應(yīng)用空氣驅(qū)動技術(shù)增大采鹵井出鹵量的試驗研究

摘要：羅布泊鹽湖區(qū)的W2～W4承壓鹵水礦層存在孔隙率低、富水性差等問題，造成采鹵井的出鹵量小。通過空氣驅(qū)動技術(shù)于羅北凹地1～15采鹵井處進行空氣驅(qū)動試驗，分別在輸壓注氣前后進行同降深的抽水試驗。注氣過程中，注入的高壓空氣在1～15采鹵井與氣驅(qū)輔助孔之間形成運移通道，能夠在一定程度上改善氣驅(qū)輔助孔周邊弱結(jié)構(gòu)地層的連通性。根據(jù)試驗結(jié)果，提出相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化措施，為增大羅布泊鹽湖區(qū)單井出鹵量提供了工程化應(yīng)用依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鹵水礦層；空氣驅(qū)動技術(shù)；采鹵井出鹵量；抽水試驗

中圖分類號：TD871.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0044-04

Experimental Study on Increasing Water Inflow of Brine Wells by

Air-Driven Technology

WAN Dong1， ZHAO Liangliang2， QIN He2， CHEN Lishi1， MA Baocheng2

（1. Chonfar Engineering and Technology Co.， Ltd.， Changsha 410000， China;

2. SDIC Xinjiang Luobupo Potash Co.， Ltd.， Hami 839000， China）

Abstract： The W2～W4 pressurized brine layers in the Lop Nur Salt Lake area have problems such as low porosity and poor water yield， resulting in low brine production from brine wells. Air-driven technology is carried out at 1～15 brine well in Luobei mining area by air-driven technology， then pumping tests are carried out at the same drawdown before and after gas injection. In the process of gas injection， the injected high pressure air forms a migration channel between 1～15 brine well and the gas drive auxiliary hole， which has a certain improvement effect on the connectivity of the weak structure strata around the gas drive auxiliary hole. Based on the experimental results， the optimization measures for relevant process parameters are proposed， providing an engineering application basis for increasing inflow of brine wells in the Lop Nur salt lake area.

Keywords： brine layer; air-driven technology; halogen inflow of brine well; pumping test

目前，羅布泊鹽湖區(qū)的主要開采對象為W1潛鹵水礦層，方式為井采，采鹵井沿內(nèi)部輸鹵渠布置，采鹵井中的鹵水經(jīng)潛鹵電泵抽至內(nèi)部輸鹵渠[1]。經(jīng)過多年的大強度開采，羅北W1鹵水礦層水位下降約15 m，礦層厚度僅余約6 m。W1潛鹵水礦層開采完成后，礦山的主要開采對象將變成羅北W2～W4礦層[2]?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)表明，由于礦區(qū)深部承壓鹵水礦層孔隙率低、富水性差，深部承壓鹵水礦層采鹵井的單井出鹵量遠小于W1潛鹵水礦層單井出鹵量[3]，個別孔的出鹵量相差一個數(shù)量級。如果仍采用現(xiàn)有的采鹵系統(tǒng)與開采方法，采鹵工程采鹵量將無法滿足采鹵規(guī)模要求，即使補充更多的采鹵井，也很難維持較大的生產(chǎn)規(guī)模[4]。因此，增大采鹵工程出鹵量的采礦方法是重大技術(shù)難題[5]，需盡快開展研究工作。利用地面空壓機向輔助井內(nèi)輸送高壓空氣，在高壓空氣的作用下，提高地下鹵水的徑流速度[6]，并擠壓孔隙，迫使孔隙內(nèi)的細粒碎屑（鹽屑、砂等）隨高流速地下鹵水一同進入采鹵井，最終排出采鹵井，擴充目標含水層的孔隙度，改善目標含水層的孔隙連通情況，增強鹵水徑流條件，達到增加采鹵井出水量的目的。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于羅布泊鹽湖區(qū)1～15采鹵井附近，研究區(qū)地層在100 m以淺劃分為全新統(tǒng)（Q4）新湖組、上更新統(tǒng)（Q3）羅北組，巖性主要為鈣芒硝、石膏、細砂，隔水層為鈣芒硝黏土。根據(jù)鹵水層的賦存條件，可劃分4個含水層，分別為W1晶間孔隙潛水含水層、W2～W4晶間承壓含水層組。

1.1 W1晶間孔隙潛水含水層

W1含水層靜水位埋深為12.47 m，底板埋深為33.30 m，含水層巖性為鈣芒硝，呈灰白色、深灰色、青灰色、黑灰色，以中粗晶為主，含水層厚14.13 m，鹽溶孔隙較發(fā)育，孔隙率一般為10%～60%。底板巖性為黃褐色、淺灰色、灰綠色鈣芒硝黏土層，鹽質(zhì)膠結(jié)，孔隙連通性差，厚度為9.52 m。

1.2 W2～W4晶間承壓含水層組

W2～W4含水層分布深度為42.82～80.47 m，含水層組總厚度為18.44 m，孔隙度為10%～70%，含水層巖性為鈣芒硝，呈灰白色、深灰色、青灰色、灰綠色、黑灰色，以中粗晶為主，各分層含水層之間的連通性差。W2頂板巖性為黃褐色、淺灰色、灰綠色鈣芒硝，鹽質(zhì)膠結(jié)，頂板埋深為42.82 m。W4底板巖性為淺灰色、深灰色鈣芒硝黏土層，鹽質(zhì)膠結(jié)，孔隙不發(fā)育，W4底板埋深為94.17 m。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗方法

在1～15采鹵井附近布置1口輔助井、1口觀測井。首先，應(yīng)用潛水泵在1～15采鹵井中開展原始抽水試驗獲取1～15采鹵井的出水量；其次，在輔助井中應(yīng)用空壓機向地層里持續(xù)注入高壓空氣，同時在抽水井處抽水，引導(dǎo)注入的高壓空氣向采鹵井處運移，提高地下鹵水的徑流速度，并擠壓地層孔隙，驅(qū)動孔隙內(nèi)細粒碎屑（鹽屑、砂等）隨高流速地下鹵水一同進入采鹵井中，最終隨著鹵水一起排出采鹵井；再次，在確保注氣時間足夠久、抽水井和輔助注氣井間已貫通的情況下，停止注氣；最后，待水位恢復(fù)穩(wěn)定后，再進行等降深的對照抽水試驗，記錄前后兩次抽水試驗的涌水量值，研究分析采鹵井出水量增幅效果。試驗設(shè)備安裝如圖1所示。

2.2 試驗井井身結(jié)構(gòu)

試驗井由1口采鹵井（1～15）、1口輔助井（FZK）和1口觀測井（GCK）組成，3口井位于同一直線上。其中，輔助井距采鹵井80 m，觀測井位于輔助井與采鹵井之間，距采鹵井20 m。

2.2.1 1～15采鹵井

井深95 m，深度0～35 m的井徑為1 000 mm，深度35～95 m的井徑為800 mm，全段下置濾水管，單個篩孔的孔徑為20 mm，孔隙率為20%～30%。

2.2.2 觀測井

井深85 m，深度0～38 m的井徑為350 mm，下入166 mm×6 mm的無縫鋼管，管外采用水泥砂漿止水，管口安裝壓力表并密封；深度38～85 m的井徑為150 mm，下入110 mm的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）濾水管，管外不填礫。

2.2.3 輔助井

井深85 m，深度0～38 m的井徑為350 mm，下入166 mm×6 mm的無縫鋼管，管外采用水泥砂漿止水，管口安裝壓力表并密封，空壓機送風(fēng)管從管口密封圈中間穿過后進入孔內(nèi)；深度38～85 m的井徑為150 mm，裸孔。

3 現(xiàn)場試驗成果

3.1 原始抽水試驗

注氣之前，在1～15采鹵井中進行1組抽水試驗，共完成3個落程，降深順序由小至大，抽水類型為多孔穩(wěn)定流。如表1所示，小落程、中落程、大落程涌水量分別為54.38、70.30、85.83 m3/h；單位涌水量分別為5.26、3.57、2.77 m3/（h·m）；采鹵井降深分別為10.33、19.68、30.95 m；觀測井降深分別為1.50、2.30、3.01 m；輔助井降深分別為0.64、0.92、1.06 m。

3.2 空氣驅(qū)動試驗

空氣驅(qū)動試驗是從輔助井向地層持續(xù)注入高壓空氣，同時在采鹵井處抽水，引導(dǎo)注入的高壓空氣向采鹵井運移?？諝怛?qū)動試驗分3組完成，注氣輸送壓力分別為1.0、2.0、3.0 MPa，由低到高逐步實施。注氣初期，采鹵井抽取的鹵水泥沙含量較高，鹵水呈灰黑色，采鹵井周邊地層中的碎屑物被高壓空氣驅(qū)動至采鹵井內(nèi)并被抽出，輔助井和觀測井井口壓力逐步增大。當(dāng)采鹵井抽出的鹵水達到水清砂凈并持續(xù)5 h后，停止注氣，終止試驗。

空壓機注氣壓力為1.00 MPa時，輔助井井口最終壓力為0.50 MPa，觀測井井口最終壓力為0.31 MPa；空壓機注氣壓力為2.00 MPa時，輔助井井口最終壓力為0.72 MPa，觀測井井口最終壓力為0.37 MPa；空壓機注氣壓力為3.00 MPa時，輔助井井口最終壓力為1.15 MPa，觀測井井口最終壓力為0.49 MPa。

3.3 對照試驗數(shù)據(jù)

完成空氣驅(qū)動試驗之后，在1～15采鹵井中進行1組抽水試驗，共完成3個落程，降深順序由小至大，抽水類型為多孔穩(wěn)定流。如表2所示，小落程、中落程、大落程出水量分別為62.75、83.24、105.46 m3/h；單位涌水量分別為6.07、4.23、3.41 m3/（h·m）；采鹵井降深分別為10.33、19.68、30.95 m；觀測井降深分別為1.63、2.46、3.19 m；輔助井降深分別為0.45、0.76、0.88 m。

3.4 涌水量增大效果分析

根據(jù)注氣前后的抽水試驗數(shù)據(jù)，分析3個落程對應(yīng)的采鹵井單位涌水量的增幅效果。由表1和表2可知，相同降深情況下，小落程、中落程、大落程的采鹵井單位涌水量增幅為15.39%、18.41%、22.87%。通過向距采鹵井80 m的輔助井內(nèi)注入高壓空氣的手段，使地層孔隙中的碎屑物發(fā)生剪切滑動并被抽出至地表，從而改善目標含水層的孔隙連通性，最大可使采鹵井單位涌水量增幅22.87%。

4 工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)試驗原理及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可知，影響采鹵井單位涌水量增幅效果的因素較多，主要為輔助井?dāng)?shù)量、驅(qū)動距離（輔助井與采鹵井間距離）、驅(qū)動壓力（輔助井井口壓力）。

輔助井?dāng)?shù)量主要影響驅(qū)動范圍，進而影響采鹵井周邊地層滲透性能的改善范圍。例如，驅(qū)動距離較遠，經(jīng)高壓空氣驅(qū)動后排出的碎屑顆粒無法運移至采鹵井處，反而會堵塞采鹵井更近距離范圍內(nèi)的地層孔隙；驅(qū)動壓力較小，則無法攜帶碎屑顆粒運移。

4.1 輔助井?dāng)?shù)量

試驗僅通過1口輔助井向地層內(nèi)注入高壓空氣，并利用采鹵井抽水引導(dǎo)高壓空氣向采鹵井處運移，最有效的地層改善范圍為采鹵井和輔助井之間的條帶狀區(qū)域，因其地層改善范圍有限，涌水量增幅效果較小。此外，由于地層滲透性能的各向異性特征，不同方位的地層差異性較大，單個輔助井獲得的研究成果代表性偏低。因此，在進行空氣驅(qū)動技術(shù)的工程化應(yīng)用時，建議在采鹵井周邊最少設(shè)置3口輔助井，呈不同方位布設(shè)，以擴大地層滲透性改善范圍并減小地層的各向異性特征對試驗效果的影響。

4.2 驅(qū)動距離

由表1和表2可知，在注氣后的3個采鹵井抽水落程中，輔助井降深較注氣之前分別減小0.19、0.16、0.18 m；觀測井降深較注氣之前分別增大0.13、0.16、0.20 m。觀測井降深增大屬于正?，F(xiàn)象，表明注氣后地層孔隙連通性得到有效改善，地下水徑流速度變大，抽水影響半徑增大，從而導(dǎo)致單位涌水量增大。而輔助井降深變小的現(xiàn)象表明，注入高壓空氣對于輔助井周邊弱結(jié)構(gòu)地層滲透性有一定的改善效果，但其改善范圍有限，即越遠離輔助井改善效果越弱，當(dāng)輔助井與采鹵井的距離偏大時，無法將地層孔隙中的碎屑全部攜帶至采鹵井內(nèi)，而是僅攜帶至輔助井與觀測井之間的地帶。因此，空氣驅(qū)動技術(shù)工程化應(yīng)用中，在驅(qū)動壓力的情況下，輔助井與采鹵井的距離應(yīng)小于60 m。

4.3 驅(qū)動壓力

通過輔助井向地層內(nèi)注入高壓空氣過程中，輔助井與觀測井的井口壓力明顯增大，但觀測井井口壓力約為輔助井井口壓力的42%～62%。結(jié)果表明，注入地層中的高壓空氣經(jīng)輔助井運移至觀測井時，壓力衰減較多，平均衰減約52%，大部分向輔助井周邊地層中逸散。為保障觀測井處的地層孔隙疏通效果，需增大輔助井井口注氣壓力，使高壓空氣運移至觀測井后仍對地層保持良好的驅(qū)動、擠壓效果。根據(jù)輔助井井口壓力和壓力平均衰減系數(shù)，可推算輔助井井口不宜小于2.21 MPa。

5 結(jié)論

通過向采鹵井周邊地層注入高壓空氣的手段，可使孔隙內(nèi)細粒碎屑物發(fā)生剪切滑動，隨高流速地下鹵水一同進入采鹵井中，最終被排出采鹵井，從而改善目標含水層的孔隙連通情況，增強鹵水徑流條件，最大可使采鹵井單位用水量增幅22.87%。該技術(shù)方法無須在地平面上密集接替新增采鹵井就可增大產(chǎn)鹵能力、滿足產(chǎn)能規(guī)模，極大地節(jié)省了基建投資。此外，在應(yīng)用空氣驅(qū)動技術(shù)增大采鹵井出鹵量的過程時，應(yīng)在采鹵井周邊最少布置3口輔助井，輔助井與采鹵井的距離宜小于60 m，輔助井井口壓力宜不小于2.21 MPa，以保障試驗效果。

參考文獻

1 李文學(xué)，張凡凱，蓋曉宏，等.羅布泊羅北凹地液體鉀鹽礦（W2、W3、W4）承壓鹵水開采工藝探討[J].鹽湖研究，2021（3）：56-67.

2 李文學(xué)，張凡凱，于詠梅，等.羅布泊鹽湖承壓鹵水開采新技術(shù)及可采性研究[J].地質(zhì)學(xué)報，2021（7）：2121-2128.

3 張 華，劉成林，焦鵬程，等.羅布泊鹽湖區(qū)深部鉀鹽找礦：理論、勘查、進展及前景分析[J].地質(zhì)學(xué)報，2021（7）：2030-2040.

4 郭文祥.柴達木盆地昆特依大鹽灘鉀鹽礦水文地質(zhì)條件及開發(fā)對策[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2022（4）：369-374.

5 謝 蓉，劉斌山，王羅海，等.察爾汗鹽湖深部鹵水開采關(guān)鍵參數(shù)研究[J].鹽科學(xué)與化工，2023（9）：14-17.

6 宛 東，馬寶成，王 江，等.空壓機在鹽湖鹵水礦床中的適用性研究[J].中國資源綜合利用，2023（11）：56-58.