地质工程硕士论文-威西长山岩盐矿区水溶开采关键技术及其应用研究

分类号 密 级 U D C 编 号 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 题名和副题名题名和副题名 威西长山岩盐矿区水溶开采关键技术及其应用研究威西长山岩盐矿区水溶开采关键技术及其应用研究 作作 者者 姓姓 名名 指导教师姓名及职称指导教师姓名及职称 教授教授 工程硕士领域名称工程硕士领域名称 地地 质质 工工 程程 论文提交日期论文提交日期 2008 5 论文答辩日期论文答辩日期 2008 5 学位授予单位和日期学位授予单位和日期 年年 月 月 答辩委员会主席答辩委员会主席 评阅人评阅人 2008 年年 05 月月 分类号 学校代码 U D C 密级 学号 XXX 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 威西长山岩盐矿区水溶开采关键技术威西长山岩盐矿区水溶开采关键技术 及其应用研究及其应用研究 指导教师姓名及职称 教授教授 高工高工 工程硕士领域名称 地地 质质 工工 程程 论文提交日期 2008 5 论文答辩日期 2008 5 学位授予单位和日期 年 月 答辩委员会主席 评阅人 2008 年 05 月 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 XXX 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 XXX 有关保留 使用学位论文的规定 有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 本人授权 XXX 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 学位论文作者导师签名 年 月 日 摘 要 I 威西长山岩盐矿区水溶开采关键技术及其应用研究威西长山岩盐矿区水溶开采关键技术及其应用研究 摘摘 要要 四川自贡长山岩盐矿区由于受到区域构造应力 断层牵引力 旋扭应力等 的影响 在盐层顶 底板的刚性岩层中产生了大量的羽状裂隙 岩层的整体结 构遭受破坏 在采用钻井水溶开采时 围岩极易垮塌 使生产卤井产能降低 造成卤井生产安全期大大缩短 开采中后期盐矿采区出现大面积连通 废卤井增 多 注水井结垢严重 卤水质量下降 岩盐回采率较低 在开辟岩盐新区时 由于对矿区水文地质条件研究不够充分 采区选择不合理 造成两大采区严重 漏失 部分卤井生产能力不能恢复 生产成本大幅上升 为了提高生产能力 增 加企业经济效益 解决以上问题已迫在眉捷 本文在充分利用已有研究成果和近四十年生产资料的基础上 系统分析了 影响卤井安全生产期的各种因素 并采用数学方法探讨了最优油管沉没度问题 提出了延长卤井安全生产期的方法 通过应用酸洗 水平井等新技术 新工艺 解决了大面积连通采区岩盐回采率低的问题 通过系统分析严重漏失采区的漏 失原因和漏失预测 提出严重漏失采区生产能力恢复方法 降低了生产成本投 入大的问题 提高了矿区生产效益 关键词 盐矿 水溶开采 生产安全期 最优油管沉没度 酸洗 水平井 XXX 工程硕士学位论文 II Research on the key techniques and its application of solution mining in Changshan rock salt deposit of Zigong city I Abstract Changshan salt mine is located in Zigong Sichuan With the influences of regional structure fault traction rotary stress diverse of feather fissures richly occured in the rigid rock strata which broke up rock integrity In the course of water soluble mining wall rock is easy broken down The productive safe period and capability decreased During the mid later period of mining cave expanded to form a connected region so many salt wells have to be discarded Inject water wells scaled and stope rate decreased The hydrogeological condition of the mine have been investigated insufficiently and mining site was unreasonably selected so that two of brine pits leaked severely which caused the productive cost to increase For the order of improving enterprise income it s urgent to resolve those problems Based on previous research results and productive data for a span of 40 years the author discussed a variety of factors about productive safe period of salt wells and studied optimum sinking depth of vitta and then obtained the methods of prolonging safe period At the same time the extraction rate of brine at connected mining site was improved by means of acid washing and horizontal well the leakage of brine was analyzed and the resolutions to increase the productive capability were made These measures help economical benefit to boom Keywords salt deposit solution mining productive safty period optimum sinking depth acid washing horizontal well 目 录 i 目 录 摘要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 1 1 1 岩盐钻井水溶开采简介 1 1 2 威西盐矿体及长山矿区概况 1 1 2 1 威西盐矿体概况 1 1 2 2 威西长山岩盐矿区 长山盐矿 概况 1 1 3 选题依据及意义 2 1 4 研究内容 4 1 5 本文的主要创新点 5 第 2 章 威西长山岩盐矿区矿区地质特征 6 2 1 矿区地质 6 2 1 1 地层 6 2 1 2 构造 7 2 1 3 矿产 8 2 2 矿床地质 9 2 2 1 盐体基本特征 9 2 2 2 矿石类型及共生组合 10 2 2 3 矿石质量评述 10 2 3 威西长山岩盐矿区水文地质简述 11 2 3 1 地表水体 11 2 3 2 地下水文地质特征 11 2 3 3 矿山供水条件 12 第 3 章 延长卤井安全生产期研究 13 3 1 开发技术条件研究 13 3 1 1 顶板稳定性研究 13 3 1 2 盐层顶板垮塌及充水情况分析 15 3 2 布井 建井 固井方式 19 3 2 1 布井方式 19 3 2 2 建井方式 21 3 2 3 固井质量 22 3 3 生产循环方式 生产参数控制 卤井生产管理 22 3 3 1 生产循环方式 22 XXX 工程硕士学位论文 ii 3 3 2 生产参数控制 22 3 3 3 卤井生产管理 23 3 4 入井管串 24 3 4 1 入井管串组合 24 3 4 2 增强入井管柱稳定性 24 3 5 卤井盐结晶堵管 25 3 5 1 卤井盐结晶堵管危害及原理 25 3 5 2 淡卤静溶解石膏垢堵与高压淡水冲洗解堵工艺 26 3 5 3 管串配水降咸工艺 27 3 5 4 射孔 炸管降咸工艺 28 3 6 最优油管沉没度研究 28 3 6 1 问题提出与已做工作 28 3 6 2 利用优选法确定最优油管沉没度的步骤思考 30 3 6 3 优选法在威西长山矿区的应用实例 38 3 7 延长卤井安全生产期的工艺研究方向 42 3 7 1 井下顶板固化工艺 42 3 7 2 井下油管强化与脆弱工艺 43 3 7 3 环隙注油保护工艺 43 第 4 章 大面积连通井组提高采出率研究 45 4 1 大面积连通井组特点 45 4 1 1 病 废井多 卤水质量差 45 4 1 2 注水井及管线结垢严重 45 4 1 3 岩盐顶板处于相对稳定 45 4 1 4 水溶通道复杂 46 4 1 5 渗透量增大 采注比低 46 4 1 6 后期污染概率大 47 4 2 大面积连通井组补救井技术的研究应用 47 4 2 1 溶腔未溶死角及水溶波及区补救井技术 47 4 2 2 溶腔外围水平补救井技术的研究应用 50 4 3 注水井解垢工艺技术与应用研究 52 4 3 1 注水井现状及对生产的影响 52 4 3 2 老井结垢垢质分析及室内实验研究 53 4 3 3 解垢工艺选择 53 4 4 4 酸洗注水井应用实践 54 目 录 iii 第 5 章 严重漏失采区生产恢复研究 57 5 1 严重漏失采区概述 57 5 2 严重漏失采区漏失成因及漏失通道分析 57 5 2 1 漏失成因分析 57 5 2 2 漏失通道分析 59 5 3 严重漏失采区地下水动力特征分析 60 5 3 1 钻井水溶开采对地下水活动的影响 60 5 3 2 严重漏失采区地下水动力特征分析 60 5 4 严重漏失采区生产恢复 61 5 4 1 生产恢复必要性 可行性分析 61 5 4 2 来牟 观山一线岩盐顶板高程与出卤高程分析 64 5 4 3 严重漏失采区生产恢复理论 65 5 4 4 严重漏失采区经济生产恢复方法 66 5 5 严重漏失采区将来漏失发展方向与生产恢复方法预测 67 结论及建议 68 致 谢 70 参考文献 71 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 岩盐钻井水溶开采简介岩盐钻井水溶开采简介 水溶开采就是根据大部分盐类矿物易溶于水的特性 把水作溶剂注入矿床 在矿床赋存地进行物理化学作用 将矿床中的盐类矿物就地溶解 转变成流动 状态的溶液 卤水 然后进行采集 输送的一种采矿方法 盐是人类不可缺少的营养素 每个人都会定期摄入一定量 否则影响身体 健康 盐也是很多化工产业的原料 有 化学工业之母 之称 在国计民生中占 有相当重要的地位 比如制碱 液氯 盐酸等 盐也是很多食品行业的重要添 加剂 冬天公路化雪也可用盐等 目前中国盐的年产量约 5000 万吨 其中井矿 盐年产量 1700 多万吨 1 2 威西盐矿体及长山矿区概况威西盐矿体及长山矿区概况 1 1 2 1 威西盐矿体概况 四川威西盐矿体地跨荣县 井研 犍为 仁寿和乐山五县 市 境 属古 代海相沉积岩盐矿床 为一大型海相沉积单一薄层状岩盐矿床 含盐层位属中 三叠系雷口坡组第三段 T2l3 岩盐矿体呈层状产出 除盐体东部和南部边缘 地带有断层或断层为盐体边界外 其内部构造简单 产状平缓 倾角 3 7 盐体形似一乒乓球拍 矿体南北长 40km 东西宽 30km 储量 189 亿吨 矿层 埋深 800m 1700m 一般为 10 20m 厚 矿石矿物主要是石盐 其次为硬石膏 矿石氯化钠含量在 95 以上 其次是含量小于 5 的硫酸钙 现矿体上多处采 用钻井水溶法进行开采 开采建井工艺有自然溶蚀连通 油垫建井连通 水力 压裂连通 水平井连通等工艺 1 2 2 威西长山岩盐矿区 长山盐矿 概况 长山岩盐矿区位于威西岩盐体东南部边缘 行政区划属长山镇 留佳镇 来牟镇 观山镇与双古镇 矿区面积约 30km2 矿区盐层厚度一般在 14 16m 平均厚度 15 68m 矿区石盐资源储量约 15 亿吨 矿区内交通方便 图 1 1 目前矿区有生产井 75 眼 图 1 2 地探井 9 眼 生产能力 200 万 吨 年 1李祥模等 长山盐矿矿区生产勘探报告 自贡 内部出版 1993 XXX 工程硕士学位论文 2 图 1 1 矿区交通位置图 1 3 选题依据及意义选题依据及意义 长山盐矿在 八五 攻关前开采工艺技术水平较低 八五 期间 长山盐矿通 过承担并实施国家重点科技攻关项目 岩盐钻井水溶开采关键技术与装备的研究 成功地开发出 岩盐水溶开采工艺参数的监测与控制的研究 大面积连通井 组提高采出率的开发技术研究 单层岩盐水力压裂新工艺 单薄层岩盐油控 梯段双井连通开采新工艺 通过 八五 攻关 在岩盐开采基础研究领域有一定 研究和一些成果 比如 岩盐水溶特性 岩盐溶腔稳定性研究 岩盐溶腔 三 场 理论研究 岩盐水溶开采生产参数优化研究 自动化采卤工艺技术的研究 高分辨地震勘探对溶腔状态测定与推断研究 大面积连通井组开采状态及补 救井的研究 岩盐压裂机理和工程应用试验研究 等 八五 后 2002 年水平 井技术在长山单薄层岩盐矿区成功应用 使威西岩盐矿床 尤其是长山矿区内 的钻井水溶开采工艺技术进入一个崭新时代 长山盐矿的 八五 攻关是基于当时的岩盐开采技术水平与生产状况 目前 仍然有很多方面需要研究与完善 主要问题分述如下 1 由于威西岩盐矿区地质构造的特殊性 岩盐顶板极不稳定 受开采工 艺 钻井工艺等因素的影响 使矿区卤井安全生产期较短 制约了矿山快速发 展 使矿山生产成本大幅上升 在 八五 期间对卤井安全生产期有一些研究 也解决了一些问题 但一些关键问题未解决 如油管沉没度与井下顶板稳定性 第 1 章 绪论 3 研究未涉及 2 长期水溶开采导致地下水文地质条件复杂化 引起地下 岩石 原始 应 XXX 工程硕士学位论文 4 图 1 2 长山岩盐矿区井位分布图 力发生变化 加之固井工艺和质量的局限 使得大量的卤井病 废 目前长山 盐矿废病井率超过 50 甚至地表溢卤造成严重污染 使大面积连通采区无法 生产 面临报废的境地 制约了资源的合理开发利用 使回采率的较低 通过 八五 成果 大面积连通采区钻补救井新工艺技术 使老区回采率有一定提高 但补救井工艺技术存在较多缺点 如不能增加控盐面积 卤井安全生产期短等 因此老区在提高回采率上还要想办法 特别是矿区处于石灰岩地区 所用淡水 含钙较高 加上未对淡水进行处理 注水井结垢严重 有的注水井已堵死 使 老区生产能力受到极大限制 也限制了岩盐回采率的提高 3 八五 攻关期间对漏失的井腔生产参数进行优化 对现生产具一定指导 意义 但效果不明显 随着岩盐开采的进行 由于采区选择的不合适 造成矿 区内两大采区严重漏失 采注比低 使矿山生产成本大幅上升 基于当时的认 识和生产资料 未对漏失成因与生产恢复进行系统研究 导致生产恢复投入较 大 我国水溶开采技术从 1960 年以后完成了对流法 油 气 垫法 水力压裂 法 定向水平井等主要的水溶采矿技术 奠定了现代水溶开采技术的基础 但 我国水溶开采技术无论从量或质方面来看 与西方先进工业国家比较 仍有很 大的差距 长山盐矿通过近四十年生产 在矿山生产过程中存在这样或那样的问题 积累的经验很多 要吸取的教训也不少 有的教训是惨痛的 因此对岩盐开采 技术仍需不断的研究与完善 为了充分开发利用岩盐资源 实现岩盐矿山的可 持续发展 提高矿山企业的社会 经济效益 针对目前存在的问题 在查阅大 量文献资料和借鉴同类岩盐矿山成功经验的基础上 分析矿区近四十年生产资 料 总结经验 吸取教训 解决矿区生产过程中存在的问题 因此选择了本课 题 通过本研究旨在科学 合理 经济地对长山单薄层岩盐矿区进行开采 科 学 合理的解决岩盐开采过程中出现的各种问题 提高矿区岩盐水溶开采技术 水平和矿山企业的效益 使矿山和谐 可持续发展 1 4 研究内容研究内容 目前矿区通过近四十年的开采 生产资料丰富 经验与教训不少 但在实 际生产中 对存在的问题 大多凭经验运作 缺乏规范 极大阻碍了矿山的发 展和资源的充分利用 因此如何充分利用现有研究资料 近四十年生产资料与 新技术 新工艺 解决现生产问题 提高企业经济效益为研究思路 确定如下 第 1 章 绪论 5 三方面内容进行研究 分述如下 1 通过矿区已有地质成果 矿山生产卤井井史资料的分析 科学 合理 地提出严重漏失采区的经济生产恢复建议和今后发展方向 2 通过矿区已有地质成果 矿山生产卤井技术资料和生产资料的分析 系统分析影响卤井安全生产期的因素 找出延长卤井安全生产期的措施 应用 数学方法解决最优油管沉没度问题 延长卤井安全生产期 并提出今后延长卤 井安全生产期的工艺研究方向 3 运用并完善 八五 科技攻关成果 大面积连通井组提高采出率的开采技 术研究 利用水平井补救井技术与酸洗除垢技术解决老采区生产问题 提高岩 盐回采率 通过以上内容的研究 使矿区开采技术更加完善 最大限度地合理开发利 用矿区岩盐矿石资源 提高企业经济效益 1 5 本文的主要创新点本文的主要创新点 威西长山岩盐矿区开采近四十年 生产资料丰富 经验与教训不少 但在 实际生产中 对存在的问题 大多凭经验运作 极大阻碍了矿山的发展和资源 的充分利用 本人从事岩盐钻井水溶开采技术与管理工作 15 年多 在这方面积累了丰 富经验 针对矿山存在的问题 在充分利用现有研究资料 近四十年生产资料 与钻井水溶开采新工艺的基础上进行如下创新 1 应用数学方法 解决油管沉没度难题 并提出今后延长卤井安全生产 期研究方向 2 应用新技术 酸洗 新工艺 水平井 完善已有研究成果 解决大面 积连通采区岩盐回采率低的问题 3 系统分析严重漏失采区的漏失成因 从中找出经济生产恢复方法 解 决生产恢复投入大的问题 并预测今后漏失发展方向与生产恢复方法 XXX 工程硕士学位论文 6 第第 2 章章 威西长山岩盐矿区矿区地质特征威西长山岩盐矿区矿区地质特征 1 2 1 矿区地质矿区地质 2 1 1 地层 矿区内出露最老地层为中三叠系雷口坡组第四段 零星分布于东北角 最 新地层为中侏罗系沙溪庙组上亚组 其间的上三叠系须家河组地层于矿区东部 沿地形等高线由老而新地呈不规则带状展布 在南部则组成铁山背斜的轴部及 两翼 或沿断层呈带状分布 中下侏罗系自流井群地层在东部零星出露 在南 部则组成背斜的两翼或向斜核部 表 2 1 表 2 1 长山岩盐盐矿区地层简表 地层系统 系统 组 群 段 亚 组 代号 一般 厚度 m 岩性简述 上亚 组 J2s2124紫红色泥岩夹砂岩 粉砂岩 底部为砂岩 中 统 沙 溪 庙 组 下亚 组 J2s1100灰绿色中粒厚块状砂岩夹紫红色泥岩 五段J1 2zl530 40 上部为紫红色泥岩夹砂岩 中 下部为黄褐色 灰绿色中 粗粒 厚层 块状长石石英砂岩 底部 为砾岩 四段J1 2zl446 52 浅灰色 灰褐色灰岩与紫红色 灰绿色泥岩钙质 泥岩呈不等厚互层 三段J1 2zl3100 103 紫红色 暗紫红色泥岩夹砂岩 粉砂岩及泥质粉 砂岩团块和透镜体 二段J1 2zl26 8 顶为深灰色页岩 其下为深灰色 褐灰色生物碎 屑灰岩 侏 罗 系 中 下 统 自 流 井 群 一段J1 2zl166 75 紫红色 暗紫红色泥岩夹灰色 灰绿色细 中粒 长石石英砂岩 1李祥模等 长山盐矿矿区生产勘探报告 自贡 内部出版 1993 第 2 章 威西长山岩盐矿区矿区地质特征 7 六段T3xj67 11浅灰色 灰白色细 中粒长石石英砂岩 五段T3xj535 60 深灰色 灰黑色页岩 砂质页岩夹灰白色长石石 英砂岩 页岩中见煤线和煤屑 四段T3xj4141 150 浅灰色 灰白色细 中粒长石石英砂岩 中下部 夹深灰黑色砂质页岩 为区域黄卤产层 三段T3xj3120 135 深灰色 灰黑色页岩 砂质页岩夹浅灰色 灰白 色长石石英砂岩 页岩中见煤线及煤屑 二段T3xj243 55 浅灰色 灰白色细 中粒长石石英砂岩 为区域 黄卤产层 上 统 须 家 河 组 一段T3xj1135 155 上部 深灰色 灰黑色页岩 砂质页岩夹砂岩及 煤线 中部 浅灰色 灰色长石石英砂岩 下部 深灰色 灰黑色页岩 砂质页岩夹砂岩及煤线 本层与下伏地层呈假整合接触 五段 加四 段 T2l4 560 70 顶为褐灰色角砾状灰岩 或角砾状白云岩 上 部为褐灰色 深灰色灰岩 中 下部褐灰色 深灰 色白云岩 含灰质白云岩 泥质白云岩间夹同色 灰岩和灰褐色硬石膏岩 三段T2l3220 240 上部 褐灰色 灰色厚层块状灰岩 白云质灰岩 夹同色白云岩 下部 褐灰色 深灰色泥质灰岩 灰岩夹灰褐色硬石膏岩及岩盐 未见底 三 三 叠 系 中 统 雷 口 坡 组 二段 加一 段 T2l2 1 128 未完 上部硬石膏与白云岩互层 下部灰褐色泥岩夹硬 石膏 2 1 2 构造 1 褶皱构造 区内无褶皱构造发育 为地层走向近南北 向西缓倾 3 7 的单斜构 造 区内地腹地层与地表走向基本一致 仍为近南北走向 向西缓倾的单斜构 造 2 断裂和裂隙构造 区内的构造形态与区域构造形态完全一致 但矿区南部及东南部毗邻区域 构造发育 区域的主要断层都集中在这一弧形构造复杂带上 与矿区地质息息 相关的有真武山断层 沙魁寨断层和回龙场断层 图 2 1 XXX 工程硕士学位论文 8 图 2 1 威西岩盐体及周边构造格局略图 断层 1 涂家庙断层 2 梨儿园断层 3 回龙场断层 4 沙魁寨断层 5 真武山断层 6 铁山断层 7 龙头窝断层 8 老鹰岩断层 背斜 松峰场背斜 双古背斜 长山桥背斜 双河口背斜 铁山背斜 盘家山背斜 寿保场背斜 金银坎背斜 老龙坝背斜 松峰 罗城陡带 真武山断层紧邻矿区的东南边界 距最近的 108 110 井组约 2 6km 该井 组未曾钻遇 证明断层未切穿盐层及顶板以上地层 沙魁寨断层距长山矿区东 界大约 3km 为西盘向北扭动的压扭性逆断层 回龙场断层为区域南北向构造 带的主断层之一 为西盘向北扭动的压扭性逆断层 这三条断层对本区地层沉积的连续性未构成直接影响 但断层控制了威西 盐体的东部和南部边界 矿区处于断层的上盘 受构造力和断层牵引力的影响 较大 从而破坏了岩层的整体结构 导致区内地表裂隙和岩盐层顶板裂隙发育 2 1 3 矿产 区内矿产主要有雷口坡三段的岩盐和黑卤水 须家河组的煤和黄卤水 地 第 2 章 威西长山岩盐矿区矿区地质特征 9 表的砂岩 石灰岩可做建筑材料和石灰原料 有少量的石油和天然气 但不具 工业开采价值 2 2 矿床地质矿床地质 2 2 1 盐体基本特征 1 含盐系剖面特征 三叠系雷口坡组第三段 T2l3 为本区含盐系 岩性以石灰岩为主 间夹硬 石膏岩和白云岩 盐层即赋存于剖面中下部 雷三段顶部以厚层石灰岩与雷四 段 T2l4 白云岩分界 底部以薄层板状含泥质灰岩与雷二段 T2l2 硬石膏岩 为界 含盐系剖面结构简单 岩类组合以石灰岩为主 由石灰岩 白云岩 硬石 膏岩和石盐岩四大岩类组成 岩石比例为 石灰岩 74 95 白云岩 5 27 硬 石膏岩 12 18 石盐岩 2 6 据揭探井资料统计 含盐系厚度为 253 24 m 298 70m 平均厚度 272 96 m 从井研 长山 马踏 罗城 罗城 高凤三条剖面对比资料说明 威西地 区 T2l3含盐系各亚段厚度均较稳定 若扣除盐层厚度 各亚段厚度变化幅度全 部 30 且各亚段有以竹园 留佳为基线 东部 T2l3 3较厚 T2l3 2较薄 而 西部则相反 T2l3 3较薄 T2l3 2较厚 两者呈互补关系 若以整个含盐系相对比 将显示出更加稳定的特点 2 盐层顶 底板地质特征 盐层直接顶板一般厚约 0 80 1 50m 最厚 2 79m 最薄 0 43m 为灰褐色 细 中晶结构中厚层硬石膏岩 硬石膏岩与盐岩的接触界面清晰 接触面凹凸 不平 有 2 3cm 厚的盐质硬石膏岩 其上依序为 含硬石膏斑晶灰岩 破碎灰岩 中厚层状灰岩 云朵状硬石 膏岩 俗称标准层硬石膏岩 为威西地区的盐上标志层 间接顶板为云朵状硬石膏岩以上的雷口坡组三段中 上部地层 雷口坡组 四段加五段的白云岩及灰岩 盐层的直接底板一般厚 0 30 m 0 80m 最厚 1 50m 最薄 0 12m 为灰褐 色硬石膏岩 与盐层的接触界面清晰 接触面凹凸不平 距盐层底界面 7m 8m 的泥质灰岩中 夹一层 0 3m 0 5m 厚含生物化石灰岩 为威西地区盐 下标志层 3 盐层剖面结构 XXX 工程硕士学位论文 10 威西盐层剖面结构简单 由无色 深灰黑色相间的单一纯石盐岩组成 上 部色较浅 常见透明度好的巨晶石盐岩和粗晶石盐岩 中部深色盐居多 呈半 透明状 以中粒为主 下部亦以浅色盐为主 常夹泥质白云质条纹 硬石膏多 以星点 斑点或团块形式产于深色盐中 根据硬石膏赋存状态及含量变化 由 下至上大致可进一步细分为六个自然层 浅褐色 褐灰夹灰白色含硬石膏星点及泥质条纹的带状石盐层 灰白 浅灰色块状石盐岩夹带状石盐岩 灰 黑灰含硬石膏条带石盐岩 称下黑色层 浅灰 灰白与深灰 灰色不等厚互层的带状 雾状 石盐层 灰黑夹灰色含硬石膏团块或条带石盐岩 称上黑色层 浅灰 灰白色巨晶和粗晶质纯 块状 石盐岩夹带状石盐岩 区内多数井盐层结构六分清晰 少数井上下黑色层颜色变浅 含膏量减少 侧变为含硬石膏星点的石盐岩 2 2 2 矿石类型及共生组合 威西盐矿层根据 NaCl 和 CaSO4含量可分为两大类 石盐层 NaCl 95 CaSO4 5 含硬石膏石盐层 NaCl80 95 CaSO45 20 由于盐矿层的主要组分含量变化甚小 亚类划分着重考虑矿石的结构和硬 石膏的赋存状态 可进一步分为七种自然类型 表 2 2 表 2 2 盐矿石自然类型划分简表 石盐 含硬石膏石盐 组分块状 石盐 雾状 石盐 带状 石盐 花斑状 石盐 含硬石膏 斑点石盐 含硬石膏 团块石盐 含硬石膏 条带石盐 NaCl 多 97 95 95 95 9585 9580 95 CaSO4 多 22 52 5 55 5 5 矿石比例 15 5 505 5 5 10 本区石盐岩 以块状和条带状石盐岩为主 约占矿石总量的 60 70 其 他类型矿石约占 30 40 含硬石膏团块和条带的石盐岩主要分布在罗城矿区 及其附近 东部和北部较少 石盐的共生矿物主要为硬石膏 此外有少量白云 石 方解石及微量菱镁矿 泥质 有机质等 偶见自生石英和黄铁矿 第 2 章 威西长山岩盐矿区矿区地质特征 11 2 2 3 矿石质量评述 根据化学分析结果 区内石盐岩的主要离子组分仅有 Na Cl 两项 次要 离子组分为 Ca2 Mg2 SO42 和 CO32 等四项 其他组分含量甚微 长山盐矿区工程平均含量 NaCl 全部 95 矿石品级属 级品 质量上乘 为优质化工原料 2 3 威西长山岩盐矿区水文地质简述威西长山岩盐矿区水文地质简述 2 3 1 地表水体 区内农田广布 水库 山湾水塘 井泉较多 降雨多汇集其间 地表迳流 不发育 越溪河由北而南 再折向东南流经区东 南边缘 矿区内尚有较大的 支流 6 条 分布在观山 吴家冲 踏水桥 姚家桥 石碑沟和宋家冲等地 区内自北向南有储水量 10 万 120 万 m3的金银桥 三河口 劲松 烂沟 坡 金竹沟和同心等 6 个水库 主要储雨水灌溉农田 井 泉颇多 民井遍布 各居民点 泉水点分布在灰岩 砂岩露头区 地表潜水主要位于河谷地带 2 3 2 地下水文地质特征 区内盐岩上覆地层除地表出露外 尚有自流井群一段的泥岩 须家河的碎 屑岩煤系地层和雷口坡组有碳酸盐岩地层组成一套含 隔相间排列的含水系 自上而下划分 4 个含水岩组 1 J1 2zL4 5含水岩组 由凉高山砂岩孔隙含水和大安寨灰岩岩溶裂隙含水层组成 多裸露地表 含淡水较丰富 于来牟 观山一带 钻井中普遍漏失严重 2 J1 2zL1 3含水岩组 主要由郭家坳砂岩 东岳庙灰岩和珍珠冲泥岩层的砂岩透镜体组成 水量 小 施工中钻遇该层未发生井漏 3 T3xj 含水岩组 本岩组由五个含水层五个隔水层平行叠置而成 区内多埋深地腹 各含水 层均由长石石英砂岩组成 须四上 下亚段和须二段为中等含水层 属区域黄 卤主产层 但卤水浓度低 据铁 34 井水化学分析结果 须四段总矿化度仅 6 16g l 须二段 76 02g l 水质 Na cl 型 不具工业开采价值 4 T2l 含水岩组 盐岩以上 由碳酸盐岩组成一个厚度大 封闭性较好的油 气 卤 储集层 其间夹 2 3 层硬石膏岩 具有一定的隔水作用 主要由灰岩 泥质灰岩 白云岩组成 XXX 工程硕士学位论文 12 构造缝隙和微裂隙发育 连通性好 具较好的储集性能 为岩溶 裂隙强含水层 并含天然气和黑卤水 据铁 34 井水化学分析结果 总矿化度 175 21g l 水质 Na cl 型 钻井施工表明 T3xj T2l 两个含水组 在长山采区无涌 无漏 但在踏子 以西 尤其是来牟 观山一带涌或漏明显 局部井段出现大涌 大漏 涌漏 均发生在 T3Xj 的三个含水段和 T2L4下部 T2L3盐岩层以上 100m 左右井段 说 明了区内地下水文地质条件较东部复杂 西部岩层孔隙 裂隙和岩溶裂隙较东 部发育 富水性也比西部好 见表 2 3 表 2 3 来牟 碾子坪采区卤井钻进中涌 漏 显示统计表 井 号 井段 m 层位 涌 漏 量 m3 h 备注 674 69T3xj18 28 725 54T3xj18 28 115 840 860T2l3微涌 119681 81T3xj118 791 06 791 36T2l4有进无出放空 0 2m 137 801 10 804 00T2l4有进无出放空 2 9m 800 58 800 73T2l4有进无出放空 0 15m 138 801 23 807 40T2l422 2 6 84 钻进中涌黑卤 300 0 324 07T3xj42 10 有进无出堵漏成功 801 5 802 15T2l427 涌黑卤水 7 Be 301 832 10T2l3有进无出堵漏成功 302409 0 414 0T2xj421 15 26 36 堵漏成功 780 0T2l3有进无出 852 0T2l3有进无出303 985 0T2l3有进无出 分段堵漏成功 413 69T3xj429 66 550 0T3xj310 0 304 632 0T3xj114 0 分段堵漏成功 438 10T3xj372 0 306 920 0T2l3有进无出 分段堵漏成功 434 90T3xj3严重 307 916 8T2l3严重 注 表示涌 表示漏 上述各含水层 沿走向和倾向变化不大 各含水层间有泥岩 页岩相隔 独成系统 彼此之间不发生水力联系 2 3 3 矿山供水条件 越溪河自东北向西南流经矿区东南侧 河上游有 6 座总库容量 731 万 m3 第 2 章 威西长山岩盐矿区矿区地质特征 13 的水库 下游有我矿自建储水量 240 万 m3的正江水库 满足工农业及民用之需 XXX 工程硕士学位论文 14 第第 3 章章 延长卤井安全生产期研究延长卤井安全生产期研究 卤井生产安全生产期是指卤井投入产卤至失去生产能力的这一段时间 卤 井失去生产能力的表现是顶板垮塌等因素造成油管断落而失去生产能力 另一 种表现是油管穿孔 而使卤井咸量低失去生产能力 这两种表现在长山盐矿较 多 本文所探讨的是在威西岩盐矿体特定的顶板岩性条件下的卤井生产安全生 产期 威西岩盐矿区卤井安全生产期短 因此对延长卤井安全生产期进行系统 研究迫在眉捷 钻井水溶开采具有其复杂性 而其中延长卤井安全生产期是一个系统的 综合性课题 它需要多方面的工作相配合才能得以完成 从而提高企业经济效 益 长山盐矿经过近四十年的岩盐开采实践 在延长卤井安全生产期方面积累 了一套很好的方法和措施 影响卤井安全生产期的主因是岩盐的顶板力学性质 如顶板物理力学性质好 顶板不易垮塌 安全生产期相对较长 但垮塌是绝对 的 不垮是相对的 当一个矿区顶板力学性质一定后 影响卤井安全生产期的 因素有 1 布井 固井 建井方式 2 生产循环方式 生产参数控制 卤井 生产管理 3 入井管串 4 盐结晶堵管 5 油管沉没度等 各种因素相互作 用 相互影响 影响着卤井安全生产期 3 1 开发技术条件研究开发技术条件研究 1 3 1 1 顶板稳定性研究 1 顶板结构特征 辖区盐层间接顶板由雷口坡三段中上部及雷口坡组四段加五段地层组成 自上至下为 T2l4 5 顶部为角砾岩或角砾状灰岩 白云岩 其下为灰岩 含白云质灰岩 灰质白云岩 白云岩 泥质白云岩间夹薄层硬石膏层 根据钻井资料 区内剥 蚀程度不一 东南部雷口坡组五段已剥蚀殆尽 仅西北部残存 雷口坡组四段 加五段地层自东向西有由薄增厚的趋势 其厚在 30 91 5m 间 一般厚 41 65m 表 3 1 1万天霞等 威西岩盐矿体自贡辖区开发利用规划研究技术报告 自贡 内部出版 1999 第 3 章 延长卤井安全生产期研究 15 表 3 1 T2l4 5地层厚度变化表 自东向西 井号107113116125215131125137142 厚度 m 303242 577 577 554 554 070 563 T2l3 中上部为厚层块状灰岩夹 2 3 层白云岩 个别夹一层硬石膏岩 中 下部为泥质灰岩夹多层薄层灰岩和 2 3 层硬石膏岩组成 距盐层顶界面的厚度 为 202 77m 302 井 最薄为 149 75m 127 井 一般 155 190m 其厚度变 化不大 从盐层顶板 T2l3和 T2l4 5地层厚度的变化 反映了两岩性段地层的消长关系 一般 T2l3增厚时 T2l4 5则减薄 反之则相反 说明整个顶板地层厚度变化不大 最厚与最薄之间仅相差 40m 左右 盐层的直接顶板系指云朵状硬石膏岩与顶板硬石膏岩之间的一段地层 最 厚 25 8m 204 井 最薄 17 13m 111 井 一般厚 19 4 23 5m 自上而下 由灰褐色含不规则泥质灰岩团块和泥质 有机质条纹的硬石膏岩 俗称标准层 硬石膏层 厚 3 7m 褐灰 深灰色泥质灰岩夹薄层中厚层状灰岩 厚 7 11m 灰 深灰色中厚层状灰岩 构造裂隙发育 破碎 称破碎灰岩 厚 2 5m 灰 深灰色中厚状灰岩 含硬石膏斑晶 称斑晶灰岩 厚 1 3m 灰褐色含泥质 有机质条纹的硬石膏岩 厚 0 8 1 5m 组成直接顶 板 云朵状硬石膏岩在原始状态下地层不易垮塌 稳定性较好 泥质灰岩遇水 后强度将大大降低 稳定性较 云朵状 硬石膏岩差 破碎灰岩微裂隙较发育 稳定性极差 斑晶灰岩稳定性与 破碎灰岩 相似 顶板硬石膏岩在原始状态下 稳定性应属较好 但在采盐过程中易于水化 其稳定性将大大降低 总之 本 区盐层顶板稳定性较差 是形成顶板垮塌的主要原因 2 岩溶 裂隙发育情况 据钻井取芯资料 泥质灰岩层中 层间裂隙发育 岩芯多沿层面破裂呈厚 饼状 长度一般小于 10cm 风化后呈页状 机械强度较差 遇水易碎解和泥化 因位其上部 初期尚较稳定 当顶板逐步垮塌后 该岩层裸露 泥质灰岩长期 受水浸泡 泥化强烈 后期则出现不稳定因素 破碎灰岩溶蚀现象明显 次生 垂直 构造 裂隙和缝合线较发育 并伴有斜交裂隙 所获岩芯绝大多数沿裂 隙面和缝合线破裂 呈碎块状 收获率较低 是顶板垮塌的重要层位 亦是黑 卤和天然气的主要储集层段 斑晶灰岩岩溶 裂隙均不发育 岩石质纯致密 应属稳定岩层 但厚度小 条纹状硬石膏岩和顶部云朵状硬石膏岩柔性较强 也因厚度小 易水化 而无法承受溶腔压力与地层压力之间压力差的作用 导 XXX 工程硕士学位论文 16 致垮塌 间接顶板指直接顶板岩层以上的雷口坡组地层 厚度一般大于 200m 自上 而下由白云岩 厚层块状灰岩和泥质灰岩三套岩层组成 据地探井取芯资料 白云岩由于古岩溶的存在 次生岩溶 洞隙较发育 为黑卤水和天然气的储集 提供了条件 厚层块状灰岩构造裂隙相对发育 局部地段呈网状 岩溶亦发育 是黑卤水和天然气的主要储集层 泥质灰岩层间裂隙发育 机械强度相对较差 遇水易碎解和泥化 其间所夹灰岩岩溶裂隙发育 亦储集黑卤水和天然气 在 钻井中的井涌和井漏 也说明岩溶 裂隙较发育 但不均匀 顶板岩层裂隙发育的普遍性和差异性主要与构造应力有关 本区属一旋卷 构造 在扭应力作用下 盐层顶底普遍发生相对位移 故裂隙发育较普遍 位 移距离以回旋面附近为最大 向中部逐渐减小 裂隙发育亦以边部为最强烈 向中部逐渐减弱 裂隙在纵向上的分布主要受岩性控制 灰岩脆性较大 具块 状构造 垂直裂隙发育 泥质灰岩强度中等 层理较发育 则以层间裂隙为主 硬石膏属塑性岩层 基本上无裂隙发育 实践证明岩溶 裂隙的发育对顶板稳 定极为不利 3 1 2 盐层顶板垮塌及充水情况分析 1 盐层顶板垮塌原因 辖区毗邻区域东南断裂带 处于断层的上盘 受区域构造应力和断层牵引 力的影响较大 致使盐层顶板以上地层构造裂隙发育 是盐层顶板不够稳定的 重要因素 导致顶板垮塌有以下几方面的原因 岩层结构与裂隙发育 根据前述 顶板岩层中属稳定的岩层薄 不稳定的岩层厚 稳定岩层中 硬石膏岩具较强的柔性 裂隙不发育 但厚度小 易水化 斑晶灰岩刚性强 裂隙不发育 但厚度亦小 不稳定岩层中 破碎灰岩垂直裂隙和缝合线发育 岩层被切割成不规则的块体 属极不稳定岩层 泥质灰岩厚度大 层间裂隙发 育 机械强度差 遇水易泥化 属不稳定岩层 辖区岩盐顶板以上 60 80m 井 段中 稳定岩层累计厚度仅 8 9m 其余均属不稳定岩层 这是导致垮塌的重 要因素 受水溶开采的影响 采用钻井水溶法开采岩盐矿 势必在盐体 层 内形成采空区 溶腔 并引起顶板岩层变形而产生张性裂隙 改变地层中的应力分布与地下水的赋存 和活动状况 降低了顶板岩石强度 打破了溶腔内压力与围岩应力间的平衡状 态 最终导致顶板失稳而垮塌 第 3 章 延长卤井安全生产期研究 17 地应力的影响 地应力是引起顶板岩层变形与破坏的根本作用力 它严密地控制着岩盐体 的本构特征 影响岩体的承载能力和变形破坏机制以及岩体中应力传播法则 位于一定地应力环境中的岩体 相对地处于平衡状态 由于水溶开采形成岩盐 溶腔 破坏了岩体原始应力平衡状态 引起应力的重新分布 重新分布后的应 力状态达到或超过岩体的强度极限时 导致岩体发生变形和破坏 甚至垮塌 以形成新的应力平衡状态 地下水的影响 地下水是影响岩体力学性质和力学作用的主要因素之一 它在岩体力学性 质形成上是一种变异因素 在岩体力学作用中又是一种动力作用因素 盐层顶 板岩石中地下水的赋存与活动状况 即影响其应力状态 又影响其强度特性 岩层结构面中的空隙水压力的增大能减小外界作用于结构面上的有效正应力 降低岩体沿结构面的抗滑强度 从而导致岩体失稳 地下水使岩层中的软弱夹 层软化 泥化 对一些特殊岩层产生膨胀崩塌和溶解等 降低岩体的强度 进 而影响顶板岩层的稳定性 总之 水溶采矿所采用的单井对流 油垫建槽连通 水力压裂连通等建井 生产工艺 于建井期均不同程度地造成过早的顶板暴露 并且随着生产发展 采卤量增加 溶腔顶板不断裸露 受水 卤水和油的浸泡 膏岩水化和乳化 不能承受垮塌岩层的垂向应力 重力 各岩层产生形变 在不断的变形过程中 产生张裂隙并逐步发展 导致溶腔水上窜顶板 改变了顶板岩层中地下水的赋 存和活动状况 降低了顶板岩石的强度和沿层面的抗滑能力 导致顶板岩层失 稳而发生垮塌 实践证明 辖 矿 区的各生产井组 均存在不同程度的垮塌现象和多次 垮塌 从区内由于顶板垮塌而频繁发生的诱发地震亦可得到证明 因此 对采用钻井水溶法开采岩盐矿床的矿区而言 顶板不垮塌是相对的 垮塌是绝对的 在生产中如何尽量延迟顶板暴露与垮塌的时间 控制垮塌程度 达到延长卤井安全生产期 增长卤井的服务年限 提高卤井生产能力与效益 正是水溶开采需要不断解决的难题 2 顶板垮塌的发生与发展 水溶开采形成溶腔后 溶腔中的岩盐层 因开采引起作用于岩盐层上的支 承压力超过其所处应力状态的强度极限而发生塑性破坏 随着溶腔顶板悬露跨 距变大 作用在岩盐溶腔侧岩层上 垂直于岩层层面的总弯矩增大 导致作用 在盐层上的支承压力增大 溶腔侧壁岩盐层中的塑性破坏区范围不断向围岩深 部发展 当溶腔顶板悬露跨距达到某一定值时 溶腔围岩中出现新的破坏形式 XXX 工程硕士学位论文 18 其上覆岩层离层 下沉 弯曲变形与断裂等脆性拉破坏 并随溶腔跨度增大而 向围岩深部扩展 当溶腔顶板悬露跨距达到极限跨距时 上履岩层发生初次垮 塌 此时 溶腔围岩的三种基本失稳形式 塑性破坏 脆性拉破坏和垮塌 已在溶腔围岩中全部显现出来 随着开采的继续 破坏形式不变 破坏范围增 大 3 顶板垮塌高度推算 理论计算溶腔顶板垮塌高度 前苏联学者克利门托夫研究矿山采空区 发现矿层顶板垮塌自下而上可分 为三带 即不规则的塌陷带 裂隙沉降带和无裂隙沉降带 根据该理论 拟用 公式 h 计算溶腔顶板垮塌高度 ak m cos 1 式中 h 顶板不规则塌陷带高度 即垮塌高度 m 矿层厚度 m 岩层倾角 k 岩石塌陷的碎胀系数 再根据顶板不稳定层高度是垮塌高度的 2 3 倍 推断溶腔顶板不稳定层高 度 从卤井修治资料判断溶腔顶板垮塌高度 卤井发生事故的原因很多 但以由顶板垮塌导致油套管变形而引起为主 由于顶板岩层垮塌时产生的瞬时挤压力 大大超过套管的承压强度 导致套管 严重变形或破裂 折断 随之油管亦发生类似事故 因而盐层顶板垮塌部位应 位于油套管严重变形井段附近 大修井的开窗井深即是油管严重变形部位 亦 是受力最集中部位 可视为垮塌部位之上 修井数据 表 3 2 表明 卤井的垮 塌一般都在 50m 以上 高者已达 100m 由于溶腔形态与跨度变化 顶板通过 垮塌不断调整应力平衡 故顶板垮塌有逐步增高的趋势 这与理论计算值有一 定出入 这是由于矿区矿层开采厚度无法准确判断 岩石碎胀系数未进行试验 取值按经验数据 故仅系相对概念 最终垮塌高度无法计算 有待继续深入研 讨 盐层顶板垮塌与矿层厚度 采卤量和岩层的稳定性以及所采用的工艺技术 措施关系密切 垮塌并非无止境 最终垮塌高度决定于矿层的开采厚度和岩石 的碎胀系数 K 值 4 顶板充水分析 矿区在建井阶段 进行了九个井组 群 的压裂 总注水量逾 80000m3 第 3 章 延长卤井安全生产期研究 19 从各施压井的压力 注水量 吸收指数曲线分析 注入的淡水未能全部顺盐层 推进溶解岩盐 多数上窜顶板流失 流失量无法估计