郭文祥

陜西煤田地質(zhì)油氣鉆采有限公司，陜西 西安 710054

鉀是農(nóng)作物生長(zhǎng)的三種重要元素之一，因此鉀肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵肥料。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但中國(guó)可溶性鉀資源嚴(yán)重匱乏，據(jù)中國(guó)鉀肥數(shù)據(jù)網(wǎng)信息，近年來(lái)中國(guó)鉀肥進(jìn)口量逐年攀升，2019年，鉀肥對(duì)外依存度達(dá)到49.5%。鉀肥資源的短缺制約著中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展，甚至已經(jīng)威脅中國(guó)糧食安全[1-2]。

柴達(dá)木盆地鉀鹽資源儲(chǔ)量豐富[3-4]，大鹽灘礦區(qū)鉀鹽礦是其重要代表之一，是以地下鹵水液體礦為主、固體礦并存的綜合性鉀鹽礦，從下更新統(tǒng)到全新統(tǒng)共包含5層晶間鹵水層，分別為潛鹵水層WI和承壓鹵水層WⅡ-WV，詳查地質(zhì)報(bào)告顯示礦區(qū)KCl資源僅WⅡ礦層D級(jí)表內(nèi)儲(chǔ)量就高達(dá)4349.68萬(wàn)t，但由于礦區(qū)地下鹵水補(bǔ)給來(lái)源單一，地層滲透性差等原因，補(bǔ)給效率較低[5-6]。近年來(lái)隨著礦區(qū)企業(yè)鹵水的開(kāi)采，地下水位持續(xù)下降，已經(jīng)嚴(yán)重影響到資源開(kāi)發(fā)效率。本文從深入分析大鹽灘礦區(qū)水文地質(zhì)條件為著手點(diǎn)，結(jié)合礦區(qū)近期實(shí)施的補(bǔ)水工程現(xiàn)狀以及礦區(qū)綜合地質(zhì)特征和開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展方向，為礦區(qū)未來(lái)資源開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

大鹽灘礦區(qū)是在阿爾金山走滑大斷裂的強(qiáng)烈影響下形成的斷陷盆地（圖1），位于柴達(dá)木古地塊北緣，它的產(chǎn)生和發(fā)展受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響。礦區(qū)西部為俄博梁構(gòu)造，南部為葫蘆山構(gòu)造，冷湖構(gòu)造位于礦區(qū)東部及東北部。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，斷裂普遍具有長(zhǎng)期、多次、復(fù)雜的活動(dòng)特征，它們對(duì)成礦作用的影響程度不同，其中遙F5和遙F6可能為導(dǎo)水構(gòu)造[7]。礦區(qū)含礦層以第四系為主，隔水層以含黏土及石膏的淤泥為主，鹵水層多為含粉砂、黏土、芒硝的石鹽，且多與淤泥互層。含鹽地層主要以含芒硝的石鹽、含粉砂的石鹽、含光鹵石的石鹽粉砂、粉砂石鹽等為主，普遍夾有黏土層及淤泥層。地層整體較為松散，尚未成巖[7]。

圖1 大鹽灘礦區(qū)地質(zhì)概況圖 Fig.1 Geological sketch map of Kunty salt lake mining area

1.2 礦區(qū)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

礦區(qū)開(kāi)發(fā)采用傳統(tǒng)的井渠開(kāi)采方式開(kāi)采鹵水，十幾年來(lái)，圍繞主采區(qū)礦區(qū)西北部沉積中心，累計(jì)施工開(kāi)采井200余眼。為了彌補(bǔ)井采量的不足，同時(shí)施工了積水渠道，通過(guò)渠道匯集鹵水抽采，已形成的積水渠道寬度一般1.8m，深度約7.5m，施工長(zhǎng)度約16.7km。目前，由于鹵水開(kāi)采困難，生產(chǎn)所需原材料供應(yīng)不足，造成實(shí)際生產(chǎn)難以達(dá)到年產(chǎn)78萬(wàn)t的規(guī)模目標(biāo)，2019年度，礦區(qū)生產(chǎn)硫酸鉀僅8萬(wàn)t。鹵水開(kāi)采量成為制約企業(yè)生存的關(guān)鍵因素。

2 水文地質(zhì)特征

水文地質(zhì)條件是影響可溶性鉀鹽礦開(kāi)發(fā)的核心要素[8]，大鹽灘盆地水文封閉條件良好，盆內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，且山前平原砂礫石廣泛分布，為礦區(qū)儲(chǔ)水提供了有利條件[7]?？傮w而言，地下水的賦存狀態(tài)嚴(yán)格受構(gòu)造和地貌的控制。阿爾金山山體的上升和盆地第三系褶皺的隆起，使其間堆積了巨厚的第四紀(jì)沉積物，成為地下水的主要賦存場(chǎng)所，構(gòu)成了閉流的水文地質(zhì)單斜盆地。地下水補(bǔ)給來(lái)源主要來(lái)自于北部山區(qū)地表洪流的滲漏以及基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，因此，不具有從盆地四周到中心的水文地質(zhì)環(huán)狀分帶規(guī)律。地下水的補(bǔ)給來(lái)源和第四系沉積物來(lái)源的一致性，決定了礦區(qū)地下水的不對(duì)稱分布，總體呈現(xiàn)自補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)的分帶規(guī)律。

根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水力性質(zhì)，將地下水含水巖組劃分為四種基本類(lèi)型，即：松散巖類(lèi)孔隙水、化學(xué)巖類(lèi)晶間水、碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙水和基巖裂隙水。按產(chǎn)出時(shí)代、賦存條件等，自上而下可劃分為五個(gè)鹵水礦層，其間有較穩(wěn)定的隔水層。其中賦存于上更新統(tǒng)的WI和WⅡ鹵水礦層具有富水性強(qiáng)、易開(kāi)采等特點(diǎn)，為礦區(qū)主采礦層（圖1）。

2.1 主采礦層富水性及分布規(guī)律

WI礦層為潛鹵水礦層，賦存于上更新統(tǒng)上部鹽巖晶間，賦鹵介質(zhì)巖性為石鹽、含粉砂的石鹽、含芒硝的石鹽等。潛水位埋深0.85～6.43m，平均2.07m，匯水中心部位水位埋藏淺，邊緣水位埋藏深。潛鹵水的富水性分布極不均勻，沉積中心ZK3208孔一帶富水性較好，單位涌水量大于10m3/d·m，是礦區(qū)潛鹵水富水性最好的部位，向邊緣富水性減弱，單位涌水量均小于10m3/d·m。

WⅡ礦層為晶間承壓鹵水礦層，賦存于上更新統(tǒng)下部鹽巖晶間，賦鹵介質(zhì)巖性為含芒硝的石鹽、含粉砂的石鹽、芒硝石鹽、粉砂石鹽、含粘土（淤泥）的石鹽等。礦層頂板埋深0.30～18.04m，平均8.53m。與潛水層類(lèi)似，本鹵水層在沉積中心一帶富水性最好，該地段含水層也最厚，最大單位涌水量可達(dá)459.70m3/d·m。向外圍富水性逐漸減弱，大部分地帶單位涌水量小于10m3/d·m。

關(guān)于遁入之前的生活，梁璐曾經(jīng)寫(xiě)道，“出家前經(jīng)常罵人、張口便是粗話，雙腿不斷跺腳、晃來(lái)晃去、經(jīng)常嘆氣、著急、焦慮、煩惱心很重”。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件

礦區(qū)水文地質(zhì)圖在圖1中給出，礦區(qū)地下水補(bǔ)給條件較差，主要接受周邊冰雪融水、大氣降水以及逐層越流補(bǔ)給。礦區(qū)北部呈北東東向分布的阿爾金山是區(qū)域地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，山區(qū)海拔高，降水充沛，主峰終年積雪，并發(fā)育現(xiàn)代冰川，降水和冰雪融水主要以基巖裂隙和地表洪流滲透的形式補(bǔ)給山前地下水。礦區(qū)自然環(huán)境惡劣，區(qū)內(nèi)屬典型的內(nèi)陸干旱氣候，年降水量?jī)H為14.3mm，蒸發(fā)量高達(dá)2975.2mm，且礦層普遍含淤泥、粘土等隔水層，因此大氣降水補(bǔ)給條件較差。礦區(qū)第一承壓水的水頭較上部潛水位稍高，第二至第四承壓含水層因埋藏深，水動(dòng)力條件發(fā)生很大變化，其水頭遠(yuǎn)高于潛水位。各含水層之間的隔水層巖性主要為含石膏的淤泥，具有一定的透水性，具備一定的越流補(bǔ)給條件[6]。

在自然水力坡度大于1%的條件下，如果含水層透水性好，則地下水徑流條件較好。因大鹽灘盆地含水層中普遍含有粉砂、芒硝、淤泥乃至粘土，加之石鹽層本身較致密，故地下水流動(dòng)很緩慢。在大鹽灘盆地內(nèi)，東西兩側(cè)地下水向中部低洼處徑流，只有在補(bǔ)給較豐富時(shí)，向北部流動(dòng)[9]。

大鹽灘盆地?zé)o外部水體排泄地下水的條件，北部向俄博灘的地下水通道因水力坡度太小，含水層滲透性差，而不具備明顯的排泄條件。礦區(qū)唯一的排泄途徑，是淺埋潛水蒸發(fā)，深部承壓鹵水通過(guò)斷裂構(gòu)造或逐層越流向上補(bǔ)給潛水而排泄。潛鹵水的蒸發(fā)排泄受埋藏深度的制約，在臨界蒸發(fā)深度以下蒸發(fā)幾乎停止[10]。礦區(qū)地下潛鹵水的水位埋深多年來(lái)基本保持不變，因此，可以認(rèn)為大鹽灘地區(qū)地下水的補(bǔ)排關(guān)系基本處于平衡狀態(tài)。

2.3 地下水水文地球化學(xué)特征

礦區(qū)鹵水陰離子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-，陽(yáng)離子以Na+、Mg2+、K+、Ca2+為主，鹵水TDS 328.48～375.04g/L，平均347.80g/L。Cl-中和Na+含量在陰陽(yáng)離子中占比最高，故礦區(qū)地下水的水化學(xué)類(lèi)型為典型的Cl-Na型[10]。值得著重強(qiáng)調(diào)的是，礦區(qū)鹵水中除過(guò)Cl-中和Na+以外，SO42-離子最為富集，為礦區(qū)硫酸鉀的生產(chǎn)帶來(lái)了極大便利。

此外，礦區(qū)周邊廣泛分布石油抽采作業(yè)井，油田水資源豐富，主要分布于新生代儲(chǔ)油構(gòu)造中。油田鹵水中含量高的離子有Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-，Na+，K+，Ca2+，Mg2+等。周邊油田水TDS介于8.26～161.24g/L，平均值47.49g/L。油田水水化學(xué)組分的一個(gè)重要特征是水中硫酸根含量很低，而富集H2S氣體，反映了相對(duì)封閉的還原環(huán)境，為封閉還原環(huán)境的CaCl2型水[11]。

3 礦區(qū)人工補(bǔ)水現(xiàn)狀

礦區(qū)前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要通過(guò)井、渠結(jié)合的方式進(jìn)行，收集鹵水送至?xí)覃}場(chǎng)進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)。由于含礦層滲透性差，單井匯水面積有限，鹵水資源自然滲透補(bǔ)給難以接續(xù)，造成單井開(kāi)采量小。為了實(shí)現(xiàn)礦區(qū)資源高效開(kāi)發(fā)，利用礦區(qū)北部西大溝水源地和東部駱駝泉水源地，人工開(kāi)挖引水渠、布設(shè)飲水管線工程共計(jì)310km至大鹽灘主采礦區(qū)，增加地下水補(bǔ)給量。

目前，人工補(bǔ)水量單日最高可達(dá)18萬(wàn)t，理論上，按照每噸硫酸鉀生產(chǎn)需要補(bǔ)水65.7t計(jì)算，單日補(bǔ)水量可滿足日產(chǎn)硫酸鉀2740t。而人工外部引水至礦區(qū)以后，由于礦區(qū)地層滲透性差，同時(shí)外部低鹽度水密度低于含礦層鹵水密度，因而引水向下滲透效率相對(duì)有限，并且礦區(qū)固體含鉀資源以難溶的雜鹵石為主，補(bǔ)水溶礦效果不及預(yù)期。

4 開(kāi)發(fā)對(duì)策

4.1 開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

礦區(qū)鹵水資源開(kāi)發(fā)目前采用非開(kāi)挖鉆井技術(shù)，在含礦層內(nèi)實(shí)施超長(zhǎng)距離水平鉆井，并與抽采直井連通（圖1），在礦區(qū)北端注入外部引水，向南基于礦區(qū)鹽田建設(shè)需求和區(qū)域地下水補(bǔ)給條件設(shè)置多口抽采井，基本原理如圖2所示。

圖2 非開(kāi)挖長(zhǎng)距離水平鉆井示意圖 Fig.2 Schematic diagram of trenchless long-distance horizontal drilling

基于該方法，極大地增加了直井地下鹵水滲流匯水面積，經(jīng)過(guò)測(cè)算，與施工前相比，與原有單一直井的鹵水抽采相比，本方案經(jīng)過(guò)實(shí)施超過(guò)30km的超長(zhǎng)距離非開(kāi)挖水平鉆連通工程，鹵水抽采效率達(dá)到了施工前的9.3倍（表1）。

表1 非開(kāi)挖水平井施工前后抽采效果對(duì)比 Table 1 Comparison of extraction effects of trenchless horizontal wells before and after construction

4.2 建議開(kāi)采方案

基于礦區(qū)水文地質(zhì)特征以及現(xiàn)有客觀條件，結(jié)合相關(guān)技術(shù)調(diào)研，本文提出以下三種開(kāi)采技術(shù)方案，作為礦區(qū)硫酸鉀未來(lái)開(kāi)發(fā)利用的備選方案。

4.2.1 羽狀井開(kāi)發(fā)

如圖3所示，在水平井的基礎(chǔ)上，將水平井改造為多分枝羽狀井，并在各分支井中段實(shí)施一口垂向聯(lián)通井，從而實(shí)現(xiàn)在平面上增加匯水面積，在垂向上溝通多個(gè)含水層，進(jìn)而提升鹵水抽采效率[12]。在抽采過(guò)程中可以將外部引水直接通過(guò)造斜段注入井下，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離和大面積的橫向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)礦物溶解，提升礦物濃度，并且能夠高效提升外部引水效率。

圖3 地下鹵水羽狀井開(kāi)發(fā)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of underground brine plume well development

該開(kāi)采方法是對(duì)非開(kāi)挖長(zhǎng)距離水平鉆井開(kāi)發(fā)方式的一種拓展，能夠進(jìn)一步提升單井匯水面積，增加出水量，但是其施工難度及成本相對(duì)較高，需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件做綜合評(píng)估以決定是否可行。

4.2.2 利用地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)難溶雜鹵石

前已述及，礦區(qū)周邊廣泛分布石油抽采作業(yè)井，且已有大量抽采井資源枯竭，但油田水資源豐富，并且水溫較高。前人研究表明，油田水主要分布在柴達(dá)木盆地西部，東部啞巴爾、達(dá)布遜構(gòu)造及北部的馬海、南八仙等構(gòu)造的古近紀(jì)和新近紀(jì)地層。自上而下共分三個(gè)承壓自流水含水層組，分別為上新統(tǒng)上部含水組，水化學(xué)類(lèi)型為氯化物型，TDS107.2～363.8g/L，含水層埋深1000m以下，本組自流水與天然氣共生，壓力大、水頭高，產(chǎn)水量大；中新統(tǒng)承壓自流含水組，水化學(xué)類(lèi)型同樣屬于氯化物型，TDS34.1～289.3g/L，單井水量達(dá)數(shù)百方；漸新統(tǒng)含水組，TDS16.7～230g/L，埋深1000～2000m。因此，可以將資源枯竭油氣井下的油田熱水資源引入礦區(qū)水平井，用于硫酸鉀資源的溶解開(kāi)采（圖4）。

圖4 直井抽取地?zé)崴茺}方案模型圖（箭頭指示水流方向） 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?dāng)y帶的熱量提升含礦層水溫，從而能夠提升難溶雜鹵石的溶解效率；另一方面，由于抽采用的是廢棄油井內(nèi)的油田水，能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄油井的二次利用，降低了鉆探成本，提升了油井價(jià)值[13]。不足之處在于該方法極大程度上受限于客觀油氣井的地理位置條件，并且在應(yīng)用前需要對(duì)廢棄油井內(nèi)的水資源及地?zé)崮苜Y源開(kāi)展必要的評(píng)價(jià)工作。

4.2.3 原位“焙燒-熱浸”開(kāi)發(fā)難溶雜鹵石

前人研究結(jié)果表明，雜鹵石經(jīng)過(guò)300～500℃焙燒后，用90℃熱水浸取，能夠有效的提升硫酸鉀溶解效率，當(dāng)焙燒溫度高于350℃、熱水浸取溫度不低于90℃時(shí)，K+離子回收率可以高達(dá)95%以上，幾乎是常溫雜鹵石溶浸開(kāi)采回收率（23.56%）的4倍[14-15]。據(jù)此，結(jié)合近年來(lái)固體礦產(chǎn)原位改性開(kāi)采技術(shù)思路，有學(xué)者提出雜鹵石原位“焙燒-熱浸”開(kāi)采方法（圖5）[16]。具體是通過(guò)系列鉆井作業(yè)，在雜鹵石礦層內(nèi)填入可燃物作為焙燒井，并在焙燒井內(nèi)設(shè)置空氣注入通道，同時(shí)在焙燒井周?chē)┕?shù)口注水井。為了使得雜鹵石巖層導(dǎo)熱性更好，同時(shí)為注水提供滲流通道，利用定向射孔或壓裂技術(shù)，使焙燒井與注水井相互聯(lián)通，并使注水井相互之間聯(lián)通。完成上述作業(yè)以后，向焙燒井內(nèi)填充可燃物并點(diǎn)燃，通過(guò)注入高壓空氣，在支撐可燃物燃燒的同時(shí)形成載熱流體，攜帶熱量向四周擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)含礦層焙燒目的。當(dāng)雜鹵石層溫度達(dá)到350℃以后，向注水井內(nèi)注入熱水浸取硫酸鉀資源。該方法當(dāng)中，加熱方式還可以通過(guò)電加熱完成。

圖5 剖面示意圖 Fig.5 Schematic diagram of section

原位“焙燒-熱浸”開(kāi)發(fā)難溶雜鹵石是借鑒了礦產(chǎn)資源“原位改性開(kāi)采”技術(shù)，基于雜鹵石高溫焙燒后的物理化學(xué)性質(zhì)改變而提出的探索性方法，有望極大提升雜鹵石中鉀資源的回收率，但是目前還存在一系列相應(yīng)的技術(shù)難題，需要逐一攻克。

就上述三種新的開(kāi)采方案而言，國(guó)內(nèi)外目前均無(wú)先例實(shí)施，相應(yīng)的各方法也有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，“羽狀井開(kāi)發(fā)”是當(dāng)前最有望直接應(yīng)用的開(kāi)采方法；而“利用地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)難溶雜鹵石”則需要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件開(kāi)展相應(yīng)的方法論證；對(duì)于“原位‘焙燒-熱浸’開(kāi)發(fā)難溶雜鹵石”這一方法，目前尚處于基礎(chǔ)理論和技術(shù)研發(fā)階段，但是其潛在的發(fā)展價(jià)值也是最大的。

5 結(jié)論

（1）昆特依大鹽灘鉀鹽礦資源豐富，礦區(qū)地下水的水化學(xué)類(lèi)型為典型的Cl-Na型，且SO42-濃度相對(duì)較高，為硫酸鉀資源開(kāi)發(fā)提供了便利，但水文地質(zhì)條件較差，地下水補(bǔ)給緩慢，不利于礦區(qū)資源高效開(kāi)發(fā)利用。

（2）經(jīng)過(guò)多年來(lái)的人工引水改造，為礦區(qū)可持續(xù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了客觀條件，但是受到地層滲透性和低鹽度水密度低的影響，補(bǔ)水效果不及預(yù)期。目前，礦區(qū)資源開(kāi)發(fā)通過(guò)長(zhǎng)距離水平井實(shí)施鹵水抽采，極大的提升了單井抽采效率。

（3）未來(lái)礦區(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在長(zhǎng)距離水平井基礎(chǔ)上實(shí)施羽狀井開(kāi)采，利用礦區(qū)周邊廢棄油井地?zé)崴芙_(kāi)采，利用原位“焙燒-熱浸”開(kāi)采等技術(shù)方法，有望成為礦區(qū)鉀資源高效開(kāi)發(fā)的接續(xù)手段。