陕北奥陶纪岩盐资源及开采工艺

杨霞

河北寰球工程有限公司，河北 涿州 072750

盐广泛应用于化工、纺织、造纸、肥皂、染料、冶金、陶瓷、玻璃、医药、食品加工和贮藏、水处理、溶冰雪等行业，盐的消耗量是衡量一个国家工业化水平的重要标志之一。盐的原料来源可分为海盐、湖盐、井盐和岩盐4 类，中国盐矿资源基本状况是东部海盐、西部湖盐、中部井盐和岩盐。

岩盐主要分布在四川、湖北、湖南、云南、河南和陕西等省[1-3]。陕西省内食用盐的市场需求大约48～60 万t，省内已有盐化工厂生产能力仅为6～8 万t，周边的山西、宁夏等省区也是缺盐省，开发陕北盐田，对促进该地区矿产资源的优化配置、合理开发和加快老区经济发展都具有十分重要的经济意义和社会意义。

1 陕北岩盐资源概况

陕西岩盐产于奥陶纪，盐矿床分布于陕北一带，北至陕蒙边界、南至延安、西至靖边、东到佳县，面积约3.4万km2。奥陶系赋存石盐是1955年在延长油矿延1井发现的，1987年长庆油田镇川1井钻遇厚层石盐并取到盐矿心，同年长庆油田施钻榆9井，首次在陕北建立奥陶系含盐系剖面。奥陶系含盐层系根据其沉积特点可划分为3个旋回和10个亚旋回。3个旋回的淡化层段、盐层段厚度之比为1∶1.7，导致三个旋回产生的原因是地壳周期性的升降运动[1]。区内岩盐矿含盐品位高，盐层厚，远景资源量6亿t（图1）。

图1陕北奥陶纪盐盆分布示意图 Fig 1 Map of Ordovician salt basin distribution in northern Shaanxi

2 陕北奥陶纪岩盐矿床地质概况

2.1 区域地质背景

陕北岩盐矿床位于鄂尔多斯盆地中东部，次级构造单元属于鄂尔多斯盆地古中央隆起带东侧的米脂坳陷的东北缘。鄂尔多斯盆地中奥陶世，从马家沟一期到马家沟六期，前后共有4次海退（马一早期、马二期、马四期和马六期）和4次海进（马一晚期、马三期、马五期和马六期末），海进范围一次比一次大，海退范围也一次比一次大。在这大起大落的环境变迁中，形成了马一、马三、马五早期和马五晚期4次大的成盐期和6次聚盐期，形成了以米脂凹陷为古地理背景的陕北盐盆。盐盆的发展具有明显的继承性和收缩性，其中心位置基本不变，而盐盆范围由小（马一期）变大（马三期）再变小（马五期）。盐盆从西南向东北方向收缩，而盐盆的沉降幅度则一次比一次大（以马五期沉降幅度最大），形成上、下重叠的六套含盐层系[4-6]。

2.2 矿床特征

地层自上而下为：第四系、新近系、侏罗系（中侏罗统延安组、下侏罗统富县组）、三叠系（上三叠统延长组、中三叠统二马营组、下三叠统和尚沟组、下三叠统刘家沟组）、二叠系（上二叠统孙家沟组、中二叠统石盒子组、下二叠统山西组）、石炭系（上石炭统太原组、上石炭统本溪组）、奥陶系（中奥陶统马家沟组）；中奥陶统马家沟组为主要含盐地层（图2）。

图2奥陶纪盐田综合柱状示意简图 Fig 2 Schematic diagram of lithological column of Ordovician salt field

马家沟组由碳酸盐岩（灰岩和白云岩）和蒸发岩（岩盐及少量硬石膏）组成，岩盐主要产于马家沟组马1 段（O1m1）、马3 段（O1m3）和马5段的第4（O1m54）、第6（O1m56）、第8（O1m58）、第10（O1m510）亚段，以马5 段成盐性最好，马3 段次之，马1 段仅在局部有少量岩盐呈透境体产出。马5 段埋深2192～2711m，分布面积大，盐层厚，矿体走向近南北，倾向西，倾角3°～5°，一般3°，层状产出。

岩盐矿床位于陕北盆地东部。盆地基底顶界大致呈东高西低、北高南低、中间相对隆起的形态，基底结构和形态对盆地后期发展起着重要的控制作用。矿区构造简单，奥陶系顶界是一个由东向西倾斜的单斜构造，倾角3°～5°，西深东浅，埋深1700～3000m。主要盐组（O1m56）顶界较奥陶系顶界深90～130m，也是一个东高西低的斜坡。

2.3 岩盐层特征

岩盐层分布于马家沟组1、2、3、5段，控制程度较高的为马家沟组5段第4盐组和第6盐组。马5段第4盐组分布于佳县-绥德-清涧一带，石盐层数少，分布不稳定，一般为1～4层，厚6～9m，局部可见5～8层，厚17.5～37m，石盐单层厚0.5～10.09m。马5段第6盐组在全区都有分布，石盐厚34.60～137.50m，其厚度中心在镇川堡-绥德-佳县一带；含石盐12～23层，单层厚度0.14～17m。

马5段第4盐组石盐沉积韵律为白云岩-石盐序列，石盐主要为灰、浅灰、浅棕褐色，雾状、条带状、条纹状，中-粗晶结构；NaC1含量91.90%～99.21%，一般>97.23%；K+含量较低，为0.0075%～0.07%，一般为0.03%～0.05%；Br-含量为0.0111%～0.03%，一般为0.020%上下，个别较高；Br-×103/Cl-为0.199～0.512，一般0.3，下高上低；总的特征为质纯、低钾、低溴[8]。马5段第6盐组主要由泥质白云岩、白云质泥岩、膏质白云岩与石盐多次重复交替形成泥质白云岩（白云质泥岩、膏质白云岩）石盐序列[7]，白云质泥岩多为灰绿色，少数铁锈色；石盐主要为黄褐色、深灰色，少数灰色、浅棕色；石盐多数呈粗晶-巨晶结构，少数细晶，一般较纯；马五段第6盐组可由6个在全区稳定分布的含泥质白云岩或白云质石膏岩隔层，分隔为7个在地质编录剖面和测井综合解释剖面上可以清楚划分和对比、在地震反演剖面上可以连续追踪解释的盐体；NaCl含量在92.57%～99.61%之间，平均含量96.47%；Br-含量0.017%～0.0324%，Br-×103/Cl-为0.2569～0.5253；K+含量0.0409%～0.16%，个别钻孔见钾石盐薄层及光卤石、钾铁盐矿物[9]。

3 陕北岩盐矿床开采

在和中国同类型盐矿勘查和开采矿山的对比中，可比照的实例是四川威西、合川、长宁、川东等盐矿[10]。这些盐矿的矿层稳定性和构造复杂程度、开采条件都较陕北盐田要复杂,开采深度在四川最深的已达到3100m。陕北盐田镇川、米脂至绥德一带是盐层厚度大、勘探工程控制程度较高的地区，经济基础较好且交通便利，地势平坦，水资源有保证，具备先期开采的优越条件[11-13]。

根据研究区岩盐样水溶性能测试结果分析，岩盐水不溶残渣湿体膨胀率低，为4.12%～6.17%，远小于1，说明盐井开采后所形成的溶腔较大，部分被不溶物所充填，盐矿层适宜用钻井水溶法开采。水不溶残渣颗粒以小于2mm粒级颗粒为主，沉降速度慢，易于被卤水带出孔外，从而有利于生产阶段扩大井下的卤水贮存空间[5,14]。

3.1 开采方案

井组连通水溶开采法有三种可选方案，即对流井溶蚀连通-油垫建槽开采法、水力压裂连通水溶开采法、定向斜井-水平对接井组连通水溶开采法。

对流井溶蚀连通-油垫建槽开采法。以2口直井为一个开采单元，各井先在下部用油垫对流法建槽，控制上溶，拓展侧溶，促使邻井在矿层下部溶蚀连通，再自下而上进行水溶开采。其优点为连通部位可靠，在开采矿层下部溶蚀连通后，可自下而上溶采，卤水产量大，浓度高，矿石采收率较高，盐井服务年限较长；缺点为连通时间长，耗油量较大，建槽期长，升咸慢。

水力压裂连通水溶开采法。以2口直井为一个开采单元，利用水力传压的作用，从其中一口井注入高压淡水，迫使井下矿层形成压裂裂缝与另一口井贯通，并将裂缝迅速溶蚀、冲刷、扩展成压裂通道，再自下而上进行水溶开采。其优点为卤水产量大，浓度高，矿石采收率较高，相比实现井组连通的时间最短；缺点为压裂主裂缝的延伸方向和连通部位不能有效控制，易造成邻近井组间压裂窜槽和地层充水，操作较困难。

定向斜井-水平对接井组连通水溶开采法[15-16]。以2口井为一个开采单元，朝目标井（直井）钻一口倾斜水平井，使两井在矿层下部溶蚀连通，再自下而上进行水溶开采。其优点：连通部位基本可靠，采收率高。建槽时间短，升咸快，卤水产量大，井下事故少，安全生产周期长，采卤井维护费用低，井距大，控制的可采矿量多，服务年限较长；缺点为水平井以下的矿石无法开采，约造成20%的矿石损失，上溶生产不加控制，易于上溶至矿层顶板。

比较上述三个方案，选用定向斜井-水平对接井组连通水溶开采法较为合适，该方法技术成熟，工艺可靠合理，是水溶开采法的发展趋势。榆林地区有几个盐矿已成功使用这一开采工艺，其经济效益显著。

3.2 开采工艺

3.2.1 采卤工艺

（1）直井建槽工艺。

为了确保水平井与直井的顺利连通，直井建成的初期应进行单井对流建槽。清水（第一次注清水）或注剂池配好的注剂（淡卤水）经采卤泵加压后送至直井井口，沿中心管下行至井底溶盐，直到建成一个直径6～10m的倒锥体盐槽，合格浓卤水沿中心管与技术套管的环隙返至地表，经出卤管送至卤水池，不合格淡卤水转至注剂池再送至井下溶盐（图3）。

图3直井建槽工艺简图 Fig3 Diagram of vertical well slotting technology

（2）扩槽工艺。

两井连通后，由于连通的通道狭小，不能生产合格卤水，应立即进行扩槽，以扩大溶腔的溶解面积。为使井下通道均衡地扩大，需定期调换注水井和出卤井，一般15～30 天左右交换一次。井组连通，提出直井中心管后，首先把注剂池内的清水（或注剂）经采卤泵加压后送至直井井口，沿注水通道到达井底溶盐形成淡卤水，沿水平井出卤通道升至地表，经出卤管送至卤水池；然后把卤水池内的淡卤水经采卤泵加压后送至水平井井口，沿注水通道达到井底溶盐形成淡卤水，沿直井出卤通道升至地表，经出卤管送至注剂池（图4）。

图4 扩槽工艺简图 Fig4 Diagram of expansion technology

（3）连通采卤工艺。

回卤泵将氯碱装置的含盐尾液及循环冷却水输送至注剂池（尾液经处理去除有害杂质后再输送），并补充清水，配成注剂（淡卤水）经采卤泵加压后送至直井井口，沿注水通道达到井底，进入水平段盐槽溶盐形成卤水，合格浓卤水沿水平井出卤通道升至地表，经出卤管送至卤水池，不合格淡卤水转至注剂池再送至井下溶盐（图5）。

图5 连通采卤工艺简图 Fig5 Diagram of Connected brine mining technology

3.2.2 钻井工程

（1）井组布置。

根据盐矿赋存条件，采用行列式布井方式，每对组井（直井-水平井对接连通井组）沿矿体走向布置；每对组井的井间距400～500m，组井沿走向间隔200m，沿倾向间隔400m（图6）。

图6 井组布置示意图 Fig 6 Schematic diagram of well group layout

（2）井组结构。

直井下部盐槽直径为6～10m。水平井的水平段长度不少于120～150m，水平井不下入中心管；为防止结晶堵管，上部井段应下入降咸配水管。

（3）主注水井和主出卤井。

井组对接连通以后，有两种采卤方式，一是直井注水、水平井出卤；二是水平井注水、直井出卤。

第一种情况下，在实现高咸高产的同时，水平井技术套管由于其周围岩盐不溶解而不会被挤毁破坏，卤井事故少，安全生产周期长，卤井维护费用少，产卤成本较低（图7）。

图7 定向斜井-水平对接井组连通水溶开采法简图 Fig 7 Diagram of water-soluble mining method for directional dip well and horizontally-butted well group

第二种情况下，在实现高咸高产的同时水平井技术套管周围盐岩会被溶解掏空，引起地应力剧烈变化，导致技术套管变形甚至被挤毁、剪断，卤井事故多，安全生产周期短，卤井维护费用高，产卤成本较高。一般情况下将直井作为主注水井，将水平井作主出卤井，只有在洗井等特殊情况下才将水平井作注水井。

（4）井口装置和配水管。

直井井口选择三闸双向立式井口装置，既能满足单井对流建槽的需要，也能满足连通时环隙，中心管能同时注水或出卤的需要；水平井井口装置选择两闸单向立式装置，既能满足出卤或注水的需要，也能满足配水降咸的需要。由于产出卤水浓度高，到达近地面井段时，随着温度降低，容易析出盐晶体，造成上部井段堵塞，降低产卤能力；因此，在上部约700m 井段下入降咸配水管，配水管选用φ73mm 油管。

3.2.3 输卤、回卤工艺

从井下返出的合格浓卤水，经出卤管网进入卤水池，卤水池中的卤水经输卤泵送至氯碱装置。氯碱装置生产中产生的含盐尾液及循环冷却水（即回卤水）去除有害杂质后，经回卤泵送至注剂池，然后送到井下继续溶盐[17-20]。根据水溶开采的特点，按经济流速的原则，输卤、回卤等各管路均要选用经防腐处理的热轧无缝钢管，采用埋地敷设，埋深在冻土层以下；所有埋地管线外部采用阴极保护系统防腐，管内采用PE 衬里进行防腐。管线设计要有利于清管器进行清管工作；在注剂池旁适当位置设缓冲池一个，遇突发事件时，可将管内卤水放至缓冲池，以防冻堵管或卤水外泄造成污染。

4 结论

陕北岩盐赋存于奥陶系中统马家沟组，岩盐层分布于马家沟组一、二、三、五段，其中马五段成盐性最好。岩盐矿含盐品位高、盐层厚、埋深大，岩盐样水溶性能测试结果显示不溶残渣湿体膨胀率远小于1，适宜用钻井水溶法开采；通过比较对流井溶蚀连通-油垫建槽、水力压裂连通、定向斜井-水平对接井组连通三种水溶开采法的优缺点，应选用定向斜井-水平对接井组连通法。定向斜井-水平对接井组连通一般情况下将直井作为主注水井，将水平井作主出卤井；输卤、回卤等各管路均要选用经防腐处理的热轧无缝钢管，采用埋地敷设，埋深在冻土层以下。