薄层复层状盐矿对井连通开采溶腔形成机理研究.pdf

第1 9 卷第3 期 2 0 1 0 年3 月 中国矿 业 C H I N AM I N I N GM A G A Z I N E V 0 1 ．1 9 。N o ．3 M a r c h2 0 1 0 薄层复层状盐矿对井连通开采溶腔形成机理研究 余勇进1 ，陈千汉2 ，周普松3 ，陈宁4 1 ．湖北省盐务局，湖北武汉4 3 0 0 2 2 ；2 ．湖北省矿业联合会，湖北武汉4 3 0 0 2 2 ； 3 ．湖北双环科技股份有限公司，湖北应城4 3 2 4 0 7 ； 4 ．中国地质大学 武汉 工程学院，湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要本文以岩石力学基本理论和盐矿对井连通开采基本方法为基础，通过实验室模拟试验，结 合盐矿水溶压裂开采过程中所记录的数据，进行全面的分析研究，提出了薄层复层状盐矿对井连通开采 溶腔形成的机理、形成阶段及溶腔再利用方向。 关键词盐矿；开采；溶腔；形成机理 中图分类号P 6 1 8 ．4 5文献标识码A文章编号1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 1 0 0 3 一0 0 8 2 一0 4 A n a l y s e so ft h em e c h a n i s mo fc a v i t yf o r m a t i o nb a s e do nr e l a t i v ew e l l sm i n i n gi n t h et h i n - s u p e r i n c u m b e n tb e d d e ds a l tm i n e Y UY o n g - ji n1 ，C H E NQ i a n - h a n 2 ，Z H O UP u - s o n 9 3 ，C H E NN i n 9 4 1 ．H u b e ib u r e a uo fs a l ti n d u s t r y ，W u h a n4 3 0 0 2 2 ，C h i n a ；2 ．H u b e im i n i n ga s s o c i a t i o n ，W u h a n4 3 0 0 2 2 ，C h i n a ； 3 ．H u b e iS h u a n g h u a nT e c h n o l o g i e sC o ．L t d ．，Y i n g c h e n g4 3 2 4 0 7 ，C h i n a ； 4 ．F a c u l t yo fE n g i n e e r i n g 。C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s e i e n e e s W u h a n ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A b s t r a c t O nt h eb a s i so ft h eb a s i ct h e o r yo fr o c km e c h a n i c sa n db a s i cm e t h o do fr e l a t i v ew e l l sm i n i n g ， t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r dt h em e c h a n i s mo fc a v i t yf o r m a t i o n ，t h es t a g e so fc a v i t yf o r m a t i o na n dt h ep r o s p e c t o ft h er e u t i l i z a t i o no ft h ec a v i t yb ya c o m p r e h e n s i v es t u d y ，c o n c e r n i n gw i t ht h ea s p e c t so fl a b o r a t o r ym o d e l t e s t i n ga n dt h er e c o r d i n gd a t u mo fw a t e r - s o l u b l ef r a c t u r i n gm i n i n gi ns a l tm i n e ． K e yw o r d s s a l tm i n e ；m i n i n g ；c a v i t y ；m e c h a n i s mo ff o r m a t i o n 薄层复层状盐矿是我国古盐湖矿床的主要赋 存形式，其开采方式主要采用水溶压裂对井连通 开采技术。因受测试方法所限，有关水溶开采对 井压裂连通采卤后形成的溶腔形态及形成机理的 研究基本处于空白状态，对于溶腔形态的传统认 识主要通过理论计算，认为是在盐层中形成以两 井为中心，溶解半径7 5 m 的近椭圆形水平溶腔， 在薄层顶板跨塌后逐层上溶。但是，二十多年开 采实践证明，实际情况与理想形态有很大差异。 重新认识这种类型的溶腔在不同阶段发育的基本 形态，对于科学设计采卤井井间距和采区布局， 合理建造溶腔，提高资源利用率及溶腔的再利用 具有十分重要意义。 1 研究方法 以岩石力学基本理论和方法、盐矿水溶压裂 收稿日期2 0 0 9 1 0 0 9 开采基本理论为基础，总结分析湖北云应地区盐 矿对井连通开采采区钻井施工中，水文工程动态 记录数据、已形成的溶腔地球物理勘探测量数据、 盐井采卤生产过程中有关参数，结合实验室进行 模拟试验的成果，将理论计算、生产实践、实验 室模拟试验三个方面的成果资料进行对比研究， 得出盐矿对井连通开采溶腔形态和溶解机理的新 认识，科学评估薄层复层状盐矿水溶开采的对象 和开采方法，并指导今后的盐矿水溶压裂开采设 计和盐井采卤生产。 2 溶腔形态分类 2 ．1 溶腔的形态类型 岩盐矿床钻井水溶开采形成的溶腔形态，主 要取决于岩盐矿床的特征、埋藏深度、矿区地质 条件、采矿方法、开采设计、建井质量、采矿强 度及生产管理水平等多种因素的综合作用，可分 为两大类规则形态与不规则形态。 万方数据 第3 期余勇进等薄层复层状盐矿对井连通开采溶腔形成机理研究 一般巨厚层岩盐及盐丘矿床在水溶采矿时， 大都采用单井对流的油垫或气垫工艺，各盐井之 间在生产前期和中期互不连通。近年来，也有采 用定向水平对接井钻井技术，在采卤过程中可以 在最大限度内人工控制溶腔形态，其溶腔形态比 较规则，研究程度也比较高。 内陆岩盐地质成矿条件下形成的薄层、复层 岩盐矿床，采用对井水力压裂和定向对接连通的 开采方法，一般极少采用油垫或气垫护顶工艺， 主要是靠盐矿中的夹层自然阻隔上溶，在水溶采 盐后形成的溶腔形态大都不规则。这种不规则溶 腔是本文研究的重点。 2 ．2 溶腔的形态特征 由实验室模拟试验及生产实践所表现出来的 不规则溶腔形态，具有三个特点一是向上溶解 强烈，大致形成以各孔井管为中心的不规则向上 发展的圆柱状溶腔；二是侧溶及两井间通道水平 冲刷溶解比上溶要缓慢，在上溶遇到非矿夹层及 顶板时，侧溶速度加快；三是基本上不沿裂隙通 道向下部溶解。在没有人为控制的情况下，这种 类型的溶腔大致上形成以两井管为中心，以3 0 ～ 5 0 m 侧溶半径沿井管向上溶解的近似柱状或倒圆 台状溶腔，溶腔高度比溶腔半径大，其高径比大 约为1 ．5 ～2 ．51 ，在两孔轴线的纵剖面上，表现 为近似不对称马鞍形。溶腔内表呈锯齿状，溶腔 内部结构为空腔状与骨架状、蜂窝状，其残存物 如珊瑚礁一般。 3 溶腔形成机理浅析 3 ．1 溶腔应力应变的分析 在没有贯通性地质构造的盐矿区块内，我们 可以将盐矿水溶压裂开采形成的溶腔，看成是由 卤水密实充填的盐矿采空区。从注水井一地下溶 腔一出卤井的封闭条件下，由于卤水的不可压缩 性和压力传递性，溶腔内卤水的浮托力与顶板下 陷变形的应力处于平衡状态。当封闭环境被破坏 包括部分卤水被溶腔周围岩石吸收 ，岩盐不断 溶蚀，出现新的空间，或是井管穿漏使卤水流失， 沟通了其它地下通道等。这些因素都会减弱卤水 对顶板下陷的支撑力，使顶板的薄弱部分垮塌、 形变并使应力得到释放，从而又达到新的平衡。 如此反复，其顶板逐步垮塌。因此，在没有其它 因素参与的情况下，顶板垮塌是一个渐进而漫长 的过程。而波及到地表产生地面沉降，则应是更 漫长一个时期。 3 ．2 溶腔形成的物理化学条件 本次模拟实验选择了具有典型代表的各类岩 样，摸拟了不同开采方法，对形成的溶腔进行了 多次试验，结合生产实践验证分析，认为影响溶 腔形态的因素，既有地质的，也有开采过程中人 为的因素，表现为以下十个方面一是地层构造 决定溶腔的主体形态；二是矿层结构决定溶腔内 部结构形态；二是矿石类型决定溶腔发育速度； 四是卤水的自重分异决定溶腔上溶高度；五是盐 矿的沉积相变，使同一溶腔在不同水平部位出现 差异；六是矿层结构面如节理裂隙，控制溶腔周 边的溶解通道的发育程度；七是对井注水方式决 定溶腔的对称性；八是注水时间长短决定溶腔的 大小；九是盐井固井质量决定了溶腔上窜的形态； 十是压裂连通的原始通道决定两井间溶解的范围 和水平投影形态。 4 溶腔发育的阶段 溶腔的形态特征存在着很大的差异，但同时 又表现出了一定的规律性，它为我们进行溶腔形 态特征的研究分析提供了可靠的依据。水力压裂 水溶采卤工艺，根据其各个时期的水力学特点， 可划分为压裂期、建槽期和采卤期三个阶段。这 三个阶段，实质上就是溶腔的产生与孕育、拓展、 形成及发展的全过程，在不同的阶段，其溶腔发 育的形态特征是不同的。 4 ．1 溶腔的产生与孕育 在正常情况下，地应力场的垂直应力梯度约 为0 ．2 3 M P a ／1 0 0 m ，水平方向应力梯度约为 1 ．1 M P a ／1 0 0 m 。湖北云应地区盐矿在压裂连通作 业中，破裂压力梯度多数在2 ．4 ～3 ．6 M P a ／l O O m 。 裂隙扩展直到连通时的稳定压力梯度在1 ．2 ～ 1 ．4 M P a ／l O O m ，这说明两井之间是以垂直裂缝连 通的。当对注水井进行压裂时，首先在注水井裸 眼部分的矿层中近上部产生一组放射状裂隙。这 组放射状裂隙的出现，就标志着微溶腔的产生。 它产生的瞬间，首先是以注水井为中心呈圆形分 布，随之开始变成以注水井为焦点，反倾向呈扇 形分布，注水井附近裂隙分布密而且宽，在接近 回卤井时变得稀而窄小。如果一旦有裂隙与回卤 井沟通，那么这个沟通的裂隙就决定着今后溶腔 发展的大致方向，其裂隙的产生到沟通裂隙的形 成，就是溶腔的孕育过程。随后溶腔的拓展，就 是在沟通裂隙的基础上发展起来的。 这组沟通裂隙不一定在对井的连线上，有时 这组沟通裂隙可能会远远偏离井组连线而将两井 万方数据 8 4 中国矿业第1 9 卷 连通。对于存在众多夹层的复层状岩盐矿床而言， 压裂过程形成的裂隙，一般以纵向裂隙沿水平方 向扩展为主，它主要是由外力的机械破坏 即水 力压裂 的作用和抗压强度大于盐层的夹层阻隔 所产生的。 4 ．2 溶腔的拓展 本阶段是将沟通裂隙进行拓展，使其过流断 面增大和增强。这一阶段的溶腔发育的形态特征 要比产生时复杂一些。首先，由于在盐井工程完 钻前，要进行充分的洗井，在井底都形成了原始 的小溶腔。这个小溶腔一方面便于接受另一I l 井 压裂裂缝的传导，形成一个较大的靶区，另一方 面也利于井筒中的沉积物沉积于井底。由于卤水 的自重分异作用，注入的淡水密度较小，密度一般 为1 ，但在小溶腔中的卤水，因为近似饱和卤水， 其密度为1 ．2 。因此，在密度差的作用下，淡水受 到一个很大的向上的浮力，使得套管注入的淡水 首先沿套管出口向上方升腾，其作用是稀释小溶 腔上部的卤水，使其卤水流动方向成为一个沿套 管外壁向上流动，到达溶腔顶部后，向四周流动， 然后沿井壁向下运动的流动方向，最后其沿着井 下压裂裂隙向另一口井运动。在这整个过程中， 卤水浓度渐渐增大，溶腔向上发育的速度大于水 平方向的发育速度，而水平方向的发育速度大于 向下发育的速度，在每口井的套管部位形成一个 圆柱状的溶腔或倒圆台状的溶腔。 4 ．3 溶腔的形成 对井之间的通道进一步拓展，两井处的小溶 穴不断扩大并不断使柱状溶腔向上溶。在上溶遇 到顶板或难溶的岩层时，则产生较强的侧溶，形 成以井管为中心的圆盘状，沿顶部的难溶岩层与 盐岩层的结构界面向侧面溶蚀。两井之间的沟通 裂隙，在水力冲刷和溶解作用下，也按照上溶较 快、侧溶较慢、基本不向下溶解的规律使其断面 不断增大。液体在初～中期是紊流状态，后期以 层流方式流动，两井之间的通道在水平面上的投 影，类似于弯延衄折的河道。在这一阶段中，矿 石溶解后的水不溶物，一部分被快速流动的液体 带出地表，另一部分则被沉积在两端及其通道的 底部。在井底及通道中的水不溶物，又将岩盐与 溶液隔离开来。呆滞在溶腔下部的矿石，主要是 与井底堆积物中的孔隙水接触，其接触面积小， 由于卤水的重力分异作用，使下部卤水浓度高， 故而溶腔向下发育十分缓慢。而且当堆积物不断 增厚或者出现大规模的顶板岩层跨塌时，底层堆 积物不断被压实，其孑L 隙度随之减少，溶腔向下 发育呈减速趋势，直至完全停止向下发育，底部 的盐岩基本上就不再溶解。此时的溶腔除了存在 大的溶穴外，还包括井底水不溶堆积物中的孔隙 和围岩体变形破坏时产生的裂隙。这些不同类型 充满着水的空隙的集合，便形成了一个完整而复 杂的溶腔，它们在井下以不同方式发生着水力联 系。而正是这些不同的水力联系方式，决定着今 后溶腔进一步发展的方向。 4 ．4 溶腔的发展 溶腔的顶部及周帮围岩始终保持着与水溶液 良好的接触，在上溶时遇到了难溶的顶板，则溶 解方向向水平方向扩展。此时，溶腔在同一方向 上的发展速度是比较稳定的，在较短的时间内不 会有明显的变化，只是不同方向的发展速度不同 而已，如沿倾向上方比沿倾向下方溶解要快。溶 腔范围在不断增加，当园台状顶部遇难溶岩层向 水平方向溶解时，其直径越来越大；当上覆岩层 的负荷超过顶板岩石强度时，顶板岩层在溶蚀及 载荷的双重作用下，便会发生变形以至产生断裂， 在溶腔上部产生冒落带、裂隙带，并促使顶板的 最终跨蹋，使淡卤进入上一个含盐矿层继续溶解， 且溶腔跨度越大，溶腔发育高度就越大。因此，溶 腔向上发育呈加速进行，而且不断地在上部矿层 中产生新的溶穴，以致在纵剖面上出现溶穴群。 实际岩盐开采中的储量，也并非我们人为划定的 某个开采层的盐量，而是岩盐上溶时，将很多的 非工业盐群一并开采出来的结果。岩盐溶腔的形 成，受多种因素的影响，最终是一个有着不同类 型的、极不规则的、极其复杂的、多种层次、多 种结构的充满着卤水的各种溶穴的集合体。 5 溶腔的失稳形式及检测方法 5 ．1 溶腔的失稳形式 岩盐矿床无论是采用什么方法进行钻井水溶 开采，都会经历采空、地应力变化、顶板变形、 顶板及上覆地层垮塌，直至地面沉降的过程。由 于水溶采矿后，采空区即溶腔所有的空间均被卤 水充填，溶腔顶板受到均衡的支托力。在盐井与 溶腔呈完好的封闭状态时，这种支托力是稳定溶 腔顶板的有利因素；同时，盐矿又是可溶性的物 质，水对顶板盐类矿物的溶解作用及对难溶岩石 的水化作用，使其物理机械强度减弱，这又是促 使顶板垮塌的不利因素。就是这一对矛盾体控制 着溶腔，在对立统一中寻求平衡。但随着盐岩的 开采，这种平衡被打破，又达到新的平衡，然后 万方数据 第3 期 余勇进等薄层复层状盐矿对井连通开采溶腔形成机理研究 8 5 再打破，再达到新的平衡，使岩盐顶板不断的垮 塌、稳定，渐渐向地表发展，直至使地面产生形 变，就会发生地质灾害事故，对地面农田、建 构 筑物及环境带来破坏。由此可见，影响溶腔 稳定性的主要因素，是矿层开采深度、开采上溶 高度及溶腔的顶板暴露的形状及面积等。如果保 证在封闭条件，科学设计，合理开采，限制采高， 顶部有足够厚度的不溶性岩层，其稳定性较好。 5 ．2 溶腔的检测方法 自1 9 8 0 年初湖南湘澧盐矿水采区发生地面沉 降以来，盐矿地质采矿工程技术人员就一直在探 索适合对井连通开采后形成溶腔的经济、实用的 探测方法。二十多年来，先后用于这种类型的溶 腔探测方法有高分辨地震法、声纳法、电法及地 球物理测井法等。这些方法用科学、经济、实用 标准来衡量，均有各自的特点和局限。根据实际 条件，合理选择相应的溶腔探测方法组使用，相 互验证，不失为一条比较正确的途径。 6 岩盐溶腔的再利用方向 6 ．1 可利用地下溶腔的基本条件 采盐形成的溶腔是一种地下空间，随其自身 条件状况，具有可以利用和产生危害两种属性。 在采盐之前，按照一定要求进行设计，在采盐过 程中采用技术手段加以控制，形成的溶腔就可以 作为地下储存空间加以利用。衡量溶腔再利用的 基本条件，主要有两个方面一是物理条件，要 具有稳定性、耐压性、密封性和规模性，主要是 指溶腔本身所处的深度、围岩物理特征、造腔形 态；二是地质条件，以盐层厚度大、盐层连续稳 定，未被后期断裂构造破坏，具有良好的保护盖 层，这些地段具有建造专用地下溶腔的地质环境。 6 ．2 溶腔利用的方向 岩盐开采形成的地下空间，在满足上述基本 条件的前提下，可以用作钙镁泥、石油、天然气 的储存库。通过分析计算，作为石油储存库的溶 腔，埋藏深度在6 0 0 ～1 0 0 0 m 左右为宜，溶腔直径 与相邻溶腔之间保安矿柱的安全距离比值为2 ．1 ～ 2 ．5 。而作为天然气的储库埋藏深度则应达到 1 0 0 0 m 以上，当埋藏深度达到1 5 0 0 m 以上，其安 全性更高，溶腔直径与保安矿柱的比值为2 ．8 ～3 。 ■I 参考文献 [ 1 ]湖北省国土资源厅．湖北省盐矿地质勘查规程，2 0 0 8 ． [ 2 ]湖北省国土资源厅．湖北省盐矿水溶开采设计规程，2 0 0 8 ． [ 3 ]湖北省国土资源厅．湖北省盐矿水溶开采生产技术管理规 程，2 0 0 8 ． 米米睾米米米爿e 采米采米米米米爿∈米粜爿∈米米米米米米米采米米米米米米米睾米睾来来米爿∈采米来米米米米米拳 上接第8 1 页 [ 9 ]吴剑平，朱建明，成新元．露井联采下边界参数优化的相 似模拟研究，中国矿业，2 0 0 8 ，1 7 9 7 9 8 2 ． D 0 3刘保宽，吴吉南，朱建明，等．安家岭二号井1 3 4 0 2 工作 面终采线位置合理确定[ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 8 ，3 6 1 2 1 2 1 5 ． 1 - 1 1 ]钱鸣高．岩层控制的关键层理论I - M ] ．徐州；中国矿业大 学出版社，2 0 0 3 ． r l z 3 刘宪权，朱建明。陆游．露井联采下井工开采顺序的优 化分析[ J ] ．中国矿业，2 0 0 7 ．1 6 1 0 6 3 6 5 ． 来柴米来鬻拳米来米米米米米米米米米米来米爿∈鬻采米米采米米米米米米米米米爿∈米采米素鬻来米爿爿豢来采拳 第六届“3 D M i n e 矿业工程软件应用培训班“ 即将举办 作为国产的3 D M i n e 三维矿业软件在地矿行业得到了广泛的应用和认可。然而，如何在实际工作中用 好该软件体现其价值，以及为地质探矿、矿山生产和管理服务则一直是我们最关心的现实问题。为了更 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