qū)地質(zhì)條件較好，利用鹽腔進(jìn)行儲氣研究較早，并且已建成國內(nèi)首座儲氣庫，因此有關(guān)該礦區(qū)采鹽溶腔的研究成果較多。而像山東大汶口盆地這種多層薄層鹽礦區(qū)采鹽溶腔的研究較少。通過研究發(fā)現(xiàn)這種多層薄層鹽礦區(qū)雙井對流采鹽溶腔在溶腔形態(tài)、穩(wěn)定性及其發(fā)展變化等方面都具有不同的特點。

（1）大汶口盆地采用雙井對流生產(chǎn)，由于鹽層厚度薄，夾層厚度較大，且為以硬石膏巖、含硬石膏泥灰?guī)r、白云巖等為主的巖石，在溶鹽過程中難以形成上下多層貫通式溶腔。形成的溶腔高度低、長度大、橫截面為倒梯形，整個溶腔為一兩端寬窄不同的馬槽狀。這種溶腔穩(wěn)定性差，從其形成之日起，腔壁巖石在不斷的發(fā)生蠕變。

（2）溶腔頂板下沉是頂板巖石向下蠕變的結(jié)果，在重力的作用下，頂板向下蠕變量要較其它方向明顯增大。溶腔周圍巖石在一定的情況下，其蠕變速度主要與上覆巖石的圍壓與溶腔的內(nèi)壓之間的壓力差成正相關(guān)，壓力差增大，蠕變速度快速增加。一旦溶腔泄壓失去內(nèi)壓，腔壁圍巖發(fā)生蠕變的速度超乎想象。大汶口盆地采11～采12井溶腔頂板下沉（向下蠕變）量不小于3.9m。溶腔經(jīng)過了約10年的蠕變后，頂?shù)装鍘r石因蠕變上下相接。由此推測，頂板巖石向下蠕變速度平均1.07mm/d；底板巖石向上蠕變量約為2.1m。

（3）山東大汶口盆地這種多層薄層鹽礦區(qū)雙井對流采鹽溶腔，開采鹽層厚度小，夾層厚度較大，且?guī)r石較堅硬，在溶礦中不易崩解，因此在很長一段時間里，頂板不發(fā)生坍塌，溶腔不斷向兩側(cè)擴(kuò)展，不斷變寬。當(dāng)開采速度快，強(qiáng)度大，在較短時間里，頂?shù)装鍘r石蠕變量較小，溶腔寬度已達(dá)到極限跨距時，溶腔發(fā)生坍塌；而當(dāng)開采速度慢時，自溶腔形成之日起，頂?shù)装鍘r石便發(fā)生相向蠕變，使溶腔在垂直方向空間不斷變小，直至頂?shù)装鍘r石相接得到支撐，便不會發(fā)生坍塌。

（4）像山東大汶口盆地這種多層薄層鹽礦區(qū)雙井對流采鹽溶腔，部分采井開采速度緩慢，溶腔因頂?shù)装鍘r石長期蠕變而被充填，不發(fā)生坍塌，巔覆了以往的觀念，對類似巖鹽開采礦區(qū)的溶腔研究具有參考意義。