山東省泰安市大汶口地區(qū)巖鹽礦開發(fā)利用相關問題探討

摘要：大汶口盆地內巖鹽資源豐富，開發(fā)利用始于20世紀90年代，根據巖鹽層賦存特征、礦石質量特征，盆地內巖鹽采用鉆井水溶法采礦。本次以巖鹽開采方式為研究對象，基于巖鹽開采現(xiàn)狀調查，分析生產中鹵水滲漏、堵井事故的產生原因及處理方式。通過分析，認為巖鹽鉆井水溶開采中，通過加強井組技術參數(shù)的研究可有效提高資源利用率，生產中通過選擇高質量套管、提高固井質量、加強生產管理及監(jiān)控等，可有效預防生產事故的發(fā)生。

關鍵詞：大汶口盆地；巖鹽礦；開發(fā)利用；水溶開采；山東省泰安市

中圖分類號：P619.211????文獻標識碼：A????doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.002

引文格式：郝瑞娥.山東省泰安市大汶口地區(qū)巖鹽礦開發(fā)利用相關問題探討［J］.山東國土資源，2024，40（2）：914. HAO Rui'e. Discussion on Development and Utilization of Rock Salt Deposits in Dawenkou Area in Tai'an City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：914.

0?引言

魯西地區(qū)受區(qū)域構造活動影響，形成了自東向西展布的蒙陰凹陷、汶東凹陷、大汶口凹陷。受控于區(qū)域構造格架，大汶口盆地在豐富的物質補給來源、炎熱干燥的氣候條件下，形成了巨厚的蒸發(fā)巖沉積建造，其形態(tài)為極緩傾的箕狀斷陷盆地，盆地內巖鹽、石膏資源豐富，累計查明巖鹽資源量約75億t［13］。

依托于豐富的巖鹽資源，盆地內巖鹽礦開采始于20世紀90年代，至今已有30多年歷史。隨著巖鹽開采工藝的發(fā)展，目前巖鹽開采采用鉆井水溶法井組定向井連通工藝開采，鹵水采用管道封閉運輸方式。生產中，堵井、鹵水滲漏等問題不僅影響巖鹽開發(fā)利用，同時可能產生一系列地質環(huán)境問題。本文以大汶口盆地內巖鹽礦開發(fā)利用為出發(fā)點，探討巖鹽開采利用中的各類生產事故，并結合巖鹽開發(fā)方式分析產生原因，提出事故預防及處理建議，以促進巖鹽資源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調發(fā)展。

1?地質礦產特征

1.1?礦床地質

大汶口盆地是在古生界基底基礎上發(fā)育的中、新生代斷陷盆地，區(qū)域地層為新太古代泰山巖群、寒武奧陶系、石炭二疊系、古近系、新近系、第四系［45］。盆地受外圍南留弧形斷裂、王莊斷裂和故縣店斷裂控制，內部受NW、NE向同生斷裂切割，其不均衡活動改造著盆地的生成和發(fā)展，形成一系列次一級的構造洼地和構造凸起（圖1）［6］。根據盆地剩余重力異常特征及鉆探揭露情況，盆地西部東向洼地內發(fā)育巨厚古近紀官莊群大汶口組，該組是重要的巖鹽礦賦礦地層。盆地歷經多次巖鹽礦、石膏礦勘查，查明盆地內巖鹽礦分布面積約50km2，整體呈一個巨大的透鏡體狀。根據成鹽期不同階段和不同的鹽類組合，盆地內含鹽系可劃分為32個韻律段，即自下而上發(fā)育的32個巖鹽礦層［7］，礦層呈單斜層狀，延伸穩(wěn)定，產狀與賦礦地層基本一致，走向NEE，傾向320°～340°，傾角4°～6°。單層厚度0.44～16.53m，單孔累計見礦最大厚度171.63m，巖鹽礦層與石膏層互層［8］。盆地內古近系含鹽系沉積整體呈現(xiàn)東部淺、西部深的趨勢，東部漕河涯礦段頂板埋深750～890m，西部東向礦段頂板埋深840～1100m，礦層賦存深度為750～1800m，含礦帶厚度約沉積中心位于濟河堂村ZK8、肥鉀3孔附近［9］。

1.2?礦石質量特征

大汶口盆地巖鹽礦石主要為白色、茶色塊狀石鹽礦石，呈中粒狀、中粗粒結構，塊狀構造（圖2）。礦石礦物以NaCl為主，含量較高一般為75.63%～97.29%，平均為86.60%，其次為鈣芒硝、雜鹵石、石膏等。礦層頂?shù)装鍨榛野咨彩嗟V、泥灰?guī)r、泥巖等，礦層與圍巖界線明顯，局部礦層見1～2m硬石膏質夾層。

根據巖鹽礦礦石鹽類水溶性能試驗結果，在20℃恒溫條件下，巖鹽礦石側溶溶蝕最大平均速度為5.9～14mm/h，側溶角為27°～45°。上溶溶蝕最大平均速度為2.6～17.6mm/h，溶蝕速度隨著鹵水濃度升高逐步降低。水不溶殘渣顆粒以＜0.1mm者居多，占57.09%；0.1～2mm的次之，占36.15%；＞2mm的占6.76%，且其沉降速度隨鹵水濃度的升高而趨于緩慢。根據水溶試驗結果，巖鹽礦石易溶于水，適宜于鉆井水溶法開采。

1.3?開發(fā)利用現(xiàn)狀

大汶口盆地的巖鹽開采已有30多年歷史，巖鹽開采區(qū)集中在岱岳區(qū)李家大坡村至肥城市邊院鎮(zhèn)張莊村一帶，目前設置有采礦權10處，現(xiàn)集中開采區(qū)面積達20km2。礦山前期采用單井對流采鹵法、壓裂法開采，2000年后逐步采用井組定向井連通采鹵法采鹵。盆地內現(xiàn)有生產井160多口，其中30多口廢棄井。根據調查井組定向井連通采鹵法采鹵井技術參數(shù)如下：

井組注水流量：80～90m3/h;

井組回鹵流量：70～85m3/h;

鹵水質量：NaCl含量（300±5）g/L，CaSO4≤5g/L;

注水壓力：3.0～4.0MPa;

注采比：1∶0.85～1∶0.95;

鹵井壽命：15年。

2?開采方式與開采工藝

2.1?開采方式

目前國內巖鹽礦的開采方式主要有：旱采、硐室水溶開采、鉆井水溶開采等多種方法。大汶口盆地巖鹽深埋地下，上覆地層為泥灰?guī)r、石膏巖穩(wěn)定性好，根據礦石鹽類水溶性能試驗結果，巖鹽礦石溶蝕速度快，水不溶殘渣少，較適宜于鉆井水溶法開采。鉆井水溶法技術成熟可靠，產能大，井下事故少，井組服務年限長，回采率高，是目前廣泛采用的地下深埋巖鹽礦的采礦法。

根據對盆地的調查，大汶口盆地巖鹽礦自開采以來，一直選擇鉆井水溶法進行巖鹽礦開采。

2.2?采鹵工藝

地下巖鹽礦鉆井水溶法開采有單井對流法、壓裂法、井組對接井聯(lián)通采鹵法等多種開采工藝，各開采工藝特點如下：

單井對流法：生產過程為施工1口采鹵直井，在完井的井壁管內部下入中心管，淡水經中心管注入井底溶解巖鹽礦石，形成鹵水后從兩層套管的環(huán)形空間返回地面，完成巖鹽礦開采。單井對流溶蝕空間小，因鹽類礦石上溶速度較測溶速度大，單井對流中頂板暴露面積大易造成頂板垮塌。因此單井對流工藝簡單、操作容易、投資小、見效快，但產鹵能力低，特別在多薄層巖鹽礦開采中安全生產期短，井下事故多［10］，適宜于布設于無法形成連通井組和無法布置對接井組的地段，生產中溶腔空間不宜過大。

壓裂法：生產過程為施工2口采鹵直井，利用高壓泵提高淡水的壓力，通過壓力壓至巖鹽礦層破壞出現(xiàn)裂隙并延伸至另一鹽井，完成2口采鹵井的壓裂連通，1口井注淡水另一口連通井出鹵，完成巖鹽開采。壓裂法適宜于礦層、夾層為多個互層且分界明顯、層理性好，埋深大于400m，無破碎、斷裂構造區(qū)域。壓裂法井下溶蝕通道建立速度快，鹵水產量高，但生產中壓裂方向、連通方向難控制，壓裂過程易造成開采鹽層裂隙多，夾層膨脹［11］，溶蝕通道雜亂，薄層頂?shù)装迨芨邏阂灼茐模赡芘c深層地下水發(fā)生水力聯(lián)系，生產后期安全性難以保障，嚴重時可導致鹵井報廢。

井組定向井連通采鹵法：采鹵井施工中逐步引入石油開采的定向井對接技術，實現(xiàn)直井和水平井在首采層直井對接連通，發(fā)展成井組定向井連通采鹵工藝。該工藝先施工一口直井，并在直井底部建鹽槽（溶腔），后施工一水平井直接與直井鹽槽對接連通，水平井上部仍為直井在適當位置定向并與目標鹽槽對接［1213］。生產中直井注水水平井出鹵，完成直井-水平井連通采鹵（圖3）。該工藝建井成本高，但井組壽命周期長，鹵水產量高，溶蝕通道長，控礦量大，資源利用率高，生產管理簡單，是目前較為提倡的生產工藝。

大汶口盆地內巖鹽開采始于20世紀90年代，先期采用單井對流法和壓裂法，該2種工藝方法存在采鹵能力低、成本高、井內事故多、回采率低、鹵水溶解度不穩(wěn)定、修井任務大、環(huán)境污染大等弊端［1415］，2000年后逐步被淘汰，選用井組定向井連通采鹵法采鹵。

大汶口盆地內巖鹽礦層埋深大于700m，巖鹽礦層與石膏互層發(fā)育，礦層頂板為石膏，頂板力學性質較高，裂隙不發(fā)育，巖體完整性好，單層巖鹽礦厚度為0.44～16.53m。經盆地內巖鹽開采實踐經驗證明，較適宜于采用井組定向井連通采鹵工藝開采，目前該開采工藝已成為大汶口盆地巖鹽開采的首選工藝。

2.3?對接井組技術參數(shù)的選擇

鉆井水溶法開采地下巖鹽礦，其主要的生產系統(tǒng)為采鹵連通井組，其中采鹵井井深（即首采層）、井組布設參數(shù)等是影響礦床開發(fā)資源利用的主要技術參數(shù)。

2.3.1?首采層及井深的確定

鉆井水溶法采礦主要依靠淡水對巖鹽礦的溶蝕作用，實現(xiàn)礦層自下而上的開采。溶采直徑較大時，各上下巖鹽礦層的連通主要依靠頂板非礦夾層石膏層的自然垮塌，因此對首采層與上部各巖鹽礦層間隔較小，要滿足巖鹽開采后能依靠自然垮塌融通上部鹽層。同時，巖鹽礦層開采時需進行直井底部的建槽以滿足對接井的水平對接精度，一般要求對接靶區(qū)具有不小于半徑2m的建槽溶腔，因此需要首采層具有一定的厚度［16］，一般要求最低4.0m。

大汶口盆地內巖鹽礦層單層厚度0.44～16.53m，巖鹽沉積中盆地東部底部礦層發(fā)育，盆地西部上部礦層發(fā)育，盆地內發(fā)育的32個巖鹽礦層中7、15、21、23、25、27為主礦層。根據歷年勘查結果，底部1～6礦層發(fā)育不穩(wěn)定，分布面積小，厚度小，開采經濟價值低，不宜作為首采層。7巖鹽礦層分布面積約46.7km2，分布面積大，厚度約為1.92～10.14m，僅個別鉆孔揭露小于4m，平均厚度為7.07m（圖4）。7層巖鹽礦距離上覆8層巖鹽礦間距為5.64～12.16m，平均7.41m（表1），在7層巖鹽礦溶解的情況下，可通過上覆地層的壓力實現(xiàn)間隔石膏夾層的垮塌，連通后自然溶蝕上部8層巖鹽礦。

結合大汶口盆地巖鹽礦層埋深較大，上覆隔水層厚度大的發(fā)育特征［17］，盆地內巖鹽礦鉆井水溶法開采宜選擇7層巖鹽礦作為首采層，采鹵井施工中在7層鹽底板上部1.5m建槽對接。

2.3.2?連通井組布設

井組布設方位：布井中充分考慮鹵水比重分異原理，即底部鹵水濃度最高，往上呈指數(shù)遞減，頂部濃度最低［18］，因此一般在井組布設中多將井組沿礦層傾向布設，注水直井布設于傾向下方，出鹵水平井布設于傾向上方。大汶口地區(qū)巖鹽礦層走向NEE，傾向320°～340°，傾角較緩，因此選擇將水平井布設于南部，直井布設于北部，井組呈NWW方向。

生產中因水平井出鹵通道中鹵水濃度高，且采鹵井底部溫度高，巖鹽溶解度大，回鹵過程中因鹵水提升溫度降低、巖鹽溶解度減小而致巖鹽結晶堵塞通道，同時不溶于水的夾石易在水流作用下形成“葫蘆頸”堵塞［19］，企業(yè)需進行定期倒井，即水平井注水，直井回鹵，達到反沖洗和調整鹵水濃度的目的。

井間距：連通井組的直井—水平井的井距是影響資源利用率的關鍵因素，在井組溶蝕半徑一定的前提下，加大井距能增加水平段溶腔的長度，提高回采率，但也會因長度的增大導致溶腔在上覆鹽層的壓力下塑性收縮變小，進而造成井組堵塞事故，同時井距大，建井周期長、成本高。相反，井距小，溶蝕通道管，淡水溶解巖鹽時間短，易造成產出鹵水濃度低，回采率低，造成資源浪費。綜合考慮，大汶口地區(qū)巖鹽多薄層，埋深大，根據現(xiàn)狀調查井間距宜控制在250～400m。

井組排距：井組排距指相鄰兩對對接井之間的間距，大汶口盆地巖鹽礦為多薄層，巖鹽礦與石膏礦互層發(fā)育，根據調查一般設計采鹵井的溶蝕半徑為50m，為防止兩相鄰井組溶腔串通，同時又充分利用巖鹽資源，滿足巖鹽開發(fā)利用回采率指標要求，一般井組排距為200m。

3?開發(fā)利用中相關問題及處理方法

巖鹽開采的產品為鹵水，一般NaCl含量≥295g/L，鹵水質量滿足生產要求，生產中主要問題為堵井事故及生產過程中鹵水的滲漏。

3.1?堵井事故

采鹵井生產中堵井事故主要為結晶堵、“葫蘆頸”砂堵［20］。

結晶堵是因溶腔深埋地下，受地溫梯度的影響，底部溫度高鹵水溶解度大，鹵水回鹵提升中溫度降低，鹵水溶解度變小，易在回鹵通道中采鹵井管壁形成結晶而堵塞通道［2122］。大汶口地區(qū)，現(xiàn)存采鹵井深度多為800～1300m，根據地溫梯度測算，礦層與地面溫度差約30℃，對接井生產中降溫速率小，經測量盆地內回鹵井鹵水溫度為40℃左右，受不同溫度條件下NaCl溶解度變化，導致回鹵中易在井壁鹽結晶。

砂堵主要因斜井段為裸眼鉆進，一般采用φ152mm的小鉆頭，斜井段不可避免的交替切割夾層與鹽層，夾層不溶于水，受注水壓力變化及頂板大面積垮塌等影響，殘渣易隨水流進入溶蝕通道，發(fā)生砂堵［23］。

生產中堵井事故發(fā)生后，造成注采比顯著降低，或注采流量顯著減小等生產現(xiàn)象。結晶堵主要發(fā)生在回鹵斜井中，生產中常采用水平井注水直井出鹵倒井的方法，沖淡斜井鹵水濃度，以減少結晶堵，或小鉆頭掃井清除結晶體，但掃井中易造成井壁管損傷。針對砂堵現(xiàn)象，生產中多通過注水憋壓、泄壓，形成溶腔內動蕩水流以疏通溶蝕通道。

3.2?鹵水滲漏

巖鹽開采中原材料為淡水，產品為鹵水，生產過程中的環(huán)境影響因素為鹵水滲漏。鹵水滲漏可造成地下水資源、土地資源污染，土壤鹽堿化等一系列地質環(huán)境問題［24］，同時腐蝕性Cl可降低建、構筑物的安全性和耐久性［25］。根據調查，周邊地下水pH變化范圍為6.8～7.8，平均值為7.39，呈中—弱堿性，其中Cl平均質量濃度為492.56mg/L［2627］，因此應在生產中引起足夠重視。

巖鹽采用鉆井水溶法，采用管道運輸方式，整個生產過程均為管道密閉狀態(tài)，鹵水的滲漏原因主要為采鹵井的泄露、管道的“跑、冒、滴、漏”。

采鹵井泄露首先為采鹵井質量問題造成采鹵井破損泄露，其次為廢棄采鹵井未封閉，造成鹵水噴涌。

采鹵井的質量主要受H2S氣體、采鹵井套管質量、采鹵井固井質量、采鹵井的使用年限等因素影響。大汶口盆地內巖鹽礦層中含有H2S氣體，H2S對井管有強腐蝕性，易造成井管的穿孔。盆地內采鹵井套管多采用φ177.8mm×8.09mm石油套管，套管的厚度及套管質量等因素是影響采鹵井質量及使用壽命的重要因素，根據調查一般采鹵井的安全使用壽命為15年，超服務年限后應密切關注鹵井套管質量，施工中應選擇高質量套管以延長鹵井的使用壽命。同時，固井質量的好壞，直接影響采鹵井的使用壽命。生產中固井應選擇油井水泥，施工時水泥漿從井筒底部注入返出地表完成全井段固井，固井后進行20MPa試壓監(jiān)測及聲幅測井，以檢查固井質量，確保套管與鉆孔間充滿水泥，完全阻隔鹵水順套管外上涌。廢棄采鹵井井管可溝通溶腔與地表，在未封閉或封閉質量差的條件下，受底部溶腔內鹵水壓力過大的情況下，可能發(fā)生井口鹵水噴涌，污染周邊環(huán)境。

管道的“跑冒滴漏”，主要為管道接頭不嚴密及管道受鹵水腐蝕所致。生產中管道應選擇抗腐蝕好的無縫鋼管并埋地敷設，在施工中做好外防腐，提高管道質量及使用壽命。同時，采鹵中建立管道巡查制度，并密切監(jiān)視生產壓力、流量數(shù)據，以便及時發(fā)現(xiàn)鹵水滲漏并修復。

因此，巖鹽開采中合理選擇生產套管、保證固井質量可延長鹵井使用壽命，減少采鹵井事故。加強制度建設，完善礦山管理及管道巡查制度，進行生產壓力、流量、濃度的科技管控，對廢棄采鹵井及時封堵，可有效預防堵井及鹵水滲漏事故的發(fā)生。

4?結論

（1）大汶口巖鹽礦深埋地下，結合巖鹽礦石的質量特征，較適宜于采用鉆井水溶法井組定向井連通采鹵工藝開采地下巖鹽礦。

（2）巖鹽礦開發(fā)利用中應結合巖鹽發(fā)育規(guī)律布設井組，并合理選擇首采層、井間距、井組排距等井組技術參數(shù)，以提高巖鹽資源利用率。

（3）采鹵井施工中應選擇高質量套管，提高固井質量，延長采鹵井使用壽命，提高礦山經濟效益。

（4）礦山開采中應加強巖鹽礦生產管理，實施數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，對生產中壓力、流量數(shù)據進行實時監(jiān)控，對廢棄井進行規(guī)范化封井，可有效預防堵井、鹵水泄露等事故的發(fā)生。完善礦山管道巡查制度，做到及時發(fā)現(xiàn)及時處理，有效保護生態(tài)環(huán)境。

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Discussion on Development and Utilization of Rock Salt Deposits in Dawenkou Area in Tai'an City in Shandong Province

HAO Rui'e

（Shandong Geological Exploration Institute of General Administration of Geology and Mines of China National Chemical Corporation， Shandong Tai'an 271000， China）

Abstract：The rock salt resources in Dawenkou basin are abundant. The exploration and utilization of rock salt began in 1990s. According to the occurrence characteristics of rock salt layers and the characteristics of ore quality， ?rock salt in the basin have been explored by using drilling water solution method. In this paper， focusing on the mining method of rock salt， based on the investigation of present situation of rock salt mining， the origins and treatment methods of brine leakage and well blockage accidents in production have been analyzed. It is believed that strengthening the study of well group technical parameters can effectively improve resource utilization in rock salt drilling and water solution mining. In production， selecting high quality casing， improving cementing quality， strengthening production management and monitoring can effectively prevent the occurrence of production accidents.

Key words：Dawenkou basin; rock salt deposit; development and utilization; water-soluble mining; Tai'an city in Shandong province