天然碱矿综合钻井水溶开采工艺设计

李 林

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

天然碱矿在开采过程中往往采用的是水溶采矿方式，该种方式主要是对应用天然碱矿床自身所具备的易溶于水特点的有效应用，利用井巷方式或者钻井方式实现注入，这样可以溶解矿床中的有益成分，产生的溶液会直接返出到地面上。针对这一情况，可以直接通过管道输送，将溶液输入到工厂中。与传统采取的巷道凿井法相比而言，水溶采矿方式能够实现埋藏较深、厚度较薄的矿床开采，而且不需要大量投资，效果较好，使用的设备与工艺技术较为简单，将环境污染问题控制在有效范围内。

1 天然碱矿开采存在问题分析

1.1 天然碱矿

某天然碱矿矿体的埋藏深度是在600 m到700 m之间，采取的是自上而下开采方式，主要分布的是Bed10—Bed1主要矿层，每一层的厚度在0.5 m到20 m之间。厚度最大的碱层在10～25 m之间，是Bed3。该矿区在开采中，主要采取的是钻井水溶开采方式。已有井组井距在400 m到500 m之间，而组距与排距分别是300～400 m、300～500 m，目的层主要以Bed3为核心。在完成钻井建设工作后两年内的单井吞吐助溶需要实现压裂连通，这样才能提升回采率。

1.2 存在问题分析

从该天然碱矿的实际生产实践中可以了解到，已经拥有一套相对完善的开采工艺，比如，单井水利压裂扩容工艺、单井吞吐工艺等，而且生产中出现的很多问题得到解决。但同时也积累很多不同问题与隐患，本文主要从以下几点进行阐述与分析：

1)对井压裂连通失败率较高，而且在资源回采中无法达到更好效果。通常情况下，在矿山开采设计期间，工作人员需要对应力情况、压裂通道方向情况进行分析，并做好布置工作。在实际压裂实践期间，对井之间的井组连通，没有结合设计连通井展开。这使得形成的连通往往是非预期性连通，此类连通的压裂成功率较低。通过相关研究分析了解到， 压裂形成的裂缝往往是垂直方向裂缝。此类连通会对开采设计工作造成很大影响，无法实现对地下融腔的有效控制，这也是资源回采率低的一个重要原因。

2)高压注水过程中可能会引发钻井施工风险。在压裂连通前期阶段中，要进行大量高压水的注入，这样才能实现对井渗透流呈现面状相通效果。水在高压状态下不仅会缓慢渗透到地层、矿层中，而且在地层与矿层中可以实现有效存储[1]。在钻井建设工作期间，钻孔与存储在矿层中如果出现高压水串通，那么会引发安全事故的出现，比如，井喷事故、埋钻事故，对工作人员的人身安全产生威胁。因为矿层的埋藏深度较深，在完成建井工作后，生产压力会逐渐提升，单井吞吐法方式，持续时间较长，会对地层、矿层以及钻井水泥环等产生破坏。严重情况下会出现环境灾难，影响社会更好发展。

3)高压运行背景下风险会逐渐提升，而且运维成本也会增加。如果使用压裂连通方式，或者单井吞吐方式，在实际生产运行期间会产生很大压力，为实现工作的顺利进行，要保证地面管网质量、钻井套管质量能够符合标准规定。在当前矿区工作中出现的不同问题，通常是由生产套管穿孔造成的。在生产注井压力较高背景下，与之配套的地面装置，以及管网承压级别也需要随之提升。这样不仅会增加生产成本与维护成本，而且工作人员在具体操作中会存在一定安全隐患问题。

2 采矿方法选择分析

针对该天然碱矿开采工作出现的各类问题，需要相关工作人员能够有正确认识。为防止资金浪费情况出现，同时提高资源回采率。要根据地质特征实际情况，采取以下几种开采方式：

1)水平对接井溶采方式。如果矿层原生态保持较好，品位以及矿层厚度都可以满足地区要求，那么可以采用水平对接井溶开采方式。合理利用当前现有垂直井，实现新水平井与老水平井之间相互连通[2]。水平井在相互连通后会形成通道，在此基础上，开展主要矿层溶采工作。在后期阶段中如果想要实现主采矿通道与上下相邻矿层之间的相互连通，推动后续其他矿层开采工作的顺利进行，工作人员可以采取水平井压裂方式。

2)对井压裂溶采方式分析。对于压裂井的优势工作人员不仅要有明确认识，还要将其优势发挥出来，在一条水平井组轴线一侧要进行压裂垂直井的合理布置，或者将压裂垂直井布置在两条水平井组轴线之间，并做好压裂处理工作。这样裂隙可以沿着主应力方向延伸，与一侧水平井通道，以及两侧水平井通道相互连接。在此背景下形成的水平井通道，可以为后续采矿工作的落实打下良好基础。

3)分支井开采部分上行矿层分析。在完成水平井开采工作，与压裂井通道完成开采工作之后，工作人员要分析并了解上部矿层深度具体情况、矿层厚度以及品位情况等，在保证可以将矿层厚度、品位等各方面需求满足基础上，合理使用水平井分支井构建通道，并做好上行其他矿层溶采工作。

4)单井吞吐法。在采矿主要通道明确中，可以通过垂直井上部井筒，以及水平井上部井筒实现，还可以通过射孔方式，实现对上部矿层的暴露，在上部矿层开采工作落实期间，工作人员要合理利用单井吞吐法方式。还可以将单井吞吐法开采方式，应用在矿区边缘位置等。

3 布井参数明确

在对布井参数作出明确之前，需要工作人员能够做好矿山地质数据收集工作与整理工作，并创建三维地质模型，绘制剖面图、高线图等，为后续工作的开展打下良好基础。在具体布井参数的明确中，要做好以下几点工作：

3.1 明确首采矿层

通过对矿床勘探结果以及储量评价结果分析可以了解到，Bed3为首采矿层，主要是因为：

1)结合钻井水溶开采原理可以明确，首采层必须要采用自上而下的开采顺序，而Bed3矿层下的Bed1矿层与Bed2矿层，矿体分布面积相对较小[3]。在Bed2矿层中含盐量较高，不具备开采价值。

2)矿区的主矿层之一为Bed3，不仅分布稳定，而且厚度较大。一般情况下来说，在Bed3矿层0.5 m等厚线边界范围内，将已有采空区避开，就可以将其作为首采区。如果矿层厚度已经超过1.0 m，那么需要进行水平井采矿通道布置。

3)次选Bed4矿层，主要是因为Bed4也是主矿层之一，分布较为广泛，而且矿层相对稳定，厚度较大，符合首采层条件。

3.2 明确上部矿层开采方式

在布井过程中，可以将首采矿层作为核心与关键，同时压裂通道开采属于次采层，在具体开采中，要保证矿层分布位置、特性参数能够满足相应需求。该矿区工业矿层之间夹层厚度较厚，为节约更多上部矿层开采升本，可以采用综合办法对上部矿层进行开采[4]。比如，对于当前垂直单井在暴露中，可以采取射孔方式，实现开采工作的顺利进行；对于新设计的水平井以及垂直井，需要在完成首采风与次采层开采工作后，针对厚度超过1.0 m的上部矿层，可以使用水平分支井建设开采通道，这样才能高质量完成开采工作。

4 综合钻井水溶开采工艺设计

在天然碱矿综合钻井水溶开采工艺设计中，以水平复合井为例，具体井身结构设计与施工流程如下：

1)在一开钻进过程中，使用φ445钻头进行钻进，钻进深度大约为20 m，并将φ339.70表层套管下入到其中，还要使用油井水泥实现固井，对表层土进行封闭。在一开固井水泥养护中，养护时间要达到8 h；

2)二开钻进期间，可以使用φ311钻头开展钻井工作，钻进深度大约在350 m到450 m之间，需要注意的是相较于深部含水层要低10 m到20 m的距离，这样可以保证固井井段质量。与此同时，开展录井工作与测斜作业[5]。将φ244.50技术套管下入其中，主要目的是实现油井水泥固井。

3)三开钻进工作开展中，要发挥出φ120螺杆马达、φ216钻头优势，在钻进中可以直接钻至首采层落平点，要注意做好落平时钻进顶角控制工作，一般将其控制在86°到94°之间即可。在对落平点位置的确定中，需要工作人员能够对随钻测井技术进行合理应用，最终确定的位置就是首采层。在钻进期间要与第一靶井相互连通，并关闭第一靶点垂直井井口装置，避免泥浆循环影响水平段钻进工作的落实。继续使用设备沿着首采层开展钻井工作。在水平井段两端井位置，要创建循环管网，向其中持续注水3天到5天，这样通道可以实现发育。

4)四开井钻进期间，工作人员要将φ120螺杆马达、φ216钻头的作用发挥出来，在原造斜点进行反向造斜，钻出大约20 m新孔[6]。提钻将螺杆马达卸下，并使用φ216钻头转盘，钻进到矿层以上大约20 m处位置。此时还要提钻进行钻具更换，继续进行钻进工作，直至钻进到矿层底板10 m处位置为止。使用φ216钻头扩孔到孔底位置，并将139.7 mm生产套管下入到其中，使用油井水泥固井，这样可以形成采矿通道。要保证水泥养护时间达到72 h。

5 结 语

综上所述，天然碱矿综合钻井水溶开采工艺设计，是天然碱矿开采中的一项重点工作。在这一过程中，工作人员对开采工艺设计工作要加强重视程度，保证采取的开采方式，能够符合天然碱矿实际情况，从而达到良好开采效果。