柴达木盆地昆特依大盐滩钾盐矿水文地质条件及开发对策①

2023-01-05郭文祥

化工矿产地质 2022年4期

郭文祥

陕西煤田地质油气钻采有限公司，陕西西安 710054

钾是农作物生长的三种重要元素之一，因此钾肥是农业生产的关键肥料。中国是农业大国，但中国可溶性钾资源严重匮乏，据中国钾肥数据网信息，近年来中国钾肥进口量逐年攀升，2019年，钾肥对外依存度达到49.5%。钾肥资源的短缺制约着中国农业发展，甚至已经威胁中国粮食安全[1-2]。

柴达木盆地钾盐资源储量丰富[3-4]，大盐滩矿区钾盐矿是其重要代表之一，是以地下卤水液体矿为主、固体矿并存的综合性钾盐矿，从下更新统到全新统共包含5层晶间卤水层，分别为潜卤水层WI和承压卤水层WⅡ-WV，详查地质报告显示矿区KCl资源仅WⅡ矿层D级表内储量就高达4349.68万t，但由于矿区地下卤水补给来源单一，地层渗透性差等原因，补给效率较低[5-6]。近年来随着矿区企业卤水的开采，地下水位持续下降，已经严重影响到资源开发效率。本文从深入分析大盐滩矿区水文地质条件为着手点，结合矿区近期实施的补水工程现状以及矿区综合地质特征和开发技术发展方向，为矿区未来资源开发提供技术参考。

1 矿区概况

1.1 矿区地质概况

大盐滩矿区是在阿尔金山走滑大断裂的强烈影响下形成的断陷盆地（图1），位于柴达木古地块北缘，它的产生和发展受新构造运动的强烈影响。矿区西部为俄博梁构造，南部为葫芦山构造，冷湖构造位于矿区东部及东北部。区内断裂构造十分发育，断裂普遍具有长期、多次、复杂的活动特征，它们对成矿作用的影响程度不同，其中遥F5和遥F6可能为导水构造[7]。矿区含矿层以第四系为主，隔水层以含黏土及石膏的淤泥为主，卤水层多为含粉砂、黏土、芒硝的石盐，且多与淤泥互层。含盐地层主要以含芒硝的石盐、含粉砂的石盐、含光卤石的石盐粉砂、粉砂石盐等为主，普遍夹有黏土层及淤泥层。地层整体较为松散，尚未成岩[7]。

图1 大盐滩矿区地质概况图 Fig.1 Geological sketch map of Kunty salt lake mining area

1.2 矿区开发现状

矿区开发采用传统的井渠开采方式开采卤水，十几年来，围绕主采区矿区西北部沉积中心，累计施工开采井200余眼。为了弥补井采量的不足，同时施工了积水渠道，通过渠道汇集卤水抽采，已形成的积水渠道宽度一般1.8m，深度约7.5m，施工长度约16.7km。目前，由于卤水开采困难，生产所需原材料供应不足，造成实际生产难以达到年产78万t的规模目标，2019年度，矿区生产硫酸钾仅8万t。卤水开采量成为制约企业生存的关键因素。

2 水文地质特征

水文地质条件是影响可溶性钾盐矿开发的核心要素[8]，大盐滩盆地水文封闭条件良好，盆内构造发育，且山前平原砂砾石广泛分布，为矿区储水提供了有利条件[7]。总体而言，地下水的赋存状态严格受构造和地貌的控制。阿尔金山山体的上升和盆地第三系褶皱的隆起，使其间堆积了巨厚的第四纪沉积物，成为地下水的主要赋存场所，构成了闭流的水文地质单斜盆地。地下水补给来源主要来自于北部山区地表洪流的渗漏以及基岩裂隙水的侧向补给，因此，不具有从盆地四周到中心的水文地质环状分带规律。地下水的补给来源和第四系沉积物来源的一致性，决定了矿区地下水的不对称分布，总体呈现自补给区到排泄区的分带规律。

根据地下水的赋存条件、水理性质及水力性质，将地下水含水岩组划分为四种基本类型，即：松散岩类孔隙水、化学岩类晶间水、碎屑岩类裂隙孔隙水和基岩裂隙水。按产出时代、赋存条件等，自上而下可划分为五个卤水矿层，其间有较稳定的隔水层。其中赋存于上更新统的WI和WⅡ卤水矿层具有富水性强、易开采等特点，为矿区主采矿层（图1）。

2.1 主采矿层富水性及分布规律

WI矿层为潜卤水矿层，赋存于上更新统上部盐岩晶间，赋卤介质岩性为石盐、含粉砂的石盐、含芒硝的石盐等。潜水位埋深0.85～6.43m，平均2.07m，汇水中心部位水位埋藏浅，边缘水位埋藏深。潜卤水的富水性分布极不均匀，沉积中心ZK3208孔一带富水性较好，单位涌水量大于10m3/d·m，是矿区潜卤水富水性最好的部位，向边缘富水性减弱，单位涌水量均小于10m3/d·m。

WⅡ矿层为晶间承压卤水矿层，赋存于上更新统下部盐岩晶间，赋卤介质岩性为含芒硝的石盐、含粉砂的石盐、芒硝石盐、粉砂石盐、含粘土（淤泥）的石盐等。矿层顶板埋深0.30～18.04m，平均8.53m。与潜水层类似，本卤水层在沉积中心一带富水性最好，该地段含水层也最厚，最大单位涌水量可达459.70m3/d·m。向外围富水性逐渐减弱，大部分地带单位涌水量小于10m3/d·m。

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2.2 地下水补给、径流与排泄条件

矿区水文地质图在图1中给出，矿区地下水补给条件较差，主要接受周边冰雪融水、大气降水以及逐层越流补给。矿区北部呈北东东向分布的阿尔金山是区域地下水的主要补给来源，山区海拔高，降水充沛，主峰终年积雪，并发育现代冰川，降水和冰雪融水主要以基岩裂隙和地表洪流渗透的形式补给山前地下水。矿区自然环境恶劣，区内属典型的内陆干旱气候，年降水量仅为14.3mm，蒸发量高达2975.2mm，且矿层普遍含淤泥、粘土等隔水层，因此大气降水补给条件较差。矿区第一承压水的水头较上部潜水位稍高，第二至第四承压含水层因埋藏深，水动力条件发生很大变化，其水头远高于潜水位。各含水层之间的隔水层岩性主要为含石膏的淤泥，具有一定的透水性，具备一定的越流补给条件[6]。

在自然水力坡度大于1%的条件下，如果含水层透水性好，则地下水径流条件较好。因大盐滩盆地含水层中普遍含有粉砂、芒硝、淤泥乃至粘土，加之石盐层本身较致密，故地下水流动很缓慢。在大盐滩盆地内，东西两侧地下水向中部低洼处径流，只有在补给较丰富时，向北部流动[9]。

大盐滩盆地无外部水体排泄地下水的条件，北部向俄博滩的地下水通道因水力坡度太小，含水层渗透性差，而不具备明显的排泄条件。矿区唯一的排泄途径，是浅埋潜水蒸发，深部承压卤水通过断裂构造或逐层越流向上补给潜水而排泄。潜卤水的蒸发排泄受埋藏深度的制约，在临界蒸发深度以下蒸发几乎停止[10]。矿区地下潜卤水的水位埋深多年来基本保持不变，因此，可以认为大盐滩地区地下水的补排关系基本处于平衡状态。

2.3 地下水水文地球化学特征

矿区卤水阴离子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-，阳离子以Na+、Mg2+、K+、Ca2+为主，卤水TDS 328.48～375.04g/L，平均347.80g/L。Cl-中和Na+含量在阴阳离子中占比最高，故矿区地下水的水化学类型为典型的Cl-Na型[10]。值得着重强调的是，矿区卤水中除过Cl-中和Na+以外，SO42-离子最为富集，为矿区硫酸钾的生产带来了极大便利。

此外，矿区周边广泛分布石油抽采作业井，油田水资源丰富，主要分布于新生代储油构造中。油田卤水中含量高的离子有Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-，Na+，K+，Ca2+，Mg2+等。周边油田水TDS介于8.26～161.24g/L，平均值47.49g/L。油田水水化学组分的一个重要特征是水中硫酸根含量很低，而富集H2S气体，反映了相对封闭的还原环境，为封闭还原环境的CaCl2型水[11]。

3 矿区人工补水现状

矿区前期开发过程中主要通过井、渠结合的方式进行，收集卤水送至晒盐场进入生产环节。由于含矿层渗透性差，单井汇水面积有限，卤水资源自然渗透补给难以接续，造成单井开采量小。为了实现矿区资源高效开发，利用矿区北部西大沟水源地和东部骆驼泉水源地，人工开挖引水渠、布设饮水管线工程共计310km至大盐滩主采矿区，增加地下水补给量。

目前，人工补水量单日最高可达18万t，理论上，按照每吨硫酸钾生产需要补水65.7t计算，单日补水量可满足日产硫酸钾2740t。而人工外部引水至矿区以后，由于矿区地层渗透性差，同时外部低盐度水密度低于含矿层卤水密度，因而引水向下渗透效率相对有限，并且矿区固体含钾资源以难溶的杂卤石为主，补水溶矿效果不及预期。

4 开发对策

4.1 开采技术现状

矿区卤水资源开发目前采用非开挖钻井技术，在含矿层内实施超长距离水平钻井，并与抽采直井连通（图1），在矿区北端注入外部引水，向南基于矿区盐田建设需求和区域地下水补给条件设置多口抽采井，基本原理如图2所示。

图2 非开挖长距离水平钻井示意图 Fig.2 Schematic diagram of trenchless long-distance horizontal drilling

基于该方法，极大地增加了直井地下卤水渗流汇水面积，经过测算，与施工前相比，与原有单一直井的卤水抽采相比，本方案经过实施超过30km的超长距离非开挖水平钻连通工程，卤水抽采效率达到了施工前的9.3倍（表1）。

表1 非开挖水平井施工前后抽采效果对比 Table 1 Comparison of extraction effects of trenchless horizontal wells before and after construction

4.2 建议开采方案

基于矿区水文地质特征以及现有客观条件，结合相关技术调研，本文提出以下三种开采技术方案，作为矿区硫酸钾未来开发利用的备选方案。

4.2.1 羽状井开发

如图3所示，在水平井的基础上，将水平井改造为多分枝羽状井，并在各分支井中段实施一口垂向联通井，从而实现在平面上增加汇水面积，在垂向上沟通多个含水层，进而提升卤水抽采效率[12]。在抽采过程中可以将外部引水直接通过造斜段注入井下，经过长距离和大面积的横向流动，实现矿物溶解，提升矿物浓度，并且能够高效提升外部引水效率。

图3 地下卤水羽状井开发示意图 Fig.3 Schematic diagram of underground brine plume well development

该开采方法是对非开挖长距离水平钻井开发方式的一种拓展，能够进一步提升单井汇水面积，增加出水量，但是其施工难度及成本相对较高，需根据实际地质条件做综合评估以决定是否可行。

4.2.2 利用地热能开发难溶杂卤石

前已述及，矿区周边广泛分布石油抽采作业井，且已有大量抽采井资源枯竭，但油田水资源丰富，并且水温较高。前人研究表明，油田水主要分布在柴达木盆地西部，东部哑巴尔、达布逊构造及北部的马海、南八仙等构造的古近纪和新近纪地层。自上而下共分三个承压自流水含水层组，分别为上新统上部含水组，水化学类型为氯化物型，TDS107.2～363.8g/L，含水层埋深1000m以下，本组自流水与天然气共生，压力大、水头高，产水量大；中新统承压自流含水组，水化学类型同样属于氯化物型，TDS34.1～289.3g/L，单井水量达数百方；渐新统含水组，TDS16.7～230g/L，埋深1000～2000m。因此，可以将资源枯竭油气井下的油田热水资源引入矿区水平井，用于硫酸钾资源的溶解开采（图4）。

图4 直井抽取地热水溶盐方案模型图（箭头指示水流方向） Fig.4 Model diagram of salt solution scheme of geothermal water for vertical well extraction

本方法一方面可以利用油田水携带的热量提升含矿层水温，从而能够提升难溶杂卤石的溶解效率；另一方面，由于抽采用的是废弃油井内的油田水，能够实现废弃油井的二次利用，降低了钻探成本，提升了油井价值[13]。不足之处在于该方法极大程度上受限于客观油气井的地理位置条件，并且在应用前需要对废弃油井内的水资源及地热能资源开展必要的评价工作。

4.2.3 原位“焙烧-热浸”开发难溶杂卤石

前人研究结果表明，杂卤石经过300～500℃焙烧后，用90℃热水浸取，能够有效的提升硫酸钾溶解效率，当焙烧温度高于350℃、热水浸取温度不低于90℃时，K+离子回收率可以高达95%以上，几乎是常温杂卤石溶浸开采回收率（23.56%）的4倍[14-15]。据此，结合近年来固体矿产原位改性开采技术思路，有学者提出杂卤石原位“焙烧-热浸”开采方法（图5）[16]。具体是通过系列钻井作业，在杂卤石矿层内填入可燃物作为焙烧井，并在焙烧井内设置空气注入通道，同时在焙烧井周围施工数口注水井。为了使得杂卤石岩层导热性更好，同时为注水提供渗流通道，利用定向射孔或压裂技术，使焙烧井与注水井相互联通，并使注水井相互之间联通。完成上述作业以后，向焙烧井内填充可燃物并点燃，通过注入高压空气，在支撑可燃物燃烧的同时形成载热流体，携带热量向四周扩散，实现含矿层焙烧目的。当杂卤石层温度达到350℃以后，向注水井内注入热水浸取硫酸钾资源。该方法当中，加热方式还可以通过电加热完成。

图5 剖面示意图 Fig.5 Schematic diagram of section

原位“焙烧-热浸”开发难溶杂卤石是借鉴了矿产资源“原位改性开采”技术，基于杂卤石高温焙烧后的物理化学性质改变而提出的探索性方法，有望极大提升杂卤石中钾资源的回收率，但是目前还存在一系列相应的技术难题，需要逐一攻克。

就上述三种新的开采方案而言，国内外目前均无先例实施，相应的各方法也有其不同的优缺点，“羽状井开发”是当前最有望直接应用的开采方法；而“利用地热能开发难溶杂卤石”则需要根据实际地质条件开展相应的方法论证；对于“原位‘焙烧-热浸’开发难溶杂卤石”这一方法，目前尚处于基础理论和技术研发阶段，但是其潜在的发展价值也是最大的。