土耳其卡赞碱矿对接井分层同时开采设计方案探讨.pdf

第４ ７卷第８期 ２ ０ ２ ０年８月 探矿工程 岩土钻掘工程 E x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n gR o c k修回日期 ２ ０ ２ ０－０ ７－０ ９ D O I１ ０．１ ２ １ ４ ３/ j ． t k g c ．２ ０ ２ ０．０ ８．０ １ ０ 基金项目 中国地质调查局地质调查项目“ 土耳其卡赞 贝帕扎里天然碱矿探采方法技术合作” 编号D D ２ ０ １ ９ ０ ９ ０ ６ ０ ２ 作者简介 刘汪威, 男, 汉族,１ ９ ８ ２年生, 高级工程师, 地质工程专业, 主要从事受控定向钻进连通井相关科研与设计工作, 河北省廊坊市金光道 ７ ７号,l i u w w ８ ８＠q q ．c o m. 引用格式 刘汪威, 张正元, 林修阔, 等．土耳其卡赞碱矿对接井分层同时开采设计方案探讨[J]．探矿工程 岩土钻掘工程 ,２ ０ ２ ０,４ ７８ ５ ７－６ ３． L I U W a n g w e i,Z HAN GZ h e n g y u a n,L I NX i u k u o,e t a l ． D e s i g nf o r s i m u l t a n e o u sm i n i n go fm u l t i p l e t r o n a l a y e r sw i t ha n i n t e r s e c t e d w e l l s e t a tK a z a nS o d aT r o n aM i n e i nT u r k e y[J]． E x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n gR o c k 水溶开采; 水平井; 对接井; 分层同时开采; 土耳其卡赞碱矿 中图分类号P ６ ３ ４． ７;T D ８ ７ 文献标识码A 文章编号１ ６ ７ ２－７ ４ ２ ８２ ０ ２ ００ ８－０ ０ ５ ７－０ ７ D e s i g nf o r s i m u l t a n e o u sm i n i n go fm u l t i p l e t r o n a l a y e r sw i t h a n i n t e r s e c t e dw e l l s e t a tK a z a nS o d aT r o n aM i n e i nT u r k e y L I U W a n g w e i,Z HANGZ h e n g y u a n,L I NX i u k u o,TU Y u n z h o n g,L I U H a i x i a n g I n s t i t u t eo fE x p l o r a t i o nT e c h n i q u e s,C A G S,L a n g f a n gH e b e i０ ６ ５ ０ ０ ０,C h i n a A b s t r a c tI nK a z a nT r o n aM i n e i nT u r k e y,t h em e t h o do f s o l u t i o nm i n i n gw i t h i n t e r s e c t e dw e l l s e t h a sb e e na d o p t e d w i t ha r o u n d１ ０ ０i n t e r s e c t e dw e l l s e t sd r i l l e ds u c c e s s f u l l y,w h i c hh a sb r o u g h t a b o u t r e m a r k a b l es o c i a l a n de c o n o m i c b e n e f i t s ． I no r d e r t o i m p r o v e t h eu t i l i z a t i o nr a t eo f t h e t r o n a r e s o u r c e s,b a s e do n t h e c u r r e n t s i t u a t i o na n dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s,t h r e ea l t e r n a t i v es c h e m e s f o rs i m u l t a n e o u sm i n i n go fm u l t i p l et r o n al a y e r sw i t ha ni n t e r s e c t e dw e l l s e t f o rt h eK a z a nP h a s eI Vd r i l l i n gp r o j e c ta r ep u tf o r w a r di nt h ep a p e r ． W i t ht h eo v e r a l lp l a nd e t e r m i n e d,t h ew e l l l a y o u tp r i n c i p l ef o rs i m u l t a n e o u s m i n i n go f m u l t i p l el a y e r si sp u tf o r w a r d,a n dt h et h r e es c h e m e sa r eb r i e f l y e x p o u n d e da n dt h e i n d e xo f t h e ma r ec o m p a r e d ． T h e３ r da l t e r n a t i v e s c h e m e１h o r i z o n t a lw e l l＋２v e r t i c a lw e l l si s s e l e c t e ds i n c e i t p r o v i d e s t h e a d v a n t a g e s o f l e s sd r i l l i n gw o r k,s h o r t e r c o n s t r u c t i o np e r i o da n d l o w e r i n v e s t m e n t c o s t ． D e s c r i p t i o n i sm a d e i nd e t a i l o f v e r t i c a lw e l l d r i l l i n g,h o r i z o n t a lw e l l d r i l l i n ga n ds o l u t i o nm i n i n go p e r a t i o nw i t hs o m e r e l a t e dt e c h n i c a l p r o b l e m sa n ds u g g e s t i o n sw e r ep u tf o r w a r d ． T h es i m u l t a n e o u sm i n i n gs c h e m ec a np r o v i d es o m e g u i d a n c ea n dr e f e r e n c e f o rs i m u l t a n e o u sm i n i n go fm u l t i Ｇ l a y e r t r o n am i n e sa n d i n c r e a s eo f r e s o u r c er e c o v e r y ． K e yw o r d st r o n am i n e;s o l u t i o nm i n i n g;h o r i z o n t a lw e l l;i n t e r s e c t e dw e l ls e t;s i m u l t a n e o u sm i n i n g;K a z a nS o d a T r o n aM i n e i nT u r k e y ０ 引言 我所自２ ０ ０ ３年应用自主研发的高精度定向钻 进技术在土耳其贝帕扎里天然碱矿成功施工了第一 组天然碱试采对接井, 从此打开了土耳其天然碱对 接井水溶采矿市场的大门.目前, 我所凭借雄厚的 科研实力和精湛的对接井水溶采卤技术承揽了土耳 其２个天然碱矿的对接井水溶采卤工程 一个是贝 帕扎里天然碱钻采工程[ １－４], 另一个是卡赞天然碱 钻采工程. 土耳其卡赞碱矿目前已完成了试采、 一、 二、 三 期钻井工程, 合计约１ ０ ０余组天然碱对接井, 目前正 在实施四期钻井工程.其中, 卡赞碱矿一期工程共 完成了７ ４个溶采井组, 并配套建设了发电站和天然 碱加工厂, 产能为２ ５ ０万t纯碱和２ ０万t小苏打. 我所承担了该项目所有井组的设计与施工, 共动用 了１ ０台套钻机, 依靠具有自主知识产权的“ 慧磁” 高 精度对接中靶导向系统[ ５－９], 提前６个月完成了所 有钻井施工任务. 这些工程主要开采模式为１口水平井和２口垂 直井对接[ １ ０], 全部需要利用高精度中靶技术实现一 次对接成功.由于天然碱可溶性较差, 建槽时间较 长, 施工时甚至不建槽, 这样导致靶区溶腔较小, 定 向连通难度较大.采用高精度对接技术指导连通, 在靶区半径仅有０ 􀆱 ３m、 矿层腔高只有１ 􀆱 ２m的条 件下, 取得了直接定向钻进中靶连通的优良效果. 并在此工程中开发了多井组对接模式[ １ １－１ ４], 这种多 井组利用了水平分支井的优势, 可有效控制某一区 域的矿产资源.采用一个水平井分支形成２个或多 个水平段, 可节约大量成本. １ 地质概况 土耳其卡赞天然碱矿位于土耳其首都安卡拉市 西北３ ５k m, 矿区交通便利, 附近有高速公路和国道 经过, 矿区内有简易公路相通.卡赞盆地位于A n a Ｇ t o l i a中部 的S a k a r y a盆 地, 其 延 展 方 向 为N E－ SW, 纬度在３ ２ ２ ４ ′ ３ ２ ５ ０ ′之间, 经度在３ ９ ５ ６ ′ ４ ０ ２ ８ ′之间, 矿区位于卡赞盆地西面, 在I n c i r l i k和 F e t h i y e村庄之间.碱矿赋存于第三系下层的I n Ｇ c i r l i k地层中, 矿床南北长４ 􀆱 ５k m, 东西宽３ 􀆱 ７k m, 面积约９ 􀆱 ８k m ２. 该矿区地质条件复杂, 地层具有较强的自然致 斜特性.矿区地下水丰富, 钻井过程中容易发生涌 水.前期勘探调查结果表明, 天然碱矿矿体埋深 ６ ０ ０７ ０ ０m, 含矿段厚度为６ ０１ ０ ０m, 从上至下分 布了B e d １ ０,B e dY,B e dX,B e d ９B e d １等１ ２个碱 层, 每层厚度０ 􀆱 ５２ ０m不等, 可采资源量丰富, 具 有极大的开发利用价值. 其中, 碱层平均厚度最大的为B e d ３碱层, 厚度 为１ ０２ ５m, 最厚处超过３ ４m, 西部变化较为剧 烈, 东部变化较为平缓.矿层底板从西北向东南逐 渐降低, 走向约３ ０ N ３ ０ E , 倾向约１ ２ ０ , 矿层倾角 约１ ２ S E １ ２ ０ ∠１ ２ , 分布较为规律.勘探孔采取 的B e d ３碱层岩心见图１. 图１ B e d ３碱层岩心 F i g ．１ C o r e s f r o mB e d ３t r o n a l a y e r ２ 分层同时开采的提出 在前期已完成项目的基础上, 碱矿业主经过充 分论证, 决定选择B e d ３碱层作为主采层,B e d ４和 B e d ５碱层为次采层, 利用水平定向对接井钻进、 水 溶采矿法进行开采, 共规划７期进行开发.水溶采 矿法具有节约土地资源、 污染少、 开采成本低等优 点, 特别适用于埋藏较深的可溶性固体矿产, 已在国 内外一系列工程项目中得到了成功应用[ １ ５－１ ６]. 根据业主的提议, 希望在四期钻井工程中在开 采B e d ３碱层的同时, 实现对B e d ２碱层的开采, 以 提高矿山的资源利用率.在四期工程区域内, B e d ２ 平均厚度３４m, 埋藏深度４ ５ ０６ ０ ０m,B e d ３平均 厚度１ ８２ ４m,B e d ２与B e d ３之间的夹层厚度为５ ６m.根据邻井取心资料分析,B e d ２与B e d ３碱层 品位大致相当, 具有可采价值. 根据天然碱矿水溶开采的设计及施工经验, 垂 直井溶腔发展的理论模型为１ ４ 倾角的倒圆锥体, B e d ３碱层溶腔发展理论最大半径能达到３ ５m.若 开采B e d ２碱层, 溶腔半径预计能达到１ ５２ ０m, 具 有较好的开发利用价值.垂直井分层同时开采溶腔 理论发展剖面见图２. ３ 水平对接井组布井设计 通过收集和整理相关矿山地质数据, 建立三维 地质模型, 绘制矿层相关地质图件, 根据地层埋藏情 况与勘探结果分析, 四期工程主要设计了２种水平 对接井组类型. 当水平井钻至开采层后, 落平点与最终垂直井 第二靶点 的距离不足１ ５ ０m的情况下, 设计为A 型 “ １ H＋２ V” 水平对接井组, 见图３. 溶采通道仅在 ８５ 探矿工程 岩土钻掘工程 ２ ０ ２ ０年８月 P_P HGHG  HGHG _P _P _P *A7  _P _P *4“ J 13,- h 13,- h 76 7L 76 7L 1-_P   图２ 垂直井分层同时开采溶腔理论发展剖面 F i g ．２ P r o f i l eo f t h e o r e t i c a l c a v i t yd e v e l o p m e n t i ns i m u l t a n e o u s m i n i n gw i t hav e r t i c a lw e l l HG “ 1M ２B型水平井组下入生产套管后, 存在分支钻 进困难且不利于分层开采的问题, 故B型水平井组 分支侧钻宜改为A型井组布置; ３ 由于B e d ２碱层在矿区的分布不均匀, 大面 积布置B e d ２碱层的开采井存在较大的风险和不确 定性因素, 应先施工四周外围的井组, 后施工中部区 域井组; ４ 在边缘矿区的井组, 应先施工外侧靠近边缘 的垂直井, 后施工内侧的水平井, 若外侧的垂直井未 发现B e d ２碱层, 则该井组取消B e d ２碱层的分层同 时开采方案, 保持原开采B e d ３碱层的方案. ４ 分层同时开采可选方案 根据四期工程的现有情况和地质条件, 提出了 如下３种分层同时开采的可选方案. ４．１ 可选方案A１ H＋４ V 在原设计开采B e d ３碱层的井组旁, 增加２口垂 直井, 即１口水平井＋４口垂直井, 采用A型水平井 分支侧钻的方式开采B e d ２碱层.其平面布置见图 ５, 具体方案如下 １ 优 先 施 工 开 采B e d ３碱 层 的V ０ ０ １ A和 V ０ ０ １ B垂直井; ２ 根据取心或电测井结果, 判断B e d ２碱层是 否存在, 以及B e d ２碱层厚度和品位是否具有商业 开采价值; ３ 若B e d ２碱层不存在或不具备商业开采价 值, 则保持原设计施工水平井开采B e d ３碱层; ９５ 第４ ７卷第８期 刘汪威等 土耳其卡赞碱矿对接井分层同时开采设计方案探讨 ４ 若B e d ２碱层存在且具备商业开采价值, 则 开始施工V ０ ０ １ C和V ０ ０ １ D垂直井, 技术套管下入 B e d ２碱层中; ５ 施工A型水平井H ０ ０ １, 造斜段使用 ２ １ ６ mm钻头, 造斜半径为２ ０ ０m, 在距离V ０ ０ １ A井前 方７ ０m处更换为 １ ５ ２mm钻头施工水平段, 连通 开采B e d ３碱层的V ０ ０ １ A V ０ ０ １ B通道; ６ 关 闭V ０ ０ １ A和V ０ ０ １ B井 的 井 口 装 置, H ０ ０ １井提钻更换为 １ １ ８mm钻头 更易于分支和 大斜率钻进 , 从距离V ０ ０ １ A井前方７ ０m的变径 处开始分支; ７ 距离V ０ ０ １ AV ０ ０ １ B通道水平方向偏移４ ５ m, 垂直方向下沉８１ ０m, 进入B e d ２碱层中, 最后 连通V ０ ０ １ C V ０ ０ １ D通道, 整个分支段长度在２ ０ ０ ２ ４ ０m; ８ 关闭V ０ ０ １ C和V ０ ０ １ D井的井口装置, 在分 支点处下入封隔塞, 用水泥封闭上部造斜段.  9 9 ２ 若B e d ２碱层存在且具备商业开采价值, 则 开始施工H ０ ０ １ B水平井; ３ 关 闭V ０ ０ １ A和V ０ ０ １ B井 的 井 口 装 置, H ０ ０ １ B井采用 １ ５ ２mm钻头进入B e d ２碱层中, 在 “ 慧磁” 中靶系统的引导下, 连通V ０ ０ １ A V ０ ０ １ B在 B e d ２碱层的通道; ４ 在H ０ ０ １ B水平井下入封隔塞, 用水泥封闭 上部造斜段. ４．３ 可选方案C１ H＋２ V 9 9 R P R P HG. HG.  固井水泥养护４ ８h. ２ 一开钻进采用 ３ ４ ６mm钻头钻至井深３ ５ ０ ４ ５ ０m 比深部含水层低１ ０２ ０m, 以保固井井段 和固井质量 , 进行录井、 测斜作业; 下入 ２ ７ ３mm ８ 􀆱 ８ ９mm表层套管并用油井水泥固井, 对上部含 水层进行封闭; 固井水泥养护７ ２h; 下钻扫水泥塞 后进行固井质量测量. ３ 二开采用 ２ ４ １mm全面钻头钻进至B e d ２ 碱层底板以下１ ５m终孔; 或采用 １ ４ ０mm取心钻 头取心钻进, 再采用 ２ ４ １ mm全 面钻头扩孔 至 B e d ２碱层底板以下１ ５m. ４ 根据取心或电测井结果, 判断B e d ２碱层是 否存在, 以及B e d ２碱层厚度和品位是否具有商业 开采价值. ５ 若B e d ２碱层不存在或不具备商业开采价 值, 生产套管A P I J ５ ５ １ ７ ７ 􀆱 ８mm８ 􀆱 ０ ５mm 下至B e d ３碱层顶板以下１m位置, 相应的另一口 垂直井即使发现B e d ２碱层, 也只开采B e d ３碱层. ６ 若B e d ２碱层存在且具备商业开采价值, 则 生产套管下至B e d ２碱层顶板位置. ７ 在下入生产套管之前, 井深在B e d ３碱层底 板处至上部４５m的区间内, 在生产套管上打上 一定数量和尺寸的筛眼 具体的筛眼分布密度和大 小可以根据后续的效果进行调整 , 以供生产时注井 溶液通过. ８ 固井时, 水泥浆会从筛眼出来并上返.一方 面, 碱层处的水泥胶结质量相对较差, 另一方面, 扫 水泥塞时钻头的震动, 会清除部分堵在筛眼里的水 泥. ９ 扫塞完成后, 提钻更换为带高压水射流钻头 的钻具下入井中, 在筛眼区域来回滑动, 可扫除其筛 眼上的水泥, 并进行２ ４h的建槽作业, 以扩大溶腔. １ ０ 中心管采用A P I J ５ ５ １ ０ １ 􀆱 ６ mm ５ 􀆱 ７ ４mm, 下至B e d ２碱层底板位置. １ １ 在下入中心管之前, 井深在B e d ２B e d ３ 碱层的夹层中部位置, 安装膨胀橡胶封隔器, 其在井 中遇水后会慢慢膨胀填满生产套管与中心管之间的 环空, 起到分隔作用. ５．２ 水平井施工方案 水平井分层同时开采B e d ２碱层剖面示意见图 ８.施工A型水平井H ０ ０ １, 其导管与一开施工方案 与原设计保持一致.其具体的施工步骤如下 9  9  固井水泥养护４ ８h. ２ 一开钻进采用 ３ １ １mm钻头钻至井深３ ５ ０ ４ ５ ０m 比深部含水层低１ ０２ ０m, 以保固井井段 和固井质量 , 进行录井、 测斜作业; 下入 ２ ４ ４ 􀆱 ５ mm８ 􀆱 ９ ４mm表层套管并用油井水泥固井, 对上 部含水层进行封闭; 固井水泥养护７ ２h; 下钻扫水 泥塞后进行固井质量测量. ３ 造斜段使用螺杆马达、 无磁钻铤、 无线随钻 测量仪、 ２ １ ５ 􀆱 ９mm钻头的钻具组合, 造斜半径为 ２ ０ ０m. ４ 在距离V ０ ０ １ A井前方７ ０８ ０m处提钻, 更换为带磁接头的 １ ５ ２mm钻头, 相应在V ０ ０ １ A 井和V ０ ０ １ B井中下入“ 慧磁” 中靶仪. ５ 通过中靶系统的引导及伽马探管判断碱层, 连通B e d ３碱层中的通道. ６H ０ ０ １井 上 提 钻 具,并 关 闭V ０ ０ １ A和 １６ 第４ ７卷第８期 刘汪威等 土耳其卡赞碱矿对接井分层同时开采设计方案探讨 V ０ ０ １ B井的井口装置, 在分支点处下入水泥封隔 塞, 用水泥封闭上部造斜段. ７H ０ ０ １井更换为 １ １ ８mm钻头 更易于分 支和大斜率钻进 , 从距离V ０ ０ １ A井前方７ ０８ ０m 的变径处开始分支. ８ 钻头在垂直方向下沉８１ ０m, 进入B e d ２ 碱层中, 通过中靶系统的引导及伽马探管判断碱层, 连通B e d ２碱层中的通道, 整个分支段长度在１ ５ ０ １ ８ ０m. ５．３ 溶采操作方案 水平井施工完成后, 应尽快完成地面管线和仪 表的安装, 开始建立起循环, 其分层同时开采流程见 图９.  “F “ “ HG*A7 HG  HG   HG_ HG*A7  HGFF HGFF76 7L 1-aP 76 7L 1-_P 99   “F “ “ HG*A7 HG  HG   HG_ HG*A7  HGFF HGFF76 7L 1-_P 76 7L 1-_P 图９ 井组分层同时溶采流程 F i g ．９ S i m u l t a n e o u sm i n i n gf l o wc h a r t 分别在V ０ ０ １ A井的中心管中和中心管与生产 套管的环空中注入溶剂, 注入中心管中的溶剂会进 入B e d ２碱层中进行溶解, 然后从V ０ ０ １ B井的中心 管中返出; 注入中心管与生产套管环空中的溶剂会 进入B e d ３碱层中进行溶解, 然后从V ０ ０ １ B井的环 空中返出.相反地, 亦 可 以 从V ０ ０ １ B井 注 入, 从 V ０ ０ １ A井返出.亦可以从一口井的中心管中注入, 环空中返出, 或从环空中注入, 中心管中返出.在生 产中可以根据具体的注井压力、 流速、 温度等参数, 调整循环模式, 可有效提高生产效率, 避免不溶物阻 塞通道. ６ 问题与建议 本文提出的３个可选方案总体上都具有可行 性, 各有优缺点, 可根据不同的侧重面进行选择.具 体实施细节及技术难题需进一步与业主探讨, 目前 存在以下几点问题与建议 １ 若垂直井的生产套管在固井扫塞后, 筛眼仍 然全部堵塞或极少量连通, 则需要考虑在筛眼处采 用射孔操作. ２ 在溶采的中后期,B e d ３碱层溶腔中可能存 在大量的不溶物堆积堵塞下部的筛眼, 不能像原设 计通过上提中心管来解决, 从而导致无法开采B e d ３ 碱层的中上部矿层, 则需要考虑在B e d ３碱层中上 部位的生产套管处进行射孔操作. ３ 若出现管中形成结晶或夹层垮塌等情况, 导 致堵塞中心管, 由于中心管上安装了封隔器, 可能对 后续修井工作带来困难. ４ 即使优先施工边缘处的垂直井, 另一垂直井 也可能会出现没有B e d ２碱层的情况, 则该井组只 能改为开采B e d ３碱层. ５ 建议在水平井施工前, 对垂直井进行７d以 上的单井建槽作业, 一方面可以提高一次连通的成 功率, 另一方面可以检验筛眼通道的效果.该情况 下, 应在建槽结束以后, 提出中心管, 再在中心管上 安装膨胀橡胶封隔器后下入井中. ６ 整个矿区缺少B e d ２碱层的品位、 不溶物含 量、N a C l含量等关键参数, 可能对溶采操作和工厂 加工带来影响, 建议将四期工程区域附近已经取心 的钻井中B e d ２碱层的岩心进行化学实验分析. ７ 该方案相对于原设计增加了一定的成本, 且 B e d ２碱层厚度低于B e d ３碱层, 建议对B e d ２碱层分 层同时开采方案进行商业化可行性论证. 参考文献 R e f e r e n c e s [１] 向军文, 胡汉月, 刘志强．土耳其天然碱矿３ ０对对接井钻井工 程[J]．中国井矿盐, 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