柴西深层地下卤水资源及其综合利用研究进展*

刘 颖 ，王云生 ，乜 贞 ，伍 倩 ，余疆江

［1.中国地质科学院矿产资源研究所，国土资源部盐湖资源与环境重点实验室，北京100037；2.中国地质科学院盐湖与热水研究发展中心；3.中国地质大学（北京）］

柴西深层地下卤水资源及其综合利用研究进展*

刘 颖1，2，3，王云生1，2，乜 贞1，2，伍 倩1，2，余疆江1，2

［1.中国地质科学院矿产资源研究所，国土资源部盐湖资源与环境重点实验室，北京100037；2.中国地质科学院盐湖与热水研究发展中心；3.中国地质大学（北京）］

地下卤水的开发历史久远，而深层地下卤水的研究却起步较晚。由于其具有巨大找矿前景，深层地下卤水的研究也日益受到重视，尤其是柴达木盆地西部。近几年研究发现，柴达木盆地西部赋存有储量巨大的第三纪卤水资源，其中既有与石油、天然气共生的油田卤水，也有砂卵砾石型地下卤水。从资源评估、综合利用试验研究两方面总结了典型地区南翼山、黑北凹地等地下卤水资源的综合利用现状，认为应该更加积极开展对柴西地区深层地下卤水资源的探索，加强综合利用方式科技攻关。

深层地下卤水；柴西地区；钾硼资源

深层地下卤水是指分布在地下深部（埋深＞100 m）储卤层中的卤水［1］。地下卤水开采利用的历史已极其久远，而盆地深部地层卤水的研究起步较晚，目前在柴达木盆地、四川盆地、江汉盆地及塔里木盆地钻探均有所发现［2］。研究表明，四川盆地地下卤水分布广泛、资源丰富且品质优异，在中国各大沉积盆地中具有得天独厚的优势，研究程度相对较高［3］。与四川盆地、江汉盆地等地区相比，柴达木盆地深部地层卤水的研究起步较晚，但其西部地区发现多处丰富的高品质深层卤水，具有良好的资源前景；且柴达木盆地具有独特的自然环境，可利用当地丰富的太阳能资源，通过盐田日晒得到初级盐类原料，在提取主导产品后的浓缩母液中将其他多种有用组分同时提取出来，从而实现了资源的综合利用，产生重大的经济效益。因此，本文以柴达木盆地西部典型地区深层地下卤水资源的勘探和研究成果为例，展示中国典型地区深层卤水资源的综合利用研究情况，为今后深层卤水资源的开发提供依据。

柴西地下卤水主要分布在东经 91°07′～92°10′、北纬 37°50′～38°35′范围内，面积约为 3 000 km2。 柴达木盆地西部深层卤水可分为构造裂隙孔隙卤水（又称油田水）、化学盐类晶间卤水和砂砾石层孔隙卤水［4］。研究区具有勘查、开发价值的深层卤水为构造裂隙孔隙卤水的储卤层以及砂砾石层孔隙卤水储层。对其进行重点评价与分析研究，具有重要的理论意义与找矿意义。

1 油田水

构造裂隙孔隙卤水又称油田水，分布范围小，仅在南翼山、狮子沟背斜构造发现，其他背斜构造区有待突破［4］。由于柴达木盆地油田水的研究起步较晚，缺少相应的基础资料和数据，使评价工作进行的较为粗略，但在南翼山等研究程度较高的构造进行了部分的详细评价工作［5］，因此以南翼山为例。

1.1 资源评估

前期青海石油局在进行油气勘探时，仅对油田水中的Na、Cl等元素的含量进行测定，并未进行深入研究，仅认为地下深层卤水是封存水，同外界无水力联系。在1982—1990年柴西第二轮盐矿普查阶段中，对调查区内的小梁山、油泉子、南翼山等构造上获得部分油田水的水质分析测试资料。直到20世纪90年代初期，青海省柴达木综合地质勘查大队三分队在收集前人研究资料的基础上，通过野外勘查和室内研究，提出第三系地层中的油田水含硼、钾、锂，值得做进一步的工作［6］。柴达木盆地油田卤水的专门研究，则是从2000年开始，主要基于已有的石油钻孔资料估算了各个背斜构造远景区油田卤水资源量［7］。2000年以来，青海省地质调查院对柴达木盆地西北地区进行了油田水资源远景区评价工作，认为柴达木盆地第三系储油构造中基本均有富钾油田水，但未对油田水资源量进行具体评价；2003年以来，在中国地质科学院郑绵平院士主导的“油钾兼探”方针指导下，中国地质科学院矿产资源研究所与青海省柴达木综合地质矿产勘查院合作对南翼山进行调查，完成对油田水资源量的初步评价，估算出氯化钾远景资源量可能达1亿t以上［2］。2006年，中国科学院青海盐湖研究所在对盆地西部地表蒸发岩、卤水进行野外实地考察的过程中，发现南翼山地区油田卤水的K+、Br-、B3+等含量较高，基本达到了综合利用工业品位和单独开采工业品位［5］；之后在南翼山等地进行了抽水试验，进行了资源量的详细评价工作，用容积法计算出了南翼山潜在油田水资源量为691.06亿m3，其中含KCl 0.66 亿 t［8］。

1.2 综合利用试验研究

南翼山为一背斜构造，其油田水为承压水，水头高，可自流，易于开采。埋深主要在2 000 m以下深度，3 000 m左右为主。卤水水化学类型按苏林分类法分为氯化钙型［9］，钾含量在工业品位之上并且微量元素Li、B均达最低工业指标，Br、I含量接近或达到综合利用指标，如表1所示。

项目 化合物/（g·L-1） 有用组分/（mg·L-1）NaCl B2O3 K+ Br- I- Li+ Sr2+综合利用品位 100 0.40 1 500 300.0 20.0 25 3.00南翼山油田水 253 3.00 6 400 48.3 33.4 167 563.4

1.2.1 室内试验

2000年以来，中国科学院青海盐湖研究所通过不同季节的室内蒸发浓缩实验，并考察了环境温度变化对卤水蒸发浓缩析盐规律的影响，试验结果表明室内温度和湿度的变化会使各个析盐阶段发生微小的改变，造成析出盐类矿物组成之间存在微小的差异，但不会影响油田水蒸发浓缩析盐规律［6］。根据矿物鉴定结果和对应的化学分析结果，得到南翼山油田水在室内模拟蒸发试验的盐类结晶阶段：石盐、钾石盐、类光卤石复盐和南极石等阶段。之后为了更好地认识低温下卤水的成盐、析盐规律，中国科学院青海盐湖研究所自行设计搭建了一套油田水低温冷冻实验设备，使用该设备研究了南翼山油田原始卤水在-30.90~-18.90℃范围内的结冰析盐过程，精确测量了油田水随温度降低第一种和第二种固相（NaCl·2H2O和冰）的析出温度，化学分析得到了该温度范围内 Ca2+、Mg2+、K+、Cl-、B2O3、Na+6 种常量组分在液相中的含量变化趋势［10］。

Br、I是南翼山油田水中重要的高价值元素，针对Br、I分别进行了分离与提取试验，并研究其在各阶段的损失情况，工艺试验主要从卤水的酸化氧化，溴和碘的氧化率、吹出率及吸收率几个方面进行研究，溴的析出过程采用水蒸气蒸馏法，溴收率为89.50%，碘析出过程采用盐酸酸化析出，碘收率为92.20%［6］。提取溴的工艺研究过程中发现油田水的氧化温度、溶液中铁离子和铵根离子对于溴的提取有非常大的影响，针对这3个因素中国科学院青海盐湖研究所展开试验研究［11］。为排除铁离子对其化学分析时的干扰，在分析溴含量时一定要注意空白（包括溴空白、碘空白和铁空白）；因受NH4+的影响，在氧化和吹出工序中不需要加热，常温下进行是最合适的，且应该将卤水中NH4+除去。后利用自制油田卤水提取 Br、I的设备，开展初步扩大试验［6］，进一步验证工艺研究的结果，探索其富集规律及分布规律，获取油田卤水在蒸发过程中分离溴、碘等有益元素的合理阶段，扩大试验溴的工艺总收率为78.96%，而扩大试验碘的工艺总收率为75%。

该油田水含钙高，会给综合利用带来不利影响，蒸发油田水时钙与其他有益组分的彻底分离较为困难，也严重影响后续有益组分的提取分离。加入芒硝反应生成硫酸钙沉淀，过滤可以除去大部分钙，剩余的采用沸石吸附，可有效降低钙含量［12］。

1.2.2 室外试验

青海省地质调查院对柴达木盆地西部油田水的前期研究也进行了大量工作。2002年，该单位对第三系地层分布区的油井新取了水样，证实该卤水中含有较高的钾硼锂碘组分；后通过自然蒸发实验，得出自然蒸发结晶路线和芒硝除钙后母液蒸发结晶路线，发现可以得到质量较好的钾石盐、硼钾混盐、含锂碘的母液，其蒸发析出矿物顺序为：石盐→石盐+钾石盐→石盐+钾石盐+硼酸盐→石盐+硼酸盐+光卤石→石盐+硼酸盐+光卤石+四水氯化钙；原卤除钙并蒸发结晶析出顺序是：石盐段→钾石盐+硼钾混盐段→硼镁盐段［13］。后针对该油田卤水中Li+含量高的特点，进行了提锂实验研究，提锂方法如下：富含Li+的油田卤水通过盐田自然蒸发得到浓缩母液老卤，老卤除Ca2+、Mg2+等离子后，加Na2CO3沉淀得到合格的碳酸锂产品［14］。

自2011年开始，中国地质科学院矿产资源所与中国科学院青海盐湖研究所以及青海省第三地质矿产勘查院协作，针对南翼山蒸发实验的研究结果，利用无油自喷的石油钻井进行卤水开采，开展了一系列盐田中试试验［5，15］，2012 年在盐田试验提取钾混盐过程中，发现于冬季在盐田中析出了南极石（六水氯化钙），但是在本次试验过程中析盐次序发生变化，南极石提前至钾石盐阶段析出，分析原因，主要为高氯化钙卤水受南翼山地区寒冷干旱气候影响，而提前于盐田中析出。

目前，以盐田生产得到的混合盐数据为依据，通过盐田相分离技术，获得KCl品位为15%的钾石盐混盐，并获得富含锂、铷等稀有元素的尾卤。后根据室内及野外盐田等结果，拟定南翼山油田水综合利用工艺，如图1所示。采用浮选和热溶-冷结晶相结合的工艺方法提取氯化钾，钾硼混盐生产钾后在盐田继续蒸发结晶得到粗硼酸，热溶重结晶可得粗硼酸，然后提溴、提锂之后进行碳酸锂的提取，目前已初步加工出氯化钾、硼酸和碳酸锂等矿产品，具有成本低、收益高、工艺较简单的特点。

2 砂砾石层孔隙卤水

砂砾石层孔隙卤水规模大，富水性强，采卤井中不易结盐，便于开发利用，主要分布于柴达木盆地西部山前断陷凹地［4］。该砂砾型卤水化学特征有别于柴西现代盐湖硫酸镁亚型卤水，又不同于第三系油田水，是一种特殊的高钠、低硫酸根、低硼、低锂的含钾卤水［16］。该富含氯化物型孔隙卤水，是柴达木盆地西部新发现的新型钾盐矿资源。

2.1 资源评估

2008—2010年，中国地质科学院进行的地质调查工作项目 “青海柴达木西部第三系上新统富钾硼锂深循环卤水矿产普查”，发现新型砂砾层含钾卤水，大幅度扩大了柴西钾盐资源远景，且揭示一种新构造成钾机制［16］。2010—2013年，青海省柴达木综合地质矿产勘查院承担的 “柴达木西部新近纪以来固液相钾盐资源调查评价”项目扩大了孔隙卤水找矿远景，在柴达木盆地西部大浪滩、黑北凹地实施的钻孔均揭露出厚层的承压孔隙含钾卤水矿层；经初步估算，新增液体 KCl（334）资源量 1.0 亿 t［17］。 在此基础上，中央地质勘查基金加大对深层卤水找矿的投入力度，2013年，中央地质勘查基金投资4 490万元，设立《青海省茫崖镇大浪滩东北部深层卤水钾盐普查》、《昆特依矿区深部卤水钾盐预查》两个项目，打响了柴达木盆地中深部找钾攻坚战，证明了柴达木盆地西部砂砾石层储层孔隙卤水找矿前景巨大。短短两年时间，大浪滩、昆特依2个矿区深部卤水找矿就取得重大突破，新发现平均厚度581.74~681.11 m的巨厚砂砾石型孔隙卤水矿层，卤水中氯化钾平均品位为0.30%~0.48%，单井涌水量最高超过6 000 m3，预计可提交氯化钾资源量超过2亿t［18］。由于柴西地区有很好的资源条件，近两年求得深层砂砾型新型卤水KCl资源量总计3.5亿t，已经成为中国地质调查局完成“358”找钾任务的重点地区［16］。

2.2 综合利用试验研究

黑北凹地为向斜凹地，其卤水为深部砂砾石层孔隙卤水，水化学类型为氯化物型。其矿化度较高，一般在280~300 g/L，KCl品位一般在0.30%以上，化学成分单一，仅KCl、NaCl在边界品位或者工业品位以上，在抽卤中不易结盐，易于开采［19］。

基于黑北凹地独特的化学组成与优势，中国地质科学院矿产资源研究所开展了黑北凹地地下卤水自然蒸发试验，获得了黑北凹地地下卤水自然蒸发析盐顺序和结晶路线（见图2）以及锂、硼等离子富集规律。其析盐顺序为：石盐→石盐+光卤石→石盐+光卤石+水氯镁石，蒸发实验经过了较长的NaCl析出阶段才达到 KCl·MgCl2·6H2O 阶段，锂、硼在整个过程中处于浓缩富集阶段。蒸发试验发现，该含钾卤水盐类矿物组合比较简单，这为将来生产提取工艺带来便利。但氯化钠结晶周期长，也使得有益组分钾的收率较低。如何缩短石盐析出阶段、提高钾盐收率是该地卤水利用的关键问题。

目前，正在进行该地区卤水野外连续盐田试验，以期获得高品质浓缩卤水，掌握盐田制卤工艺参数，探索混盐中矿物的分离提取技术。

3 化学盐类晶间卤水

化学盐类晶间卤水分布范围大，在柴达木盆地西部向斜凹地和断陷凹地均有分布。其从地表至深部1 250 m以下都存在，《青海省茫崖镇大浪滩钾矿田详细普查地质报告》（1988年）以地表155 m（部分地段为350 m）以下地段为本次晶间卤水的研究对象，在大浪滩凹地、黑北凹地以水文地质钻孔揭露出了该层。大浪滩—黑北凹地经梁ZK09、梁ZK10、梁ZK02、梁ZK04、梁ZK06及梁 ZK08等水文地质孔揭露出的化学盐类晶间卤水钾盐矿层，有益组分KCl品位在1.0%~1.96%，盐类组分NaCl、MgSO4含量高，B、Li、Br、I 等稀 有 元素含 量 低， 矿 化 度为298.7~395 g/L，卤水密度为1.2~1.22 g/L，水化学类型按瓦利亚什科分类属硫酸镁亚型。但化学盐类晶间卤水储卤层富水性差，在采卤井中易结盐，目前技术条件下开采难度大［4］，现阶段不易开发利用。

4 结语

柴达木盆地地下卤水开发利用工作始于钾盐勘查，近些年来在“油钾兼探”方针指导下，针对找钾工作上取得了较大进展。综合前人研究成果，本文认为柴达木盆地地下卤水开发研究工作仍需注重以下几方面：1）柴达木盆地浅部钾盐矿床已经基本完成评价工作，转入全面开发阶段，而深层卤水的工作在探索中起步。前期工作已证实柴达木西部地区地下卤水具有极大的经济价值，盆地内油气田卤水除富含锂硼钾外，还含有宝贵的溴碘资源，且有害组分镁的含量较低，极具开发意义；砂卵砾石型地下卤水因其化学组成单一，易于开采，也将成为开发的备选资源。2）对于基础较好区域如南翼山等，应继续完善其盐田工作，根据盐田实际修正盐类分离提取工艺参数，确定工厂分离混合盐的方法，实现南翼山地下卤水的产业化。加快柴西其他地区的研究进展，继续开展相关区块地下卤水资源的可行性研究，并对优质地下卤水进行综合利用前期的资源评估与研究。3）柴西地区地下卤水资源赋存状态、化学组分各有不同，差别较大，需要分别进行资源综合利用科技攻关，得出其对应技术路线。

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Research progress on comprehensive utilization of deep underground brine resources in western Qaidam Basin

Liu Ying1，2，3，Wang Yunsheng1，2，Nie Zhen1，2，Wu Qian1，2，Yu Jiangjiang1，2
[1.MLR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments，Institute of Mineral Resources，China A cademy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Research and Development Center of Saline Lakes and Epithermal Deposits，China Academy of Geological Sciences；3.China University of Geosciences（Beijing）]

The development of underground brine has a long history，but the research on deep underground brine in the basin has started relatively late.Because of its great prospecting potential，deep underground brine resources have been paid more and more attention，especially in western Qaidam Basin.Recent studies have shown that the western Qaidam Basin had huge reserves of tertiary brine resources，including symbiotic oilfield brine with oil and gas，and underground brine in the sandy gravel.The comprehensive utilization situation of underground brine in typical area of Nanyishan and Heibei concave from two aspects of the resource evaluation process and experimental research was summarized.It was concluded that more efforts should be made to explore the underground brine resources in the western Qaidam Basin and strengthen the scientific and technological researches of comprehensive utilization.

deep underground brine；western Qaidam Basin；potassium and boron resources

TD989

A

1006-4990（2018）01-0012-04

中国地质调查局地质调查项目（DD20160054）；国家自然科学基金项目（41473061）。

2017-07-20

陈银霞（1982— ），女，博士，副教授，研究方向为环境功能纳米材料，已发表论文10余篇。

纪献兵

联系方式：chyxsd@163.com

收稿日期：2017-07-28

作者简介：刘颖（1993— ），女，在读硕士研究生，研究方向为地质工程。

通讯作者：王云生

联系方式：2508832778@qq.com