察尔汗盐湖霍布逊区段资源开采过程中储卤层系统变化特征研究

韩 光, 袁小龙, 韩积斌, 刘久波,范增林, 胡 燕, 张西营

1)青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 青海省柴达木盆地盐湖资源勘探研究重点实验室, 青海格尔木 816099;2)河海大学水利水电学院, 江苏南京 210098;3)中国科学院青海盐湖研究所, 中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,青海省盐湖地质与环境重点实验室, 青海西宁 810008

察尔汗盐湖是我国超大型钾盐矿床之一, 盐湖钾矿以液态晶间卤水和低品位固体钾盐两种形态存在, 固体钾盐占 27.31%(王石军, 2005)。近年来, 随着盐湖资源高强度开采, 我国盐湖钾盐资源量骤减,低品位固体钾盐资源已成为填补盐湖资源缺口的重要组成部分(郑绵平和侯献华, 2017)。然而, 由于柴达木盆地固体钾矿品位低、分布不连续、呈薄层与浸染状零星分布而难以直接开采(袁见齐等, 1985;龙鹏宇等, 2022)。当前, 低品位固体钾矿液化开采被证实是一种有效的开采方法(王兴富等, 2017), 国内学者在察尔汗盐湖固体钾盐液化开采方面开展了相关研究(李文鹏, 1991; 刘喜业等, 2014; 焦鹏程和刘成林, 2020; 李瑞琴等, 2021; 常政等, 2022)。孙大鹏和吕亚萍(1995)利用察尔汗盐湖外围低浓度晶间卤水进行溶解光卤石实验结果显示: 随着光卤石的溶解和大量石盐结晶析出, 导致盐层中有效孔隙度减小, 从而影响晶间卤水在孔隙中的流动。王文祥等(2010)对盐湖低品位固体钾矿液化开采方面通过多种手段做了相关研究, 分析了驱动溶液固体钾矿过程中水动力与水化学条件变化特征。袁小龙等(2018)通过对昆特依盐湖浅部储卤层的渗透特性及赋存卤水水化学分析研究, 揭示了储卤层结构特征制约卤水化学性质的规律。现代盐湖低品位固体钾矿液化开采本质上是易溶盐层(孔隙介质)和高浓度多组分卤水系统中水动力对流扩散-化学平衡-多尺度孔隙结构演化相互耦合的物理化学过程。受到矿物分布、化学反应的非均一性、温度、流速等多因素的影响, 多孔地质储层介质中发生矿物溶解、流体化学性质改变、储层孔隙性及渗透性等水文特性的时空演化等一系列复杂的物理化学过程(Molins et al., 2012; Noiriel et al.,2016; Pereira Nunes et al., 2016; Hommel et al., 2018)。

目前, 在盐湖固体钾盐液化开采过程中, 储卤层系统变化特征的研究还缺少系统性研究。本文选取察尔汗盐湖霍布逊区段盐湖为研究对象, 以该研究区内钾盐液化开采为研究背景, 通过开展典型钻孔岩芯孔隙度、固体钾矿含量、卤水组分变化特征对比研究, 探讨了研究区盐湖大规模开采前后低品位固体钾盐固液转化规律及其成因, 为今后固体钾矿高效开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

察尔汗盐湖位于柴达木盆地的中东部, 东西长约168 km, 南北宽20～40 km, 面积5856 km2(蔡克勤和高建华, 1994; 郭新华等, 2006)。自东而西由霍布逊、察尔汗、达布逊、别勒滩四个连续的区段组成(图1)。察尔汗蒸发盐地层主要为全新统, 沉积物以盐类为主, 碎屑沉积次之。依据岩性和成因类型可分为风积、化学沉积、冲洪积、湖积等四种沉积类型(图2)。

图1 察尔汗盐湖霍布逊区段地理位置Fig. 1 The geographical location of the study area in Qarhan Salt Lake

图2 研究区地层特征Fig. 2 Stratigraphic characteristics of the study area

霍布逊西段与察尔汗区段相接, 东部逐渐变薄乃至尖灭, 南段延伸至 Qh冲湖积平原前沿, 向北延展至哑叭尔构造东延隐伏尾部南翼盆地边缘。沉积中心偏于区段西部, 主要由白色石盐、粉砂石盐、含粉砂的石盐、石盐粉砂组成, 多呈中粗粒自形-半自形单晶集合体, 固结松散, 厚度一般11.01～20.27 m,最大厚度 29.60 m, 最小厚度 4.46 m, 平均为14.73 m, 厚度变化系数为 28.99%, 总体呈中央厚,边缘逐渐变薄的“半球状”(杨谦, 1992; 蔡克勤和高建华, 1994)。

霍布逊区段固体钾矿中 KCl含量在 0.05%～0.27%之间, 平均含量为 0.14%, 含钾地质体分布面积737.98 km2, 平均厚度11.80 m, 经初步估算, 固体KCl资源量约为2.02×107t(王有德等, 2003)。这部分储量可观的固体钾盐资源通过液化开采的方式将其转化为卤水进行开采。

2 研究方法

2.1 样品采集方法

本次工作选取研究区大规模开采前后典型钻孔岩芯及卤水样品作为研究对象, 开展了化学分析和孔隙度测试工作。

固体样品采集方法为: 在钻孔中用劈心法按分层顺序连续取样, 每个样品取样长度为 0.3～0.5 m,取样重量不少于500 g。人工补水液化开采固体钾盐前(2004年)的勘探工作中, 我们系统采集了8个钻孔(ZK24802、ZK28002、ZK28004、ZK36002、ZK36006、ZK39203、ZK39205、ZK39207)(图3)共计 210 件岩芯样品。人工补水液化开采固体钾盐后(2019年), 在其中的 5个钻孔(ZK28004、ZK28002、ZK36002、ZK24802、ZK39203)附近0.5 m距离进行二次钻探并系统采集岩芯样品进行分析测试(部分钻孔进行了加深), 共采集固体岩芯样品 197件, 本次研究工作利用其中同深度、同层位的 145件样品进行了对比分析, 评价人工补水液化开采固体钾的转化效果。在钻孔抽水实验过程中, 每隔 4小时采集一次卤水样品,样品体积500 mL。卤水样品采集后, 用聚乙烯塑料采样瓶密封后尽快送至实验室进行水化学分析。本文对岩芯样品开展了孔隙度测试, 采集孔隙度样品过程中, 按不同含水层不同岩性以 2 m为间距采取原状固体样品测试孔隙度, 剥去包裹在样品表面的盐粉或黏土, 用双层棉纸包裹并用塑料胶带包扎后蜡封, 样品长度 10～15 cm, 共采集孔隙度样品44个。由于2004年补充勘探时孔隙度测试样品采集较少, 故本次研究工作选择2011年储量核实工作中同孔位采集的 44件孔隙度测试数据进行了对比分析。

图3 钻孔位置和固体钾盐含量等值线Fig. 3 The site of the borehole and the contour map of solid sylvite concentration

2.2 样品测试方法

固体样品经粗、中、细多级破碎筛分至100目后进行矿物种类及含量分析。实验条件为: 电压为40 kV, 电流为30 mA, Cu靶Kα辐射(λ =1.5406), 扫描角度(2θ)为 5°～80°, 扫描速度为 5°/min。各矿物种类的检出及相对百分含量的确定由该仪器自带的软件X’ Pert High Score Plus完成。卤水样中K+、Na+用180-80原子吸收测定(EM); Mg2+用EDTA容量法; Cl–用 AgNO3容量法; 密度用波美质量密度(比重)仪或采用质量密度(比重)瓶测得。主要组分的检测限如下: SO2–4<0.1 mg/L, Mg2+≤0.05 mg/L。

岩芯样品孔隙度测试方法: 将样品分离至单晶状态加入同类型卤水(反向法)测试给水度, 给水度与通过湿度换算出同类卤水所占体积比之和为孔隙度。样品测试单位为青海省柴达木综合地质矿产勘查院岩矿测试中心, 该方法主要优点是卤水能在短时间内充分进入样品孔隙, 解决了原状岩芯浸泡过程中排气不及时孔隙不能充分被卤水充填的问题,提高了测试结果精度。

3 结果分析

3.1 储卤层固体钾盐分布特征分析

通过对固液转化前(2004年)采集的210件岩芯样品进行固体钾矿物及其含量分析(图3), 结果表明, 在平面上, KCl含量在ZK28002孔和ZK28004孔品位较高, 平均品位为 0.19%, 最高值为 0.27%,而位于东北部的钻孔ZK36002、ZK39205、ZK39203出现 KCl低值, 平均品位 0.11%。纵向上, 含钾储层厚度由沉积中心(20.51 m)至边缘(12.35 m)逐渐减小, 而各孔中固体钾沉积呈现出周期性波动变化特征, 其含量高值区段分别位于1.00～2.50 m、5.00～7.50 m、9.30～10.80 m、14.10～15.30 m等4个深度区段(图4)。

图4 垂向上钻孔深度及固体KCl含量/%Fig. 4 The depth of the borehole and solid KCl concentration /% in the vertical direction

从以上分析结果可以看出, 储层中固体钾在空间上分布具有一定的规律性, KCl含量与含钾层厚度存在正相关, 含钾盐层厚度越大, KCl平均含量越高; 外界补给源对固体钾分布影响明显, 越靠近补给源, KCl含量呈持续下降趋势; 自西向东,KCl整体含量呈持续下降趋势, ZK28002、ZK28004两钻孔位于矿区西南部, 含钾盐层厚度较大、钾盐品位相对较高。

3.2 开采前后储卤层系统变化特征

通过对2004年和2019年岩芯样品固体钾含量(<10 m)对比分析(表1), 研究发现, 溶采前, 钻孔KCl含量最大值出现在钻孔ZK28004的HJ03样品(深度1.0～1.5 m)和钻孔ZK28002的HJ04号样品(深度 1.5～2.0 m), 其含量均为 0.27%, 与其对应的2019年采集的钻孔QK28004-1的HJ03-1样品(深度1.0～1.5 m)KCl含量为 0.09%, 钻孔 QK28002-1的HJ04-1样品(深度 1.5～2.0 m)KCl含量为 0.04%;2004年采集的 5个钻孔中 KCl含量算术平均数为0.15%, 与其对应的 2019年获取的该 5个钻孔KCl含量算术平均数为 0.09%。由此可见, 经过15年大规模开采该地区钾盐资源后, 储卤层中固体钾矿含量较2004年降低明显, 降低约40%。水平方向上(图5), KCl含量均呈现出明显的降低趋势, 但是降低幅度表现出不均匀的特点, 其中, 含量高值区段ZK28002和ZK28004钻孔KCl平均品位较补水前降低了约75%, 相对低值区段的ZK24802、ZK36002孔中KCl平均品位降低了约40%。

表1 2004年和2019年研究区5个钻孔固体钾盐含量变化对比Table 1 Comparison between the solid potash content of five boreholes during 2004 and 2019

图5 补水前(2004年)后(2019年)水平方向上储卤层中KCl含量变化Fig. 5 Changes in KCl content in the brine reservoir before (2004) and after (2019) water replenishment

由于钻孔 ZK28002(QK28002-1)样品完整性及数量均优于其他钻孔, 因此, 本文以该钻孔为例分析了研究区储卤层固体钾盐开采前后在垂向上的变化(图6)。在 2004—2019年开采过程中, 该孔固体钾盐溶解率最高为 92.96%, 最低为 37.50%, 平均溶解率达到80.47%。开发前, KCl含量最高值出现在储层深度1.5 m处, 其含量为0.27%; KCl含量最低值位于储层15.11 m, 其含量为0.14%。经过多年溶解抽卤开采, 2019年, 采集同层位岩芯样品, 与上述对应层位 KCl含量对比, 分别降至 0.019%和0.035%。分析得知, 在整个钻孔中, KCl含量最高的层位, 其固液转化率也是最大的。

图6 钻孔ZK28002(QK28002-1)开采前后固体钾矿含量变化Fig. 6 Variation of the solid KCl concentration in ZK28002 (QK28002-1)

孔隙度是衡量地层储水空间大小的重要指标。由孔隙度测试结果可以看出(图7), 2011年各钻孔样品孔隙度最大值 25.23%, 最小值 13.82%, 平均孔隙度为 19.36%, 与之相对应, 2019年各钻孔样品孔隙度最大值29.13%, 最小值12.93%, 平均孔隙度为20.98%。可以看出, 2019年平均孔隙度变化范围更大, 储层孔隙度总体呈增加趋势, 部分钻孔中样品孔隙度相比2011年出现了降低的现象。相比2011年, 孔隙度增加的样品共26件, 其孔隙度增加值为 31.23%。孔隙度减小的样品 18件, 其孔隙度减小值为12.65%。

图7 研究区2011年和2019年储卤层孔隙度变化Fig. 7 The porosity of brine reservoir in the study area in 2011 and 2019

随着盐湖资源开采力度逐渐增大, 储卤层中卤水主要化学组分含量也发生了明显的变化。从表2可以看出, 研究区液体 KCl平均品位从 2004年的0.65%下降至2019年的0.47%, 卤水中NaCl浓度也发生了明显下降, 从 2004年的 12.94%降低至2019年的 7.65%。与前二者相反, 研究区卤水中MgCl2含量从 2004年的 9.47%增加至 2019年的15.08%。

表2 不同时期卤水中主要组分含量Table 2 Differences in the main composition of brine in 2004, 2011, and 2019

3.3 综合分析

霍布逊区段, 自西向东, 固体钾盐整体含量呈持续下降趋势, 这一特征与整个察尔汗地区自西向东由别勒滩—达布逊—察尔汗—霍布逊钾矿层厚度逐渐变薄的整体变化趋势是一致的(袁见齐和霍承禹,1981)。察尔汗盐湖的形成环境是典型的浅水沉积环境, 盐类沉积是从別勒滩、达布逊、察尔汗、霍布逊发展推进的, 由此造成了各区段含盐系的剖面不一致的情况。盐湖卤水浓缩演化过程中, 远离盐湖中心,盐层沉积厚度变薄、卤水浓缩程度相对较低, 反之,接近沉积中心, 盐层沉积较厚, 卤水浓缩程度相对较高。研究区东部地区为河流补给区, 每年有大量淡、咸水由此进入盆地, 溶解了部分固体钾矿导致含量降低(杨谦, 1992)。察尔汗盐湖的沉积模式类似于“泪滴式”(孙大鹏, 1974), 具有別勒滩、达布逊和察尔汗多个沉积中心。靠近沉积中心, 沉积环境较为稳定, 卤水富集浓缩程度较高, 因此含钾盐层厚度较大、品位相对较高。

通过对开采前后储卤层中固体钾含量变化分析可知, 固体钾盐含量越高, 其固液转化速率就越快,含量降低幅度就越大, 反之亦然。人工补给的水体由补水渠侧向入渗径流至下游采卤渠的过程中, 由于储卤层孔隙结构存在差异性, 促使水体在高渗透区聚集并快速流动, 而在低渗透区流动缓慢或处于停滞状态(袁小龙等, 2018)。这一现象说明在补水溶矿过程中, 固液转化率存在空间不均一性, 孔隙度测试结果、抽水试验等数据分析成果可以明确判定, 具有高含量KCl的储卤层渗透性大于低含量KCl的储卤层, 其固液转化率大于后者。

研究区内固、液相钾盐矿的主要载体是固体石盐层, 固、液相钾盐互相转化, 当卤水达到一定浓度时, 钾盐矿物结晶析出, 与含钾卤水共同分布在固体石盐层孔隙中(吴必豪等, 1986)。盐层的孔隙度会随着卤水浓度变化而发生变化, 当卤水浓度增高时,部分盐类矿物析出, 充填在石盐晶间孔隙中, 导致盐层孔隙度变小; 而当卤水浓度降低时, 则会溶解盐层中的盐类矿物, 使晶间孔隙增大。通过抽水实验及卤水化学分析得知, 2011—2019年间, 大规模抽采卤水以及人工补水溶矿工程将高矿化度卤水抽出并将低矿化度水体补给储卤层, 导致晶间卤水矿化度降低, 水位上升, 盐层中固体钾盐等易溶盐类矿物发生溶解, 使得晶间孔隙逐渐增大。通过孔隙度测试发现, 孔隙度低的样品中细砂等碎屑矿物明显高于孔隙度高的样品。由此可见, 固液转化过程中, 与盐类矿物共存的细沙等碎屑物质随卤水发生横向和垂向迁移并在高、低渗透区局部界面位置发生二次堆积, 或迁移至低渗透区而使得该区域储层孔隙发生淤堵, 从而降低了储卤层的孔隙性和渗透性。

多年盐湖资源开采行为使得低浓度补给水体不断溶解石盐层中的固体低品位钾矿, 并与卤水混合,卤水中KCl总含量增加, 而KCl浓度却由于稀释作用而降低; 卤水中 NaCl含量降幅较大, 是由于高NaCl卤水大量抽取, 低矿化度水体不断补给, 同层位环境条件下, 石盐比光卤石、钾石盐溶解缓慢。卤水中 MgCl2含量逐渐增高, 这与人工补水溶解开采固体钾盐过程中老卤回灌有关。老卤是盐田晒盐后尾端残余的含高浓度 MgCl2液体, 在盐湖资源固液转化开采过程中, 通过将淡水与老卤以一定比例配制溶浸剂后注入盐层溶解固体钾盐矿, 实现液化开采的目的。

4 结论

本文通过对研究区不同开采时段(2004年、2011年和2019年)钾盐含量变化、孔隙度变化以及卤水组分变化等进行了对比分析, 得出以下结论:

(1)地下卤水资源大规模开采, 大量高矿化度卤水被带出, 低矿化度水体补给储卤层, 促进了低品位钾盐类矿物的溶解, 增大了储卤层的孔隙度。局部区域储卤层孔隙度较开发前发生减小的现象。这是由于储卤层孔隙性具有空间非均一性, 存在高渗透区和低渗透区, 低浓度水体渗流溶解过程中, 在高渗透区持续溶解而孔隙度增大, 形成渗流通道; 低渗透区中流体相对停滞, 且孔隙发生淤堵, 孔隙度降低。

(2)对比不同时段固、液体KCl含量变化, 其KCl品位均发生了降低, 液体矿 KCl品位下降值小于固体 KCl品位下降值, 原因是低品位固体钾矿发生了固液转化, 使卤水中 KCl总量增加, 但由于混合稀释作用卤水中品位 KCl品位表现为下降趋势; 同时固体钾矿溶解效率与KCl含量有关, KCl品位越高,溶解效果越好。

(3)卤水中 KCl、NaCl含量均出现降低趋势, 主要是由于大量卤水开采以及低矿化度水体的补给作用, 使得卤水出现了淡化现象; 卤水中MgCl2含量明显增多, 这与开采过程中老卤(主要成分为MgCl2)回灌有较大关系。

致谢:野外工作过程中得到青海省柴达木综合地质矿产勘查院李得刚总工程师、谢学光高级工程师等的大力帮助和支持, 项目组马宗德、马宏涛、李树伟参加了本次野外工作; 论文修改过程中, 青海省地质矿产勘查开发局总工程师潘彤、青海省柴达木综合地质矿产勘查院李东生教授级高级工程师在论文修改过程中提出了很多建设性的宝贵意见。在此一并表示衷心感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by Qinghai Scholar Special Project (No. QHS201802), National Natural Science Foundation of China (No. 41807216), Chinese Academy of Sciences (No. ZDRW-ZS-2020-3),Applied Basic Research Project of Qinghai Province(No. 2020-ZJ-765), and The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research (No. 2019QZKK0805).