天然碱矿综合钻井水溶开采工艺设计分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 26 日 作者简介：邢志坚（1995），男，汉族，河南南阳人，本科，助理工程师，从事研究方向或职业为钻井。-111-天然碱矿综合钻井水溶开采工艺设计分析 邢志坚 河南中源化学股份有限公司，河南 南阳 473000 摘要：摘要：钻井作业作为天然碱开采的关键环节，其重要性不言而喻。天然碱作为一种重要的化工原料，广泛应用于各个领域，因此，做好天然碱开采工作对于保障国家经济发展具有重要意义。然而，在天然碱开采过程中，存在诸多问题，如开采效率低下、资源浪费严重等。为了解决这些问题，本文将重点探讨天然碱矿综合钻井水溶开采工艺设计要点，以期为相关人士提供参考。关键词：关键词：天然碱矿；综合钻井；水溶开采工艺 中图分类号：中图分类号：TQ114.13 0 引言 天然碱是一种蒸发盐类矿物，富含碳酸钠、硫酸钠、氯化钠等多种化学成分。其中，碳酸钠含量超过25%，是全国化工行业罕见的基础原料。目前，水溶液采矿法是开采天然碱金属矿床的常用方法。这种方法利用了天然碱沉积物易溶于水的特性。淡水通过钻孔或隧道注入，以溶解地下沉积物中的有益成分，形成一种溶液，然后返回地面，通过管道输送到工厂进行处理1。与传统的巷道凿井方法相比，该方法可用于开采埋深更深、厚度较薄亦或品位较低的矿床，开采设备和工艺简单，并且环境污染小、生产成本以及能耗低、开采效率高。1 天然碱矿开采中存在的问题 由天然碱矿的实际生产实践中能够看出，目前已经有一套相对完整的开采工艺，如单井水力压裂扩压技术、单井吞吐技术等，有效解决了煤矿生产中出现的许多问题2。然而与此同时，也发现了许多问题。对这些问题进行梳理，主要包括以下几个方面。（1）压裂接井失败率高，资源回收效果不佳 一般而言，在采矿过程中，工人往往需分析应力情况和压裂通道的方向，同时还需进行相应的安排。在具体压裂实践中，井组之间的连接没有与连接井的设计相结合。这通常会导致意想不到的连通性，从而降低压裂的成功率。由相关研究进行分析发现，压裂形成的裂缝通常是垂直裂缝。这种类型的连通性会对采矿设计工作产生重大影响，使地下熔腔难以有效控制，这也是资源回收率低的关键因素3。（2）高压注水操作期间易带来钻井施工安全风险 在压裂连接的早期，需要注入大量高压水，以达到对井的渗透率流动的平面连通效果。在高压下，水会缓慢地渗入地层和矿层，同时可以有效地储存在地层和矿层中4。在钻井施工过程中，如果在矿层中的钻井和储存之间连接高压水，极易引发安全风险，如井喷事故和埋地钻井事故。由于矿层埋深较深，在建井工作完成后，生产压力会越来越大。单井增产方法持续时间长，这些均会对地层、矿层和钻井水泥环造成损害。严重状况下可能会发生环境灾害，从而不利于社会的持续发展。（3）高压运行形势下安全分析和运维成本均会增加 若选择压裂连通法或单井吞吐方法，在具体生产和操作过程中会带来显著的压力。为了确保工作的有序实施，必须确保地面管网以钻井套管的质量符合标准和规定。现阶段采矿作业中产生的不同问题一般是由生产套管射孔引起的。在采注井压力较高的情况下，配套的地面设备和管道压力水平也随之提高，这不但会在作业中对人员也会带来安全风险，而且使得生产和维护成本有所增加5。2 采矿方法选择 针对现阶段天然碱矿山开采期间存在的问题，为了尽可能开采成本，大幅提升资源回收率，可以采取一种综合钻探水溶液开采工艺方法，此工艺涉及到以下几类开采方法。（1）水平对接井溶采法 水平对接井溶出采矿法。若矿层的原生态得到很中国科技期刊数据库 工业 A-112-好的维护，矿层的品位和厚度能够满足区域要求，则可选择水平对接井溶浸开采法。对现有直井进行合理应用，实现新旧水平井的连通。水平井相互连通后，将构成通道，由此进行主要的开采工作。后续工作开展中若确保主采道与相邻矿层的互联互通，促进别的矿层后续开采工作的正常开展，工人通常可选择水平井压裂法6。（2）对井压裂溶采 依托压裂井的优势，在水平井组轴线的 1 边或 2个水平井组轴之间部署 1 排压裂垂直井，对其进行压裂处理，使裂缝沿主应力方向延伸，然后分别和 1 边或 2 边的水平井通道连通，从而产生和水平井道基本正交的采矿道。（3）单井吞吐法 对于明确主要采矿通道时，通常通过垂直井的上部井眼和水平井的上部井筒来实现，也能够借助于穿孔的途径来暴露上部矿层。在实施上矿层开采工作时，工作人员应合理使用单井吞吐法。单井吞吐开采法也可应用于矿区边缘。（4）支井开采段上行煤层分析。在做好水平井和压裂井通道的开采作业后，工作人员应分析和熟悉掌握上部矿层的具体深度、厚度和品位信息。在确保满足矿层厚度、品位等要求的基础上，有效利用水平井支井修建通道，并且落实好上行其他矿层溶出开采工作。3 确定布井参数 3.1 明确首采矿层 结合矿床的勘探结果和储量评价结果，Bed3 矿床被选为首采矿层，原因如下：（1）从下至上选择第一个采矿层。结合钻孔水溶开采的原则，第一开采层应按自下而上开采的顺序选择。Bed3 矿层以下 Bed1、Bed2 矿层分布面积较小，Bed2矿层含盐量较高，不具备目前的工业开采价值。（2）首选 Bed3 矿床。Bed3 矿层是矿区的主要矿层之一，分布相对稳定，厚度较大。通常情况下，只要在 Bed3 矿层 0.5 米等厚线边界内，并避开现有采空区，即可作为首采矿区；当矿石厚度大于 1.0 米时，可布置水平井采矿通道。（3）次选 Bed4 矿层。Bed4 矿层是矿区的主要矿层之一，分布区域最大，并且矿层稳定，厚度大。3.2 明确上部矿层开采方法 井的布置主要基于首采开采层来进行的，也使用压裂通道开采次采层。当矿层的分布区域以及特征参数符合条件时，选择分支井开采上部矿层7。因为矿区主要工业矿层之间的夹层厚度较大，为了降低上层矿石的开采成本，往往需采取多种方法对首采、次采层以上的矿层进行综合开采。（1）对于现有的垂直单井，采用射孔法对上部尚未出露的其他矿层进行出露，并进行进一步开采。（2）对于新设计的垂直井和水平井，在开采完成首采层和次采层后，利用水平分支井为厚度大于 1.0米的上层建立采矿通道接着进行开采。（3）对于新设计的垂直井和水平井，在首采层和次采层完成后，采用穿孔法露出厚度大于 0.5 米的上层矿石，进行单井吞吐开采。3.3 明确水平段采矿通道长度 首采层埋深约 700 米，相对较深。水平井的采矿通道长度应最大程度地在钻机容量区间内增加。但是，水平采矿通道过长也会产生不良影响：（1）因为单层矿体的平均厚度大部分不超过三米，因此在技术上很难把握矿体内水平段的钻探。如果水平段长度达到 300 米以上，钻孔时测量仪器存在一定的误差，很容易穿过矿层的顶部和底部，吃泡面很造成坍塌事故，还可能在采矿过程中造成采矿通道中固体岩渣偏多，使得采矿通道被堵住。（2）因为碱层的厚度和品位，以及注入工厂的溶液的压力、温度和流速等因素差异，垂直井溶液腔的最大开发半径为 35-70 米，水平通道溶液腔的宽度随着盐水流速和温度的衰减逐渐变窄。所以，水平开采通道过长会导致通道中间的碱矿开采宽度较低，这实际上会使得开采回收率下降。（3）因为大多数水平井的深度都在1000米以上，普通转盘钻机在后期水平钻井时可能会遇到加压困难，导致钻井进尺极慢，并可能发生钻井事故；但是，使用高度超过2000米的动力头钻机可能会导致超高的设备投资和钻井成本的增加。考虑到上述因素，为了使得钻探成本降低，建议采用 1500 米转盘钻机进行作业，并确定水平采矿通道的长度为 300 米左右。3.4 明确水平井井组组距 中国科技期刊数据库 工业 A-113-（1）因为采用了钻孔连接和压裂连接的综合开采方式，井的布置需要符合 2 个通道的合理配置。（2）水平井组沿轴线部署，相邻轴线之间的距离就是水平井组之间的距离。当组间距偏大的时候，压裂作业很难将垂直压裂井和水平井通道连接起来；当组间距太小时，压裂作业更有可能将垂直压裂井与水平井通道连接起来，然而压裂井产生的裂缝通道太短，会对产卤效率造成不良影响。（3）设计选用水平井组间距 600m，使垂直压裂井位于其中点，垂直破裂井与两侧水平通道的距离为300m。结合以往可溶性矿物压裂作业的实践，该距离可以在主应力方面上实现令人满意的连通性。此外，当连通对象从单井变为水平通道时，理论上其连通性会得到改善。4 井组类型 该采矿工艺方法涵盖六种不同类型的井8，如下所述。4.1 垂直单井 垂直单井表示的是与其他井组既没有压裂也没有钻井连通性的简单垂直井。仅在矿区边缘和断层或构造较多、难以部署其他井组的地区使用，通过单井吞吐开采9。4.2 垂直压裂井 垂直压裂井自身就属于 1 口垂直井，区别是它位于 2 个水平井组的轴线之间，是通过压裂完成的。该垂直压裂井通常通过裂缝与 Bed3 和 Bed4 矿层两侧的水平通道相连。4.3 垂直靶井 垂直靶井自身就属于 1 口垂直井，它与垂直井最大的差异是，它处在 1 组水平井井组内，并且借助于一口水平井钻井并将其与另一口垂直井中连接。它无须进行压裂作业。4.4 水平复合井 水平复合井是水平井和垂直井的组合，它结合了 2类功能，能够节约施工成本。首先，将其建造成一口水平井，连接 2 口垂直井，之后将其建造为垂直井，构建为 1 口生产井，将其作为下 1 个水平井组中的目标井。4.5 水平单井 水平单井通常表示的是用于连接两口垂直井的简单水平井。连接完成后，它处在水平井组轴线起始区域，不需要进行立井施工。4.6 水平分支井 水平分支井是使用 Bed3 或 Bed4 矿层作为首采层的水平井10。主矿层开采完成后，在它上面的矿层选择分支井实施溶采。5 综合钻井水溶开采工艺设计 在天然碱矿山综合钻井水溶开采技术设计过程，以水平组合井为例，具体井身结构工艺设计包括下列几点：（1）在最初钻井期间，选择钻头和 445 钻头钻至约 20 米的深度，且选择339.70 当表面套管下入时，还需采取油井水泥来实现固井以及密封表层土壤。在一口井的水泥养护中，养护时间通常需达到八个小时。（2）二开钻进时可寻找311 钻头进行钻进作业，钻进深度约为 350 至 450 米。应该引起重视的是，与深层含水层相比，它低了 10 米到 20 米，该距离能够确保固井段的质量。此外，需要实施测井工作以及测斜作业5。采用244.50 技术套管，以确保油井水泥固井。（3）在三开钻进工作的实施中，要最大程度地发挥120 螺杆马达216 钻头的优点，在钻进期间通常能够直接钻到第一层的落点。着陆层时要注意控制钻孔顶角，通常确保顶角处于 8694范围内。在明确着陆点的位置时，工作人员必须要合理地采用随钻测井技术，要明确的区域便是首采层。钻井过程中，必须与第 1 口靶井进行连接，同时关掉第 1 个目标点的垂直井口装置，防止泥浆循环影响水平钻井工作的实施。继续采取设备沿首采层进行钻探工作。在水平井段 2 两端，应建立一个循环管网，连续向其中注水三至五天，以便开发通道。（4）在四开钻进过程中，操作人员应使用120螺杆马达以及216 钻头。充分发挥它们的功能，并在原始偏移点进行反向偏移，钻约 20m 的新孔11。提起钻机拆除螺杆电机，使用216 钻头转盘，钻至矿层上方约 20 米。与此同时，有必要提起钻机并更换钻具，接着开展钻探作业，一直到到达矿层底部10米的位置，选择216 钻头将孔扩大到底部区域，并且把 139.7mm的生产套管下入其中，选择油井水泥进行固井，这样中国科技期刊数据库 工业 A-114-能够形成采矿通道。确保水泥养护时间达 72 小时。6 结语 总之，天然碱矿综合钻探水溶开采工艺的设计属于天然碱矿开采的关键一环。在开采过程中，工作人员需要高度关注开采工艺设计的要领，要明确各项参数，科学合理地进行操作，以确保开采方法可以满足天然碱矿开采的现状，并且获得理想的开采成效。参考文献 1洪常久.水平对接井技术在天然碱矿中的应用J.煤炭技术,2008,27(6)142-143.2向昆明,刘汪威,陈剑垚,等.三维地质建模在土耳其天然碱对接井设计中的应用J.探矿工程(岩土钻掘工程),2012,39(10):2-6.3刘海翔,刘春生,胡汉月,等.土耳其天然碱矿水平对接井水溶开采技术回顾J.探矿工程(岩土钻掘工程),2020,47(08):-13.4李林.天然碱矿综合钻井水溶开采工艺设计J.纯碱工业.2021(06):33-35.5李达.浅谈威西岩盐钻井水溶开采矿区卤水伴生气的综合治理J.中国井矿盐,2020,51(01):21-24.6宫如刚,曹福德,曹文忠,等.土耳其贝帕扎里天然碱矿水平对接井施工工艺J.探矿工程(岩土钻掘工程),2011,38(7):19-21.7向军文,胡汉月,刘志强.土耳其天然碱矿 30 对对接井钻井工程J.中国井矿盐,2007,38(5):25-28.8商敬秋,武程亮,刘汪威,等.无建槽直井的定向中靶作业J.探矿工程(岩土钻掘工程),2014,41(1):13-16.9杨帆.自然伽玛测井在天然碱开发中的应用研究J.中国井矿盐,2020,51(03):21-22.10贺跃光,刘聪,邢学敏.某钻井水溶开采矿区地表形变D-InSAR监测精度分析J.长沙理工大学学报(自然科学版),2018,15(03):79-84.11尹邦勇,王鹏.吴城天然碱矿水平分支对接井钻井施工难点与对策J.中国井矿盐,2019,50(01):28-32.