薄层复层状盐矿对井连通开采溶腔形成机理研究

余勇进，陈千汉，周普松，陈 宁

(1．湖北省盐务局, 湖北 武汉 430022；2.湖北省矿业联合会，湖北 武汉 430022；3.湖北双环科技股份有限公司， 湖北 应城 432407；4.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

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75m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。

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30～50m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1.5～2.5∶1，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—地下溶腔—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0.23MPa/100m，水平方向应力梯度约为1.1MPa/100m。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2.4～3.6MPa/100m。裂隙扩展直到连通时的稳定压力梯度在1.2～1.4MPa/100m，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口井压裂裂缝的传导，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，类似于弯延曲折的河道。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,其孔隙度随之减少，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1980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600～1000m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1000m以上，当埋藏深度达到1500m以上，其安全性更高，溶腔直径与保安矿柱的比值为2.8～3。

[1] 湖北省国土资源厅. 湖北省盐矿地质勘查规程, 2008.

[2] 湖北省国土资源厅. 湖北省盐矿水溶开采设计规程, 2008 .

[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, 2008.