山东省泰安市大汶口地区岩盐矿开发利用相关问题探讨

摘要：大汶口盆地内岩盐资源丰富，开发利用始于20世纪90年代，根据岩盐层赋存特征、矿石质量特征，盆地内岩盐采用钻井水溶法采矿。本次以岩盐开采方式为研究对象，基于岩盐开采现状调查，分析生产中卤水渗漏、堵井事故的产生原因及处理方式。通过分析，认为岩盐钻井水溶开采中，通过加强井组技术参数的研究可有效提高资源利用率，生产中通过选择高质量套管、提高固井质量、加强生产管理及监控等，可有效预防生产事故的发生。

关键词：大汶口盆地；岩盐矿；开发利用；水溶开采；山东省泰安市

中图分类号：P619.211    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.002

引文格式：郝瑞娥.山东省泰安市大汶口地区岩盐矿开发利用相关问题探讨［J］.山东国土资源，2024，40（2）：914. HAO Rui'e. Discussion on Development and Utilization of Rock Salt Deposits in Dawenkou Area in Tai'an City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：914.

0 引言

鲁西地区受区域构造活动影响，形成了自东向西展布的蒙阴凹陷、汶东凹陷、大汶口凹陷。受控于区域构造格架，大汶口盆地在丰富的物质补给来源、炎热干燥的气候条件下，形成了巨厚的蒸发岩沉积建造，其形态为极缓倾的箕状断陷盆地，盆地内岩盐、石膏资源丰富，累计查明岩盐资源量约75亿t［13］。

依托于丰富的岩盐资源，盆地内岩盐矿开采始于20世纪90年代，至今已有30多年历史。随着岩盐开采工艺的发展，目前岩盐开采采用钻井水溶法井组定向井连通工艺开采，卤水采用管道封闭运输方式。生产中，堵井、卤水渗漏等问题不仅影响岩盐开发利用，同时可能产生一系列地质环境问题。本文以大汶口盆地内岩盐矿开发利用为出发点，探讨岩盐开采利用中的各类生产事故，并结合岩盐开发方式分析产生原因，提出事故预防及处理建议，以促进岩盐资源开发与环境保护的协调发展。

1 地质矿产特征

1.1 矿床地质

大汶口盆地是在古生界基底基础上发育的中、新生代断陷盆地，区域地层为新太古代泰山岩群、寒武奥陶系、石炭二叠系、古近系、新近系、第四系［45］。盆地受外围南留弧形断裂、王庄断裂和故县店断裂控制，内部受NW、NE向同生断裂切割，其不均衡活动改造着盆地的生成和发展，形成一系列次一级的构造洼地和构造凸起（图1）［6］。根据盆地剩余重力异常特征及钻探揭露情况，盆地西部东向洼地内发育巨厚古近纪官庄群大汶口组，该组是重要的岩盐矿赋矿地层。盆地历经多次岩盐矿、石膏矿勘查，查明盆地内岩盐矿分布面积约50km2，整体呈一个巨大的透镜体状。根据成盐期不同阶段和不同的盐类组合，盆地内含盐系可划分为32个韵律段，即自下而上发育的32个岩盐矿层［7］，矿层呈单斜层状，延伸稳定，产状与赋矿地层基本一致，走向NEE，倾向320°～340°，倾角4°～6°。单层厚度0.44～16.53m，单孔累计见矿最大厚度171.63m，岩盐矿层与石膏层互层［8］。盆地内古近系含盐系沉积整体呈现东部浅、西部深的趋势，东部漕河涯矿段顶板埋深750～890m，西部东向矿段顶板埋深840～1100m，矿层赋存深度为750～1800m，含矿带厚度约沉积中心位于济河堂村ZK8、肥钾3孔附近［9］。

1.2 矿石质量特征

大汶口盆地岩盐矿石主要为白色、茶色块状石盐矿石，呈中粒状、中粗粒结构，块状构造（图2）。矿石矿物以NaCl为主，含量较高一般为75.63%～97.29%，平均为86.60%，其次为钙芒硝、杂卤石、石膏等。矿层顶底板为灰白色硬石膏矿、泥灰岩、泥岩等，矿层与围岩界线明显，局部矿层见1～2m硬石膏质夹层。

根据岩盐矿矿石盐类水溶性能试验结果，在20℃恒温条件下，岩盐矿石侧溶溶蚀最大平均速度为5.9～14mm/h，侧溶角为27°～45°。上溶溶蚀最大平均速度为2.6～17.6mm/h，溶蚀速度随着卤水浓度升高逐步降低。水不溶残渣颗粒以＜0.1mm者居多，占57.09%；0.1～2mm的次之，占36.15%；＞2mm的占6.76%，且其沉降速度随卤水浓度的升高而趋于缓慢。根据水溶试验结果，岩盐矿石易溶于水，适宜于钻井水溶法开采。

1.3 开发利用现状

大汶口盆地的岩盐开采已有30多年历史，岩盐开采区集中在岱岳区李家大坡村至肥城市边院镇张庄村一带，目前设置有采矿权10处，现集中开采区面积达20km2。矿山前期采用单井对流采卤法、压裂法开采，2000年后逐步采用井组定向井连通采卤法采卤。盆地内现有生产井160多口，其中30多口废弃井。根据调查井组定向井连通采卤法采卤井技术参数如下：

井组注水流量：80～90m3/h;

井组回卤流量：70～85m3/h;

卤水质量：NaCl含量（300±5）g/L，CaSO4≤5g/L;

注水壓力：3.0～4.0MPa;

注采比：1∶0.85～1∶0.95;

卤井寿命：15年。

2 开采方式与开采工艺

2.1 开采方式

目前国内岩盐矿的开采方式主要有：旱采、硐室水溶开采、钻井水溶开采等多种方法。大汶口盆地岩盐深埋地下，上覆地层为泥灰岩、石膏岩稳定性好，根据矿石盐类水溶性能试验结果，岩盐矿石溶蚀速度快，水不溶残渣少，较适宜于钻井水溶法开采。钻井水溶法技术成熟可靠，产能大，井下事故少，井组服务年限长，回采率高，是目前广泛采用的地下深埋岩盐矿的采矿法。

根据对盆地的调查，大汶口盆地岩盐矿自开采以来，一直选择钻井水溶法进行岩盐矿开采。

2.2 采卤工艺

地下岩盐矿钻井水溶法开采有单井对流法、压裂法、井组对接井联通采卤法等多种开采工艺，各开采工艺特点如下：

单井对流法：生产过程为施工1口采卤直井，在完井的井壁管内部下入中心管，淡水经中心管注入井底溶解岩盐矿石，形成卤水后从两层套管的环形空间返回地面，完成岩盐矿开采。单井对流溶蚀空间小，因盐类矿石上溶速度较测溶速度大，单井对流中顶板暴露面积大易造成顶板垮塌。因此单井对流工艺简单、操作容易、投资小、见效快，但产卤能力低，特别在多薄层岩盐矿开采中安全生产期短，井下事故多［10］，适宜于布设于无法形成连通井组和无法布置对接井组的地段，生产中溶腔空间不宜过大。

压裂法：生产过程为施工2口采卤直井，利用高压泵提高淡水的压力，通过压力压至岩盐矿层破坏出现裂隙并延伸至另一盐井，完成2口采卤井的压裂连通，1口井注淡水另一口连通井出卤，完成岩盐开采。压裂法适宜于矿层、夹层为多个互层且分界明显、层理性好，埋深大于400m，无破碎、断裂构造区域。压裂法井下溶蚀通道建立速度快，卤水产量高，但生产中压裂方向、连通方向难控制，压裂过程易造成开采盐层裂隙多，夹层膨胀［11］，溶蚀通道杂乱，薄层顶底板受高压易破坏，可能与深层地下水发生水力联系，生产后期安全性难以保障，严重時可导致卤井报废。

井组定向井连通采卤法：采卤井施工中逐步引入石油开采的定向井对接技术，实现直井和水平井在首采层直井对接连通，发展成井组定向井连通采卤工艺。该工艺先施工一口直井，并在直井底部建盐槽（溶腔），后施工一水平井直接与直井盐槽对接连通，水平井上部仍为直井在适当位置定向并与目标盐槽对接［1213］。生产中直井注水水平井出卤，完成直井-水平井连通采卤（图3）。该工艺建井成本高，但井组寿命周期长，卤水产量高，溶蚀通道长，控矿量大，资源利用率高，生产管理简单，是目前较为提倡的生产工艺。

大汶口盆地内岩盐开采始于20世纪90年代，先期采用单井对流法和压裂法，该2种工艺方法存在采卤能力低、成本高、井内事故多、回采率低、卤水溶解度不稳定、修井任务大、环境污染大等弊端［1415］，2000年后逐步被淘汰，选用井组定向井连通采卤法采卤。

大汶口盆地内岩盐矿层埋深大于700m，岩盐矿层与石膏互层发育，矿层顶板为石膏，顶板力学性质较高，裂隙不发育，岩体完整性好，单层岩盐矿厚度为0.44～16.53m。经盆地内岩盐开采实践经验证明，较适宜于采用井组定向井连通采卤工艺开采，目前该开采工艺已成为大汶口盆地岩盐开采的首选工艺。

2.3 对接井组技术参数的选择

钻井水溶法开采地下岩盐矿，其主要的生产系统为采卤连通井组，其中采卤井井深（即首采层）、井组布设参数等是影响矿床开发资源利用的主要技术参数。

2.3.1 首采层及井深的确定

钻井水溶法采矿主要依靠淡水对岩盐矿的溶蚀作用，实现矿层自下而上的开采。溶采直径较大时，各上下岩盐矿层的连通主要依靠顶板非矿夹层石膏层的自然垮塌，因此对首采层与上部各岩盐矿层间隔较小，要满足岩盐开采后能依靠自然垮塌融通上部盐层。同时，岩盐矿层开采时需进行直井底部的建槽以满足对接井的水平对接精度，一般要求对接靶区具有不小于半径2m的建槽溶腔，因此需要首采层具有一定的厚度［16］，一般要求最低4.0m。

大汶口盆地内岩盐矿层单层厚度0.44～16.53m，岩盐沉积中盆地东部底部矿层发育，盆地西部上部矿层发育，盆地内发育的32个岩盐矿层中7、15、21、23、25、27为主矿层。根据历年勘查结果，底部1～6矿层发育不稳定，分布面积小，厚度小，开采经济价值低，不宜作为首采层。7岩盐矿层分布面积约46.7km2，分布面积大，厚度约为1.92～10.14m，仅个别钻孔揭露小于4m，平均厚度为7.07m（图4）。7层岩盐矿距离上覆8层岩盐矿间距为5.64～12.16m，平均7.41m（表1），在7层岩盐矿溶解的情况下，可通过上覆地层的压力实现间隔石膏夹层的垮塌，连通后自然溶蚀上部8层岩盐矿。

结合大汶口盆地岩盐矿层埋深较大，上覆隔水层厚度大的发育特征［17］，盆地内岩盐矿钻井水溶法开采宜选择7层岩盐矿作为首采层，采卤井施工中在7层盐底板上部1.5m建槽对接。

2.3.2 连通井组布设

井组布设方位：布井中充分考虑卤水比重分异原理，即底部卤水浓度最高，往上呈指数递减，顶部浓度最低［18］，因此一般在井组布设中多将井组沿矿层倾向布设，注水直井布设于倾向下方，出卤水平井布设于倾向上方。大汶口地区岩盐矿层走向NEE，倾向320°～340°，倾角较缓，因此选择将水平井布设于南部，直井布设于北部，井组呈NWW方向。

生产中因水平井出卤通道中卤水浓度高，且采卤井底部温度高，岩盐溶解度大，回卤过程中因卤水提升温度降低、岩盐溶解度减小而致岩盐结晶堵塞通道，同时不溶于水的夹石易在水流作用下形成“葫芦颈”堵塞［19］，企业需进行定期倒井，即水平井注水，直井回卤，达到反冲洗和调整卤水浓度的目的。

井间距：连通井组的直井—水平井的井距是影响资源利用率的关键因素，在井组溶蚀半径一定的前提下，加大井距能增加水平段溶腔的长度，提高回采率，但也会因长度的增大导致溶腔在上覆盐层的压力下塑性收缩变小，进而造成井组堵塞事故，同时井距大，建井周期长、成本高。相反，井距小，溶蚀通道管，淡水溶解岩盐时间短，易造成产出卤水浓度低，回采率低，造成资源浪费。综合考虑，大汶口地区岩盐多薄层，埋深大，根据现状调查井间距宜控制在250～400m。

井组排距：井组排距指相邻两对对接井之间的间距，大汶口盆地岩盐矿为多薄层，岩盐矿与石膏矿互层发育，根据调查一般设计采卤井的溶蚀半径为50m，为防止两相邻井组溶腔串通，同时又充分利用岩盐资源，满足岩盐开发利用回采率指标要求，一般井组排距为200m。

3 开发利用中相关问题及处理方法

岩盐开采的产品为卤水，一般NaCl含量≥295g/L，卤水质量满足生产要求，生产中主要问题为堵井事故及生产过程中卤水的渗漏。

3.1 堵井事故

采卤井生产中堵井事故主要为结晶堵、“葫芦颈”砂堵［20］。

结晶堵是因溶腔深埋地下，受地温梯度的影响，底部温度高卤水溶解度大，卤水回卤提升中温度降低，卤水溶解度变小，易在回卤通道中采卤井管壁形成结晶而堵塞通道［2122］。大汶口地区，现存采卤井深度多为800～1300m，根据地温梯度测算，矿层与地面温度差约30℃，对接井生产中降温速率小，经测量盆地内回卤井卤水温度为40℃左右，受不同温度条件下NaCl溶解度变化，导致回卤中易在井壁盐结晶。

砂堵主要因斜井段为裸眼钻进，一般采用φ152mm的小钻头，斜井段不可避免的交替切割夹层与盐层，夹层不溶于水，受注水压力变化及顶板大面积垮塌等影响，残渣易随水流进入溶蚀通道，发生砂堵［23］。

生产中堵井事故发生后，造成注采比显著降低，或注采流量显著减小等生产现象。结晶堵主要发生在回卤斜井中，生产中常采用水平井注水直井出卤倒井的方法，冲淡斜井卤水浓度，以减少结晶堵，或小钻头扫井清除结晶体，但扫井中易造成井壁管损伤。针对砂堵现象，生产中多通过注水憋压、泄压，形成溶腔内动荡水流以疏通溶蚀通道。

3.2 卤水渗漏

岩盐开采中原材料为淡水，产品为卤水，生产过程中的环境影响因素为卤水渗漏。卤水渗漏可造成地下水资源、土地资源污染，土壤盐碱化等一系列地质环境问题［24］，同时腐蚀性Cl可降低建、构筑物的安全性和耐久性［25］。根据调查，周边地下水pH变化范围为6.8～7.8，平均值为7.39，呈中—弱碱性，其中Cl平均质量浓度为492.56mg/L［2627］，因此应在生产中引起足够重视。

岩盐采用钻井水溶法，采用管道运输方式，整个生产过程均为管道密闭状态，卤水的渗漏原因主要为采卤井的泄露、管道的“跑、冒、滴、漏”。

采卤井泄露首先为采卤井质量问题造成采卤井破损泄露，其次为废弃采卤井未封闭，造成卤水喷涌。

采卤井的质量主要受H2S气体、采卤井套管质量、采卤井固井质量、采卤井的使用年限等因素影响。大汶口盆地内岩盐矿层中含有H2S气体，H2S对井管有强腐蚀性，易造成井管的穿孔。盆地内采卤井套管多采用φ177.8mm×8.09mm石油套管，套管的厚度及套管质量等因素是影响采卤井质量及使用寿命的重要因素，根据调查一般采卤井的安全使用寿命为15年，超服务年限后应密切关注卤井套管质量，施工中应选择高质量套管以延长卤井的使用寿命。同时，固井质量的好坏，直接影响采卤井的使用寿命。生产中固井应选择油井水泥，施工时水泥浆从井筒底部注入返出地表完成全井段固井，固井后进行20MPa试压监测及声幅测井，以检查固井质量，确保套管与钻孔间充满水泥，完全阻隔卤水顺套管外上涌。废弃采卤井井管可沟通溶腔与地表，在未封闭或封闭质量差的条件下，受底部溶腔内卤水压力过大的情况下，可能发生井口卤水喷涌，污染周边环境。

管道的“跑冒滴漏”，主要为管道接头不严密及管道受卤水腐蚀所致。生产中管道应选择抗腐蚀好的无缝钢管并埋地敷设，在施工中做好外防腐，提高管道质量及使用寿命。同时，采卤中建立管道巡查制度，并密切监视生产压力、流量數据，以便及时发现卤水渗漏并修复。

因此，岩盐开采中合理选择生产套管、保证固井质量可延长卤井使用寿命，减少采卤井事故。加强制度建设，完善矿山管理及管道巡查制度，进行生产压力、流量、浓度的科技管控，对废弃采卤井及时封堵，可有效预防堵井及卤水渗漏事故的发生。

4 结论

（1）大汶口岩盐矿深埋地下，结合岩盐矿石的质量特征，较适宜于采用钻井水溶法井组定向井连通采卤工艺开采地下岩盐矿。

（2）岩盐矿开发利用中应结合岩盐发育规律布设井组，并合理选择首采层、井间距、井组排距等井组技术参数，以提高岩盐资源利用率。

（3）采卤井施工中应选择高质量套管，提高固井质量，延长采卤井使用寿命，提高矿山经济效益。

（4）矿山开采中应加强岩盐矿生产管理，实施数字化监控系统，对生产中压力、流量数据进行实时监控，对废弃井进行规范化封井，可有效预防堵井、卤水泄露等事故的发生。完善矿山管道巡查制度，做到及时发现及时处理，有效保护生态环境。

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Discussion on Development and Utilization of Rock Salt Deposits in Dawenkou Area in Tai'an City in Shandong Province

HAO Rui'e

（Shandong Geological Exploration Institute of General Administration of Geology and Mines of China National Chemical Corporation， Shandong Tai'an 271000， China）

Abstract：The rock salt resources in Dawenkou basin are abundant. The exploration and utilization of rock salt began in 1990s. According to the occurrence characteristics of rock salt layers and the characteristics of ore quality，  rock salt in the basin have been explored by using drilling water solution method. In this paper， focusing on the mining method of rock salt， based on the investigation of present situation of rock salt mining， the origins and treatment methods of brine leakage and well blockage accidents in production have been analyzed. It is believed that strengthening the study of well group technical parameters can effectively improve resource utilization in rock salt drilling and water solution mining. In production， selecting high quality casing， improving cementing quality， strengthening production management and monitoring can effectively prevent the occurrence of production accidents.

Key words：Dawenkou basin; rock salt deposit; development and utilization; water-soluble mining; Tai'an city in Shandong province