陜北奧陶紀(jì)巖鹽資源及開采工藝

楊霞

河北寰球工程有限公司，河北 涿州 072750

鹽廣泛應(yīng)用于化工、紡織、造紙、肥皂、染料、冶金、陶瓷、玻璃、醫(yī)藥、食品加工和貯藏、水處理、溶冰雪等行業(yè)，鹽的消耗量是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志之一。鹽的原料來(lái)源可分為海鹽、湖鹽、井鹽和巖鹽4 類，中國(guó)鹽礦資源基本狀況是東部海鹽、西部湖鹽、中部井鹽和巖鹽。

巖鹽主要分布在四川、湖北、湖南、云南、河南和陜西等省[1-3]。陜西省內(nèi)食用鹽的市場(chǎng)需求大約48～60 萬(wàn)t，省內(nèi)已有鹽化工廠生產(chǎn)能力僅為6～8 萬(wàn)t，周邊的山西、寧夏等省區(qū)也是缺鹽省，開發(fā)陜北鹽田，對(duì)促進(jìn)該地區(qū)礦產(chǎn)資源的優(yōu)化配置、合理開發(fā)和加快老區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

1 陜北巖鹽資源概況

陜西巖鹽產(chǎn)于奧陶紀(jì)，鹽礦床分布于陜北一帶，北至陜蒙邊界、南至延安、西至靖邊、東到佳縣，面積約3.4萬(wàn)km2。奧陶系賦存石鹽是1955年在延長(zhǎng)油礦延1井發(fā)現(xiàn)的，1987年長(zhǎng)慶油田鎮(zhèn)川1井鉆遇厚層石鹽并取到鹽礦心，同年長(zhǎng)慶油田施鉆榆9井，首次在陜北建立奧陶系含鹽系剖面。奧陶系含鹽層系根據(jù)其沉積特點(diǎn)可劃分為3個(gè)旋回和10個(gè)亞旋回。3個(gè)旋回的淡化層段、鹽層段厚度之比為1∶1.7，導(dǎo)致三個(gè)旋回產(chǎn)生的原因是地殼周期性的升降運(yùn)動(dòng)[1]。區(qū)內(nèi)巖鹽礦含鹽品位高，鹽層厚，遠(yuǎn)景資源量6億t（圖1）。

圖1陜北奧陶紀(jì)鹽盆分布示意圖 Fig 1 Map of Ordovician salt basin distribution in northern Shaanxi

2 陜北奧陶紀(jì)巖鹽礦床地質(zhì)概況

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

陜北巖鹽礦床位于鄂爾多斯盆地中東部，次級(jí)構(gòu)造單元屬于鄂爾多斯盆地古中央隆起帶東側(cè)的米脂坳陷的東北緣。鄂爾多斯盆地中奧陶世，從馬家溝一期到馬家溝六期，前后共有4次海退（馬一早期、馬二期、馬四期和馬六期）和4次海進(jìn)（馬一晚期、馬三期、馬五期和馬六期末），海進(jìn)范圍一次比一次大，海退范圍也一次比一次大。在這大起大落的環(huán)境變遷中，形成了馬一、馬三、馬五早期和馬五晚期4次大的成鹽期和6次聚鹽期，形成了以米脂凹陷為古地理背景的陜北鹽盆。鹽盆的發(fā)展具有明顯的繼承性和收縮性，其中心位置基本不變，而鹽盆范圍由?。R一期）變大（馬三期）再變?。R五期）。鹽盆從西南向東北方向收縮，而鹽盆的沉降幅度則一次比一次大（以馬五期沉降幅度最大），形成上、下重疊的六套含鹽層系[4-6]。

2.2 礦床特征

地層自上而下為：第四系、新近系、侏羅系（中侏羅統(tǒng)延安組、下侏羅統(tǒng)富縣組）、三疊系（上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組、中三疊統(tǒng)二馬營(yíng)組、下三疊統(tǒng)和尚溝組、下三疊統(tǒng)劉家溝組）、二疊系（上二疊統(tǒng)孫家溝組、中二疊統(tǒng)石盒子組、下二疊統(tǒng)山西組）、石炭系（上石炭統(tǒng)太原組、上石炭統(tǒng)本溪組）、奧陶系（中奧陶統(tǒng)馬家溝組）；中奧陶統(tǒng)馬家溝組為主要含鹽地層（圖2）。

圖2奧陶紀(jì)鹽田綜合柱狀示意簡(jiǎn)圖 Fig 2 Schematic diagram of lithological column of Ordovician salt field

馬家溝組由碳酸鹽巖（灰?guī)r和白云巖）和蒸發(fā)巖（巖鹽及少量硬石膏）組成，巖鹽主要產(chǎn)于馬家溝組馬1 段（O1m1）、馬3 段（O1m3）和馬5段的第4（O1m54）、第6（O1m56）、第8（O1m58）、第10（O1m510）亞段，以馬5 段成鹽性最好，馬3 段次之，馬1 段僅在局部有少量巖鹽呈透境體產(chǎn)出。馬5 段埋深2192～2711m，分布面積大，鹽層厚，礦體走向近南北，傾向西，傾角3°～5°，一般3°，層狀產(chǎn)出。

巖鹽礦床位于陜北盆地東部。盆地基底頂界大致呈東高西低、北高南低、中間相對(duì)隆起的形態(tài)，基底結(jié)構(gòu)和形態(tài)對(duì)盆地后期發(fā)展起著重要的控制作用。礦區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，奧陶系頂界是一個(gè)由東向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角3°～5°，西深東淺，埋深1700～3000m。主要鹽組（O1m56）頂界較奧陶系頂界深90～130m，也是一個(gè)東高西低的斜坡。

2.3 巖鹽層特征

巖鹽層分布于馬家溝組1、2、3、5段，控制程度較高的為馬家溝組5段第4鹽組和第6鹽組。馬5段第4鹽組分布于佳縣-綏德-清澗一帶，石鹽層數(shù)少，分布不穩(wěn)定，一般為1～4層，厚6～9m，局部可見5～8層，厚17.5～37m，石鹽單層厚0.5～10.09m。馬5段第6鹽組在全區(qū)都有分布，石鹽厚34.60～137.50m，其厚度中心在鎮(zhèn)川堡-綏德-佳縣一帶；含石鹽12～23層，單層厚度0.14～17m。

馬5段第4鹽組石鹽沉積韻律為白云巖-石鹽序列，石鹽主要為灰、淺灰、淺棕褐色，霧狀、條帶狀、條紋狀，中-粗晶結(jié)構(gòu)；NaC1含量91.90%～99.21%，一般>97.23%；K+含量較低，為0.0075%～0.07%，一般為0.03%～0.05%；Br-含量為0.0111%～0.03%，一般為0.020%上下，個(gè)別較高；Br-×103/Cl-為0.199～0.512，一般0.3，下高上低；總的特征為質(zhì)純、低鉀、低溴[8]。馬5段第6鹽組主要由泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖、膏質(zhì)白云巖與石鹽多次重復(fù)交替形成泥質(zhì)白云巖（白云質(zhì)泥巖、膏質(zhì)白云巖）石鹽序列[7]，白云質(zhì)泥巖多為灰綠色，少數(shù)鐵銹色；石鹽主要為黃褐色、深灰色，少數(shù)灰色、淺棕色；石鹽多數(shù)呈粗晶-巨晶結(jié)構(gòu)，少數(shù)細(xì)晶，一般較純；馬五段第6鹽組可由6個(gè)在全區(qū)穩(wěn)定分布的含泥質(zhì)白云巖或白云質(zhì)石膏巖隔層，分隔為7個(gè)在地質(zhì)編錄剖面和測(cè)井綜合解釋剖面上可以清楚劃分和對(duì)比、在地震反演剖面上可以連續(xù)追蹤解釋的鹽體；NaCl含量在92.57%～99.61%之間，平均含量96.47%；Br-含量0.017%～0.0324%，Br-×103/Cl-為0.2569～0.5253；K+含量0.0409%～0.16%，個(gè)別鉆孔見鉀石鹽薄層及光鹵石、鉀鐵鹽礦物[9]。

3 陜北巖鹽礦床開采

在和中國(guó)同類型鹽礦勘查和開采礦山的對(duì)比中，可比照的實(shí)例是四川威西、合川、長(zhǎng)寧、川東等鹽礦[10]。這些鹽礦的礦層穩(wěn)定性和構(gòu)造復(fù)雜程度、開采條件都較陜北鹽田要復(fù)雜,開采深度在四川最深的已達(dá)到3100m。陜北鹽田鎮(zhèn)川、米脂至綏德一帶是鹽層厚度大、勘探工程控制程度較高的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較好且交通便利，地勢(shì)平坦，水資源有保證，具備先期開采的優(yōu)越條件[11-13]。

根據(jù)研究區(qū)巖鹽樣水溶性能測(cè)試結(jié)果分析，巖鹽水不溶殘?jiān)鼭耋w膨脹率低，為4.12%～6.17%，遠(yuǎn)小于1，說(shuō)明鹽井開采后所形成的溶腔較大，部分被不溶物所充填，鹽礦層適宜用鉆井水溶法開采。水不溶殘?jiān)w粒以小于2mm粒級(jí)顆粒為主，沉降速度慢，易于被鹵水帶出孔外，從而有利于生產(chǎn)階段擴(kuò)大井下的鹵水貯存空間[5,14]。

3.1 開采方案

井組連通水溶開采法有三種可選方案，即對(duì)流井溶蝕連通-油墊建槽開采法、水力壓裂連通水溶開采法、定向斜井-水平對(duì)接井組連通水溶開采法。

對(duì)流井溶蝕連通-油墊建槽開采法。以2口直井為一個(gè)開采單元，各井先在下部用油墊對(duì)流法建槽，控制上溶，拓展側(cè)溶，促使鄰井在礦層下部溶蝕連通，再自下而上進(jìn)行水溶開采。其優(yōu)點(diǎn)為連通部位可靠，在開采礦層下部溶蝕連通后，可自下而上溶采，鹵水產(chǎn)量大，濃度高，礦石采收率較高，鹽井服務(wù)年限較長(zhǎng)；缺點(diǎn)為連通時(shí)間長(zhǎng)，耗油量較大，建槽期長(zhǎng)，升咸慢。

水力壓裂連通水溶開采法。以2口直井為一個(gè)開采單元，利用水力傳壓的作用，從其中一口井注入高壓淡水，迫使井下礦層形成壓裂裂縫與另一口井貫通，并將裂縫迅速溶蝕、沖刷、擴(kuò)展成壓裂通道，再自下而上進(jìn)行水溶開采。其優(yōu)點(diǎn)為鹵水產(chǎn)量大，濃度高，礦石采收率較高，相比實(shí)現(xiàn)井組連通的時(shí)間最短；缺點(diǎn)為壓裂主裂縫的延伸方向和連通部位不能有效控制，易造成鄰近井組間壓裂竄槽和地層充水，操作較困難。

定向斜井-水平對(duì)接井組連通水溶開采法[15-16]。以2口井為一個(gè)開采單元，朝目標(biāo)井（直井）鉆一口傾斜水平井，使兩井在礦層下部溶蝕連通，再自下而上進(jìn)行水溶開采。其優(yōu)點(diǎn)：連通部位基本可靠，采收率高。建槽時(shí)間短，升咸快，鹵水產(chǎn)量大，井下事故少，安全生產(chǎn)周期長(zhǎng)，采鹵井維護(hù)費(fèi)用低，井距大，控制的可采礦量多，服務(wù)年限較長(zhǎng)；缺點(diǎn)為水平井以下的礦石無(wú)法開采，約造成20%的礦石損失，上溶生產(chǎn)不加控制，易于上溶至礦層頂板。

比較上述三個(gè)方案，選用定向斜井-水平對(duì)接井組連通水溶開采法較為合適，該方法技術(shù)成熟，工藝可靠合理，是水溶開采法的發(fā)展趨勢(shì)。榆林地區(qū)有幾個(gè)鹽礦已成功使用這一開采工藝，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.2 開采工藝

3.2.1 采鹵工藝

（1）直井建槽工藝。

為了確保水平井與直井的順利連通，直井建成的初期應(yīng)進(jìn)行單井對(duì)流建槽。清水（第一次注清水）或注劑池配好的注劑（淡鹵水）經(jīng)采鹵泵加壓后送至直井井口，沿中心管下行至井底溶鹽，直到建成一個(gè)直徑6～10m的倒錐體鹽槽，合格濃鹵水沿中心管與技術(shù)套管的環(huán)隙返至地表，經(jīng)出鹵管送至鹵水池，不合格淡鹵水轉(zhuǎn)至注劑池再送至井下溶鹽（圖3）。

圖3直井建槽工藝簡(jiǎn)圖 Fig3 Diagram of vertical well slotting technology

（2）擴(kuò)槽工藝。

兩井連通后，由于連通的通道狹小，不能生產(chǎn)合格鹵水，應(yīng)立即進(jìn)行擴(kuò)槽，以擴(kuò)大溶腔的溶解面積。為使井下通道均衡地?cái)U(kuò)大，需定期調(diào)換注水井和出鹵井，一般15～30 天左右交換一次。井組連通，提出直井中心管后，首先把注劑池內(nèi)的清水（或注劑）經(jīng)采鹵泵加壓后送至直井井口，沿注水通道到達(dá)井底溶鹽形成淡鹵水，沿水平井出鹵通道升至地表，經(jīng)出鹵管送至鹵水池；然后把鹵水池內(nèi)的淡鹵水經(jīng)采鹵泵加壓后送至水平井井口，沿注水通道達(dá)到井底溶鹽形成淡鹵水，沿直井出鹵通道升至地表，經(jīng)出鹵管送至注劑池（圖4）。

圖4 擴(kuò)槽工藝簡(jiǎn)圖 Fig4 Diagram of expansion technology

（3）連通采鹵工藝。

回鹵泵將氯堿裝置的含鹽尾液及循環(huán)冷卻水輸送至注劑池（尾液經(jīng)處理去除有害雜質(zhì)后再輸送），并補(bǔ)充清水，配成注劑（淡鹵水）經(jīng)采鹵泵加壓后送至直井井口，沿注水通道達(dá)到井底，進(jìn)入水平段鹽槽溶鹽形成鹵水，合格濃鹵水沿水平井出鹵通道升至地表，經(jīng)出鹵管送至鹵水池，不合格淡鹵水轉(zhuǎn)至注劑池再送至井下溶鹽（圖5）。

圖5 連通采鹵工藝簡(jiǎn)圖 Fig5 Diagram of Connected brine mining technology

3.2.2 鉆井工程

（1）井組布置。

根據(jù)鹽礦賦存條件，采用行列式布井方式，每對(duì)組井（直井-水平井對(duì)接連通井組）沿礦體走向布置；每對(duì)組井的井間距400～500m，組井沿走向間隔200m，沿傾向間隔400m（圖6）。

圖6 井組布置示意圖 Fig 6 Schematic diagram of well group layout

（2）井組結(jié)構(gòu)。

直井下部鹽槽直徑為6～10m。水平井的水平段長(zhǎng)度不少于120～150m，水平井不下入中心管；為防止結(jié)晶堵管，上部井段應(yīng)下入降咸配水管。

（3）主注水井和主出鹵井。

井組對(duì)接連通以后，有兩種采鹵方式，一是直井注水、水平井出鹵；二是水平井注水、直井出鹵。

第一種情況下，在實(shí)現(xiàn)高咸高產(chǎn)的同時(shí)，水平井技術(shù)套管由于其周圍巖鹽不溶解而不會(huì)被擠毀破壞，鹵井事故少，安全生產(chǎn)周期長(zhǎng)，鹵井維護(hù)費(fèi)用少，產(chǎn)鹵成本較低（圖7）。

圖7 定向斜井-水平對(duì)接井組連通水溶開采法簡(jiǎn)圖 Fig 7 Diagram of water-soluble mining method for directional dip well and horizontally-butted well group

第二種情況下，在實(shí)現(xiàn)高咸高產(chǎn)的同時(shí)水平井技術(shù)套管周圍鹽巖會(huì)被溶解掏空，引起地應(yīng)力劇烈變化，導(dǎo)致技術(shù)套管變形甚至被擠毀、剪斷，鹵井事故多，安全生產(chǎn)周期短，鹵井維護(hù)費(fèi)用高，產(chǎn)鹵成本較高。一般情況下將直井作為主注水井，將水平井作主出鹵井，只有在洗井等特殊情況下才將水平井作注水井。

（4）井口裝置和配水管。

直井井口選擇三閘雙向立式井口裝置，既能滿足單井對(duì)流建槽的需要，也能滿足連通時(shí)環(huán)隙，中心管能同時(shí)注水或出鹵的需要；水平井井口裝置選擇兩閘單向立式裝置，既能滿足出鹵或注水的需要，也能滿足配水降咸的需要。由于產(chǎn)出鹵水濃度高，到達(dá)近地面井段時(shí)，隨著溫度降低，容易析出鹽晶體，造成上部井段堵塞，降低產(chǎn)鹵能力；因此，在上部約700m 井段下入降咸配水管，配水管選用φ73mm 油管。

3.2.3 輸鹵、回鹵工藝

從井下返出的合格濃鹵水，經(jīng)出鹵管網(wǎng)進(jìn)入鹵水池，鹵水池中的鹵水經(jīng)輸鹵泵送至氯堿裝置。氯堿裝置生產(chǎn)中產(chǎn)生的含鹽尾液及循環(huán)冷卻水（即回鹵水）去除有害雜質(zhì)后，經(jīng)回鹵泵送至注劑池，然后送到井下繼續(xù)溶鹽[17-20]。根據(jù)水溶開采的特點(diǎn)，按經(jīng)濟(jì)流速的原則，輸鹵、回鹵等各管路均要選用經(jīng)防腐處理的熱軋無(wú)縫鋼管，采用埋地敷設(shè)，埋深在凍土層以下；所有埋地管線外部采用陰極保護(hù)系統(tǒng)防腐，管內(nèi)采用PE 襯里進(jìn)行防腐。管線設(shè)計(jì)要有利于清管器進(jìn)行清管工作；在注劑池旁適當(dāng)位置設(shè)緩沖池一個(gè)，遇突發(fā)事件時(shí)，可將管內(nèi)鹵水放至緩沖池，以防凍堵管或鹵水外泄造成污染。

4 結(jié)論

陜北巖鹽賦存于奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，巖鹽層分布于馬家溝組一、二、三、五段，其中馬五段成鹽性最好。巖鹽礦含鹽品位高、鹽層厚、埋深大，巖鹽樣水溶性能測(cè)試結(jié)果顯示不溶殘?jiān)鼭耋w膨脹率遠(yuǎn)小于1，適宜用鉆井水溶法開采；通過(guò)比較對(duì)流井溶蝕連通-油墊建槽、水力壓裂連通、定向斜井-水平對(duì)接井組連通三種水溶開采法的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)選用定向斜井-水平對(duì)接井組連通法。定向斜井-水平對(duì)接井組連通一般情況下將直井作為主注水井，將水平井作主出鹵井；輸鹵、回鹵等各管路均要選用經(jīng)防腐處理的熱軋無(wú)縫鋼管，采用埋地敷設(shè)，埋深在凍土層以下。