根据盐类矿物易溶于水的特性, 把水注入矿床, 将矿床中的盐类矿物溶解置换成卤水, 然后进行采集、输送的一种采矿方法。淮安赵集井矿盐盐层埋深1446-1922m, 共布井组14对, 单井2口, 合计30口盐井, 自2005年投产以来, 生产过程中相继出现SY9、SY13等4个井组因溶腔漏失停井, 其余井组也普遍存在上溶过快, 井漏风险较大的问题。针对矿区严峻形势, 开展溶腔溶蚀特征分析, 做好上溶控制。
盐类矿物易溶于水是其固有的自然特性。水溶解盐类矿物的物理化学过程是:带有正负极的水分子, 在与盐类矿物接触时, 当水分子对其离子的引力足以破坏离子矿物的结晶格架, 离子进入水中。
从化学动力学分析, 盐类矿物在水中的溶解过程, 包括水进入盐矿物表面, 水与盐矿物间的相互作用, 以及溶解后的盐矿物从固液接触表面向水中扩散的过程。扩散是继续溶解的前提, 扩散的动力来源于盐溶液在空间上的浓度差, 当浓度差为零时, 扩散及相应的溶解即停止。
影响盐岩矿物溶解速度的主要因素有盐矿自身条件决定的内在因素和可调控的外部因素。为深入了解矿区盐岩溶蚀特性, 在赵集井矿取3种盐样, 开展不同温度、浓度、倾角下的溶蚀试验, 分析盐岩溶蚀的影响因素。
盐矿溶解度越大, 溶解速度越快。通常, 盐类矿物中溶解速度:氯化物〉硫酸盐〉碳酸盐〉硼酸盐。
盐矿品位越高, 溶解越快。由室内溶蚀实验可知, 试样的品位影响试样的溶解速率。盐岩品位S-16-30>S-21-2>S-16-15, 由三种灰色石盐岩的溶解速率对比可知, 品位越高, 溶解速率越大 (见表1) 。
多种矿物组分共生的盐矿, 主要矿物的溶解速度受其它组分影响。主要盐类矿物与其它组分含有相同离子, 溶解速度呈彼此消长关系。主要盐类矿物与其它组分不含相同离子, 溶解速度加快。
矿物结构疏松或裂隙越发育, 水与矿物的溶解接触面越大, 溶解速度较快。
实验中随温度的升高, 试样溶解速率不断加大, 70℃的溶解速率约是30℃的2.994倍 (见表2) 。
实验中随溶液浓度的提高, 溶解速率明显降低, 当浓度增加到20%时 (接近饱和) , 溶解速率较小 (见表3) 。
盐岩的溶解具有明显的角度效应, 随着溶解角度从小到大的转变, 溶解速率发生成倍加快, 在180°倾角下 (上溶) , 最快达到0.6921g/ (cm2.h) , 盐岩溶解速率的增长存在分段性, (0°~135°) 速率增加> (0°~45°) 速率增加> (45°~90°) 速率增加 (见表4) 。
采用较大的注水流量, 扩散作用加强, 溶腔内卤水浓度较低, 溶腔壁面边界处浓度梯度增大, 盐岩溶蚀速度加快。
在盐井中注入隔离保护液, 采用自下而上逐级提升的方法, 对盐层进行分段溶蚀, 控制上溶速度, 强制侧溶, 可以有效控制腔体形态, 保证卤水质量, 提高采收率。
淮安赵集井矿盐投产10年时间, 相继出现4口井溶腔漏失。SY15井投产5年即因井漏关井, 其余3口井正常生产时间也仅为7-9年, 远低于预计可采年限。除遵循盐岩溶蚀一般规律外, 该矿区地质特点的特殊性和生产工艺, 也是造成溶腔上溶速度快, 过早到达顶板卤水漏失, 停止生产的原因。
区块含盐系地层顶板围岩以泥质硬石膏盐、石膏质泥岩、云质泥岩为主, 厚度3.5-3.8m。开采早期认为该盐岩顶板致密坚硬, 遇水不膨胀, 耐崩解, 为良好不透水层。2014年1月, 实测苏盐15-1井生产套管处溶腔边界距盐顶仅4.3m。2016年, 开展盐腔顶板漏失实验。顶板为石膏质泥岩、泥质砂岩、盐层交替层, 经XRD测试, 上覆层微孔隙、裂隙发育, 孔隙度9%~14%, 渗透率>0.1md, 渗透性很强;在高压和无压状态下, 测顶板吸水性。高压水在顶板中的渗透速度约为2.4m/日, 可达72m/月, 吸水率相对无压状态下提高了31%, 可导致大量的卤水随顶板渗透到上覆岩层或更远处。实验中石膏泥岩层表现出强烈的“分层”现象, 即浸泡后一层一层剥离, 预计盐腔大量漏失后, 石膏层将以分层垮落破坏, 砂岩以整体大块垮落破坏 (见图1) 。
早期认为盐层顶板为不透水盐岩, 采盐层厚 (98-135m) , 因此未采用隔离保护液。由表4可知, 盐岩上溶速度为侧溶的1.4-1.8倍。在溶蚀过程中, 一旦局部上溶过快, 在没有隔离液遮挡的情况下, 将直抵隔层。而该区块隔层极不稳定, 溶腔大量漏失之后, 造成顶板自重增加、强度软化, 累计到一定程度后会就出现垮落。
注水方向对溶腔的形状有一定影响。赵集盐井通常采用水平连通井组开采, 正反循环交替注水, 可以有效控制卤水浓度分布, 促进两端溶腔均匀发展。但在生产过程中, 砂等水不溶物呈不连续砂桥状堵塞注采通道, 目前因技术、工具等原因解堵治理难度大, 盐井被迫长期单向注水, 两端溶腔的不均匀程度逐渐增大。统计11个对井, 斜直井体积比1.26-59.67, 平均7.94。以SY7井组为例, 2010年投产, 因直井端存在局部井堵, 2011年以后只能斜井端注水, 斜直井体积比达到59.7, 预测斜井端溶解余高小于35m, 上溶风险较大。
排量增大, 扩散作用增强, 可以改变腔体内卤水浓度剖面。采用较大的排量溶蚀, 溶腔内卤水平均浓度较低, 溶蚀速度快;相反, 采用较小的排量溶蚀, 溶腔内卤水平均浓度较高, 溶蚀速度较慢。根据赵集3口SBT测试数据分析:随着注水强度的增大, 上溶速度迅速增加。当注水强度由54m3/h增加到70m3/h, 折算年上溶速度提高121%。4口漏失停井中, SY15-1井2006年4月投产, 2011年8月井漏关井, 平均注水强度72m3/h, 折算年上溶速度19.7m。比较其它对井, 注水强度控制在50m3/h以下的, 生产较为平稳。
(1) 在盐岩溶蚀过程中, 除自身条件决定外, 外界的浓度、排量、隔离液对腔体形态的变化和开采年限作用较大。加大排量, 可以促使溶解速度加快, 满足产能需求, 但是在顶板稳定差的情况下, 又无隔离液在纵向上的阻挡, 将可能带来快速上溶井漏的风险。
(2) 油垫法是控制上溶可靠有效的方法。在现工艺条件下, 研究油垫位置和注采参数对盐岩高效回采具有深远的意义。
摘要：通过理论研究以及室内实验, 开展了影响上溶速度的因素分析, 同时根据水平连通井组现场状况分析, 结合SBT测试情况, 得到了影响上溶速度的主要因素以及连通井组上溶过快的主要原因。
关键词：盐岩,水溶开采,上溶速度
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