察爾汗鹽湖深部鹵水開采關(guān)鍵參數(shù)研究

謝 蓉,劉斌山,王羅海

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司,國家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心,青海鹽湖資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 格爾木 816000)

察爾汗鹽湖是一個以鉀為主,固液并存的大型鉀鎂鹽礦床[1],且共伴生礦種鎂、鈉、鋰、硼、溴、碘、銣、銫等自然資源儲量豐富。改進(jìn)并完善現(xiàn)有開采工藝、合理高效開發(fā)鹽湖鹵水資源是建設(shè)世界級鹽湖產(chǎn)業(yè)基地的根本保障。

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司所屬礦區(qū)自西向東劃分為別勒灘、達(dá)布遜、察爾汗三個區(qū)段。根據(jù)地質(zhì)資料統(tǒng)計,三個區(qū)段底板埋深大于12 m的深部鹵水礦層面積分別占各區(qū)段總面積的61%、60%、68%。在現(xiàn)有工藝條件下,可供直接開采的鉀資源多賦存于液相鹵水中,主要通過渠道開采和鉆井開采兩種方式采出,而在地表廣布的低品位固體礦則需通過溶解轉(zhuǎn)化技術(shù)液化后隨液體礦一并采出。然而渠采主要針對淺層鹵水的開采,由于受到挖掘設(shè)備的限制,一般的渠道開采深度可達(dá)到12～15 m,對于埋深12 m以下的鹵水采用渠道開采方式經(jīng)濟(jì)性差,相應(yīng)地鉆井采鹵便成為深部鹵水開采的首選方式。但因地層結(jié)構(gòu)差異較大、完井工藝設(shè)計不佳,采鹵鉆井在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)井口塌陷、井壁結(jié)鹽、碎屑層涌入井內(nèi)致使泥沙淤積等問題,導(dǎo)致鉆井在采鹵過程中供鹵能力不足,嚴(yán)重制約了深部鹵水開發(fā)。

為解決深部鹵水資源井采成井工藝這一核心問題,該研究在客觀認(rèn)識鹽湖特殊地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,選擇別勒灘這一典型區(qū)段開展試驗(yàn),研究得出成井工藝的最佳參數(shù),從而優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,保證采鹵鉆井的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1 察爾汗鹽湖資源賦存及分布特征

1.1 礦區(qū)鉀資源分布特征

礦區(qū)固體礦主要賦存在石鹽層中,特點(diǎn)是分布面積廣、層數(shù)多、礦層薄、品位低、儲量大,以別勒灘區(qū)段為主,儲量約占2/3。因其厚度小、在平面上不連續(xù)不能直接開采,只能通過液化后開采。固液轉(zhuǎn)化工程多采用渠道側(cè)滲方式補(bǔ)給溶劑,淺層固體鉀礦需要依賴礦區(qū)水位抬升才能進(jìn)行溶解,否則將會變成無法利用的“呆礦”。為保證資源最大化利用鹽湖資源和簡化開采流程,需優(yōu)先開發(fā)地表淺層固體鉀礦。

礦區(qū)液體礦主要分布在鹽層的孔隙中,根據(jù)富水性強(qiáng)弱,可以劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個含礦層。晶間鹵水的第Ⅰ含礦層,為出露地表的上部鹽層,孔隙大、富水性強(qiáng),單位涌水量30～84 L/s·m,是主要開采礦層。第Ⅱ含礦層包括中部鹽層和下部鹽層,膠結(jié)致密,富水性較差,單位涌水量僅為0.01～1.30 L/s·m。

1.2 礦區(qū)鋰資源分布特征

儲能材料和新能源的快速發(fā)展驅(qū)使鋰資源的合理高效開發(fā)成為鹽湖資源綜合利用和鹽湖企業(yè)未來發(fā)展的重要舉措。察爾汗鹽湖富鋰鹵水在平面上呈現(xiàn)西高東低的分布特征,主要賦存在別勒灘區(qū)段,其平均含量遠(yuǎn)高于最低工業(yè)品位(300 mg/L)。別勒灘區(qū)段氯化鋰平均值分別是察爾汗區(qū)段的5.2倍、達(dá)布遜區(qū)段的3.7倍(圖1)。在垂向上,氯化鋰資源呈現(xiàn)上低下高的分布規(guī)律(圖2)。

圖1 各采區(qū)LiCl品位圖Fig.1 LiCl grade map of each mining area

圖2 LiCl品位垂向分布圖Fig.2 Vertical distribution of LiCl grade

基于上述資源稟賦特征,為保證礦區(qū)淺層固體鉀礦的溶解開采的同時兼顧深部鹵水中鋰資源的開采,鹽湖企業(yè)在資源儲量豐富的別勒灘區(qū)段實(shí)行淺層采鉀、深層采鋰并行的開發(fā)方式。

2 深層鹵水開采特征

目前,晶間鹵水開采方式以渠道開采為主,鉆井開采為輔;然而由于深渠開挖速度慢、12m以下挖渠成本較高,而且深渠的廣布不利于固體鉀礦溶解轉(zhuǎn)化補(bǔ)水工程的長期安全運(yùn)行,渠道之間補(bǔ)給通道截斷[2]、不利于固體礦的廣泛溶解轉(zhuǎn)化;同時渠道裸露面積較大,靜態(tài)蒸發(fā)結(jié)晶嚴(yán)重,再加上鹵水的粘滯性,出鹵導(dǎo)鹵能力較低[3],清理難度較大,只能通過鉆井采鹵,才能實(shí)現(xiàn)深部鹵水資源的更大規(guī)模開發(fā)。

2.1 深部地層富水性差

別勒灘區(qū)段主采晶間鹵水主要賦存于石鹽沉積中,相鄰兩個石鹽沉積中間夾粘土、粉砂、細(xì)砂等湖積物質(zhì)。從全體看,第四系鹽類沉積物是比較松散的,但就鹽層本身來說,由于沉積年代和深度的差異,以及承受壓力的大小不同,鹽層膠結(jié)程度不一。松散程度最高和富水性最大的鹽層出露于地表,膠結(jié)堅硬、富水性差的鹽層埋藏最深。

2.2 鹵水流動和攪動過程易發(fā)生析鹽現(xiàn)象

在察爾汗鹽湖地區(qū),主要分布氯化物型鹽湖,少量鹽湖鹵水屬于硫酸鹽型,并未發(fā)現(xiàn)碳酸鹽型鹽湖。在別勒灘區(qū)段,潛晶間鹵水為高礦化鹵水(302.3～457.5 g/L),比重1.202～1.321 g/cm3,pH值8～9,水化學(xué)類型在別勒灘采區(qū)西部和南部邊緣、澀聶湖為硫酸鎂亞型鹵水,東北部邊緣分布有氯化物型鹵水。因鹵水水化學(xué)類型的影響和鹵水垂向組分的差異,飽和鹵水的流動和攪動以及鹵水溫度的變化使得鉆井采鹵過程中容易發(fā)生析鹽現(xiàn)象[4],在井壁、管道上形成厚層鹽垢,堵塞地層孔隙通道,導(dǎo)致涌水量受阻,也會堵塞泵的葉輪和進(jìn)出水管,使抽水泵運(yùn)行時長有限、效率低下。隨著工藝不斷進(jìn)步,井采工藝多通過改造設(shè)備和加入淡水來防止結(jié)鹽和清鹽,化學(xué)除鹽和物理除鹽(靜電、超聲波、磁力法等)方法因其高成本和高能耗而較少采用[5-6]。

2.3 井管受壓易變形

因鹵水埋藏深度大、深部鹵水密度大,井管所受壓強(qiáng)大,易發(fā)生變形,進(jìn)而影響采鹵井使用壽命。采鹵井的有效運(yùn)行還與資源開采過程密切相關(guān),在開采中可能形成開采溶腔,破壞巖土體原有的應(yīng)力均衡,應(yīng)力重分布會導(dǎo)致巖土層發(fā)生相對的位移變形,對井管產(chǎn)生擠壓變形[7]。此外,由于采輸鹵工程的需要或其他因素引起的采鹵井頻繁的起停,容易引起和加劇井下“水錘效應(yīng)”[8],使中心管與套管發(fā)生碰撞,也會加速中心管的變形。井管材質(zhì)耐壓強(qiáng)度低易受壓變形,耐壓強(qiáng)度高又影響生產(chǎn)成本,因此需優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高抗壓強(qiáng)度。

2.4 鉆井開采過程中易沉積碎屑物

由于表層碎屑沉積物結(jié)構(gòu)松散、富水性強(qiáng),井采過程中地層中碎屑物隨著地表水流動沉積至井底。鉆井采鹵過程中,前期使用的裸眼成井(單濾水管)工藝未做防砂固井裝置,沉積碎屑物在隨鹵水一并采出時流入采鹵井,導(dǎo)致碎屑物堵塞采鹵泵底閥,造成電機(jī)空轉(zhuǎn),燒毀設(shè)備。

3 試驗(yàn)獲取影響深部鹵水開采的關(guān)鍵參數(shù)

深部鹵水賦存條件特殊且自身礦化度高、比重高,開采難度大。但科學(xué)合理獲取關(guān)鍵參數(shù),因地制宜地提出相應(yīng)改善措施,同樣也可以提高深部鹵水可采率。試驗(yàn)在別勒灘區(qū)段設(shè)計施工5口新型采鹵井,圍繞深部鹵水資源鉆井開采成井工藝相關(guān)參數(shù)設(shè)計開展研究。

3.1 地層結(jié)構(gòu)決定井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)中心孔勘探情況,地面以下0～5 m地層巖性為粉細(xì)砂,因此處地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散極易塌陷,在新型采鹵井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取護(hù)壁管和鎂基凝膠劑涂層,阻止淺層鹵水?dāng)y碎屑層涌入井內(nèi)而導(dǎo)致井口塌陷;地面以下至井底地層粉砂與石鹽層交互分布,為精準(zhǔn)開采深層鋰資源,試驗(yàn)設(shè)計將濾水管約5～15 m處采用實(shí)管,15～55 m左右采用花管。

3.2 井壁除鹽可提高涌水量

為落實(shí)防結(jié)鹽目的,在雙濾水管之間設(shè)置淡水管線,模擬淡水除鹽試驗(yàn)。加淡水過多易破壞地層,導(dǎo)致塌陷,加淡水過少則除鹽效果差。以采鹵過程中采鹵流量持續(xù)衰減為時間節(jié)點(diǎn),利用加壓泵注入淡水,淡水注入量約為出鹵量的1%,以此獲取淡水除鹽加壓關(guān)鍵參數(shù)。

試驗(yàn)證明淡水加壓除井壁結(jié)鹽是有效的,但不同壓力下除鹽效果不同(圖3)。淡水加壓后,6 kg壓力淡水對井壁除結(jié)鹽效果一般,流量變化幅度小。而加注10 kg壓力淡水后,采鹵流量明顯變化且在72 h內(nèi)保持穩(wěn)定未衰減,平均流量227.5 m3/h,與采鹵井開始運(yùn)行時流量基本一致。因此,目前試驗(yàn)得出淡水加壓泵較優(yōu)壓力為10 kg。

圖3 不同壓力下除鹽效果對比圖Fig.3 Comparison of desalting effect under different pressures

3.3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計防止井管變形、井口塌陷

3.3.1 最佳開孔率可增強(qiáng)井管耐壓性

新型采鹵井井身結(jié)構(gòu)改變原來裸眼成井工藝,采取內(nèi)外雙層濾水管設(shè)置,外管依舊采用圓形濾水孔,內(nèi)管則確定為透水效果較佳且具備一定防砂能力的條式濾水管。試驗(yàn)對濾水管設(shè)置不同開孔率進(jìn)行單井穩(wěn)定流模擬抽水試驗(yàn),以此評價不同開孔率下濾水管的透水率,并觀察井管是否變形。最初實(shí)際加工后發(fā)現(xiàn),20%、25%、30%開孔率設(shè)定過大,極大削弱了管材的抗壓強(qiáng)度,導(dǎo)致前期試驗(yàn)中多個采鹵井出現(xiàn)井管變形的問題。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)(圖4),井的涌水量隨著濾水管開孔率的增大而增大,水躍值會隨著濾水管開孔率的增大而減小。因此,在保證濾水管管壁足夠強(qiáng)度的前提下,可適當(dāng)增大開孔率。涌水量和開孔率并非完全線性正相關(guān),9%～11%的開孔率范圍內(nèi),涌水量增加趨勢明顯,但11%～15%的開孔率范圍內(nèi),涌水量的變化不超過3.2%。開孔率與滲透系數(shù)的相關(guān)性也是如此,9%～11%的開孔率范圍內(nèi)滲透系數(shù)的增大趨勢明顯高于其在11%～15%的開孔率范圍內(nèi)的變化趨勢。相對而言,11%左右的開孔率效果較好。

圖4 開孔率與涌水量、滲透系數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Relationship between porosity and water inflow, as well as permeability coefficient

3.2.2 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計可防砂清淤

在雙濾水管中間以及外層濾水管與井壁之間充填礫石,若井體內(nèi)因溶蝕出現(xiàn)局部塌陷時,填埋礫石會自行補(bǔ)齊塌陷區(qū),從而加固井體,實(shí)現(xiàn)防塌目的。

試驗(yàn)設(shè)計在雙濾水管中間填埋兩種粒徑組合的礫石,一是雙層大礫石(直徑20～30 mm),二是內(nèi)小外大的礫石組合(大礫石直徑20～30 mm、小礫石直徑5～10 mm),并在井口以下20 cm處,埋5 cm厚中細(xì)砂,觀察不同粒徑礫石組合下雙濾水管的防砂過程。根據(jù)不同時間段沉淀在管內(nèi)的砂子重量,評價濾水管防砂能力。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)填埋雙層大礫石的濾水管中無結(jié)鹽,而在填埋內(nèi)小外大組合的小礫石表面有明顯結(jié)鹽,顆粒之間存在粘結(jié)成塊現(xiàn)象。根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示(表1),在相同開孔率下,出水量隨著濾料粒徑的增大而增大,抽水降深相應(yīng)減小,滲透系數(shù)和單位涌水量也隨濾料粒徑的增大而增大,因此雙層大礫石結(jié)構(gòu)防砂效果更好。

表1 不同填礫抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of pumping test data for different gravel filling

為防止未過濾掉的碎屑進(jìn)入井內(nèi)堵塞水泵進(jìn)水口,試驗(yàn)還優(yōu)化了采鹵泵結(jié)構(gòu),在濾水管底部設(shè)計沉砂管,并在水泵出水管處設(shè)置返流管,從返流管中噴射出的鹵水能夠?qū)⒊辽肮軆?nèi)的底部淤積沖散,進(jìn)而隨鹵水被及時排出。

4 結(jié)語

綜上,井身結(jié)構(gòu)經(jīng)過雙濾水管加持、開孔率調(diào)整、在雙濾管中填埋不同粒徑的礫石、定壓除鹽等措施的優(yōu)化,并配合外部鎂基凝膠加固,實(shí)現(xiàn)采鹵井穩(wěn)定運(yùn)行超過12個月,有效開發(fā)了深部鹵水資源。但試驗(yàn)尚存在需要完善的地方,后期可通過擴(kuò)大開孔率試驗(yàn)、改變?yōu)V水管的纏絲方式(橋式、條式、纏絲)、模擬不同地層特征下參數(shù)的適用性等進(jìn)一步井身優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,以期最大程度開發(fā)利用深部鹵水資源。