连通井组分层二次对接开采技术浅析①

胡海兵 王春连 顾强

1 湖南省湘澧盐化有限责任公司，湖南 津市415400

2 中国地质科学院矿产资源研究所 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037

3 中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

1 矿山概况

湘澧盐化矿区位于湖南省澧县盐井镇境内，岩盐矿体位于盐井-申津度-东港盆地边缘，受盆地西及北成盐后期断层控制[1]。矿层沿盆地边缘呈弧形分布，地层走向北东60°左右，倾向北北西，倾角较平缓，一般4°～7°，基本上为一单斜构造。

岩盐层产于第三系始新统的灰色含盐系中，埋深500～700m。含盐系之上，依次上覆紫红色泥岩，偶夹薄层砂岩，褐色和黄褐色网纹状粘土，含盐系由上下石膏层（即含硬石膏，钙芒硝的灰色泥岩偶夹泥灰岩，白云质泥岩）矿体组成[2-5]。由于沉积旋迴和沉积分异的缘故，矿体中的盐、钙芒硝、泥岩出现互层，并偶含硬石膏，因沉积环境动荡不定，成盐母液成份多变，分布于全采区的盐层有六层，且不稳定(表1，图1)。

表1 矿层厚度及品位Table 1 Thickness and grade of ore bed

图1 含盐岩段柱状对比图Fig.1 Columnar comparison of saline rock section

第Ⅰ、Ⅱ盐层为单盐层，其余为复盐层，复盐层比较密集，间距2～5m，单盐层分布稀，间距10～73m，以Ⅰ到Ⅱ盐层为最大，间距在70m左右。岩盐层累计厚度12.7～14.0m[6-10]。

湘澧盐矿二采区初步设计将探明的6个盐层，依其空间组合关系，划为三个工业盐层，作为分层开采对象。各层厚度、品位变化情况见表1。

2 卤井开采情况

2.1 采区现有卤井分布及开采情况

湘澧盐化矿区年生产能力达到100万t，采区目前有生产卤井42口，其中单井对流卤井2口，自然溶蚀连通卤井12口，定向钻井连通卤井24口，与老溶腔定向水平对接卤井4口（图2）。

2.2 开采方法

湘澧盐化盐层比较薄，根据盐矿开采技术条件（包括盐矿地质条件、工程地质条件和水文地质条件），以往主要采用单井对流法、压裂连通法和井组连通法开采岩盐，后期引入定向水平对接连通水溶开采法开采。

单井对流法是以一口井为一个开采单元，在井内多层同心管的密闭系统中，从其中一层管内往井下注入淡水，溶解盐类矿层，生成卤水后，再利用注水余压使卤水从另一层管内返出地面的开采方法。单井对流法矿石采取率低，不足20%，卤水产量低，质量不稳，井内事故多，对环境污染大，采卤成本高，矿山建设投资大。

图2 采区井组分布图Fig.2 Well group distribution map of mining area

水力压裂连通水溶开采法是以2口直井为一个开采单元，利用水力传压的作用，从其中一口井注入高压淡水，迫使井下矿层形成压裂裂缝与另一口井贯通，并将裂缝迅速溶蚀、冲刷、扩展成压裂通道，再自下而上进行水溶开采。其优点为卤水产量大，浓度高，矿石采收率较高，相比实现井组连通的时间最短；缺点为压裂主裂缝的延伸方向和连通部位不能有效控制，易造成邻近井组间压裂窜槽和地层充水，操作较困难。

自然溶蚀连通法是以两井或多井为一个开采单元，各井早期用单井对流法开采，对井下矿层的溶解作用不加控制，随着水溶开采溶洞直径的扩大，当两井（或多井）的溶洞相互溶蚀连通后，改从其中一口井（或分井）注入淡水，溶解矿层，生成卤水，再利用注水余压使卤水从另一口井（或其他井）返出地面的开采方法。自然溶蚀连通法往往是在卤井使用后期两井或多井通过溶采连通，矿层开采已到后期，井的连通使用效果较差，资源浪费大，建井成本高，且可利用价值差。

定向水平对接连通水溶开采法就是以2口井为一个开采单元，朝目标井（直井）钻一口定向水平井，使两井在开采矿层下部连通，形成初始溶解硐室，然后从一口井注入淡水，溶解矿层，生成卤水，再利用注水余压使卤水从另一口井返出地面的开采方法。其优点是连通部位基本可靠，采收率高。建槽时间短，升咸快，卤水产量大，井下事故少，安全生产周期长，采卤井维护费用低，井距大，控制的可采矿量多，服务年限较长；缺点为水平井以下的矿石无法开采，约造成20%的矿石损失，上溶生产不加控制，易于上溶至矿层顶板[9]。

2.3 定向水平对接连通井组开采情况

由于定向水平连通井众多优点，湘澧盐化现采取定向水平连通井开采。具体方法是直井先钻进至第三工业盐层，下套管固井封隔上部第一、二工业盐层，建槽形成溶腔。然后采取定向水平钻进方式与直井溶腔对接，开采第三工业盐层。第三工业盐层开采达到设计采出率后，由于湘澧盐化盐层比较薄的特殊性，第三工业盐层与第二工业盐层相距70m左右，上部的第二、一工业盐层因间隔较厚无法自然垮塌冒落第二工业盐层，致使第二工业盐层无法开采，造成矿产资源的严重浪费，因而考虑实施卤井套管开窗侧钻定向水平二次对接。

3 水平对接井组二次对接开采方法

3.1 二次对接开采

现阶段，采区卤井大部分开采的是第三工业盐层，经过十多年的开采，一部分卤井第三工业盐层采出率高达50%以上，但该工业盐层只占地质储量的五分之一，欲采与第三工业盐层溶腔相距70m左右的第二工业盐层，因钙芒硝、泥岩层叠加太厚，泥渣膨胀系数又远远大于1。因此，无法利用自然垮塌开采。

湘澧盐化公司自2004年引进水平对接井技术以来[11]，先后完成了19对对接井。早期施工的一对水平对接井A121-A122，其开采盐层为下部第三工业盐层，经过十多年的开采，其采出率已达36.45%，大大超过设计的27.8%，针对这一情况，考虑开采上部第二、一工业盐层。结合石油系统开采技术及单井提层开采技术，对A121-A122实施提层定向水平对接。

3.2 二次对接开采方法

二次对接开采方法就是以现有直井和定向水平井为一个开采单元，对直井被套管封隔的第二工业盐层实施爆破，使第二工业盐层裸露，注水溶解，形成小的溶腔。对定向水平井被套管封隔的第二工业盐层实施开窗侧钻，与爆破形成的溶腔进行二次定向水平对接，然后从一口井注入淡水，继续溶解矿层，生成卤水，再利用注水余压使卤水从另一口井返出地面的开采方法。以水平对接井A121-A122为例（表2）。

表2 井身结构表Table 2 Well body structure table

3.2.1 该井组基本情况

A121井为直井，终孔深度为589.53m，套管下深583.50m，二盐层底板为518.86m，层厚2.90m；A122井为定向水平井，套管下深550.00m，通过直井取芯，该井二盐层底板为492.79m，层厚2.90m。地面井距228m。

3.2.2 A121直井二次开采

（1）探孔。探孔工具由Ф120mm平面钻头+Ф108mm岩心管4.0m+Ф60mm钻杆构成，探至520.00m结束。

（2）爆破二盐层。用Ф60mm钻杆送入爆破弹（Ф110mm弹头3.00m+缓冲管1.0m），进行井下爆破。

（3）悬浮固井。下单向阀+Ф60mm钻杆至565.00m注水泥，顶替清水，上提钻杆，候凝一周。

（4）下中心管。下入Ф73×5.51mm油管519.00m，连接井口装置，注水建槽。

3.2.3 A122定向井二次开采

（1）利用水平井计算模板和测斜成果，确定造斜点。

计算钻孔中揭露的各盐层空间坐标，计算时根据测斜成果用最小曲率法求得各点的坐标，根据原有地质资料，用插值法算出对接靶点和水平井盐层取样点的精确坐标。

（2）探孔。探头工具由Ф120mm平面钻头+Ф108mm岩心管4.0m+Ф73mm钻杆构成，探至造斜点以下，并用大排量清洗井眼，从而替掉井内卤水[12-13]。

（3）声幅测井。根据声幅测井情况，确定采用下斜向器直接开窗侧钻。

（4）开窗

①开窗工具构成

地锚：用10m长的油管，表面焊毛刺，下部割几个通水孔，用来固定斜向器。

斜向器：用于引导铣锥按设计方向开窗，斜面长度为4m，顶部角度为3°。

送斜器：一根割眼的中心管，上部与钻具丝扣连接，下部与斜向器销钉连接，其作用是将斜向器送至预定位置，然后靠钻具自重剪断销钉，与斜向器分离，将斜向器留在井内[14]。

铣锥：对于Ф139.7mm套管，使用Ф118mm钻铰铣。

②开窗前的准备工作

注水泥封堵老井眼，下入Ф73mm钻杆到预定井深，按设计注入水泥浆，水泥浆比重在1.9以上，候凝72h后试压。扫水泥面，钻时均匀，无放空现象。固定斜向器，把设计好的地锚总成下到井底，循环正常后，开始定向，采用陀螺定向，定完向后，让地锚接触井底，斜面避开套管接箍，开始注水泥浆，结束后加一定钻压，剪断送斜器和斜向器之间的销钉，斜向器留在井内，起出钻具，起钻过程中，冲洗钻杆，候凝72h后进行开窗作业扫水泥面至斜尖0.3～0.5m，准备开窗[15]。

③下铣锥开窗侧钻[16]。

（5）定向钻进，钻至与A121井靶点对接成功。

①确定轨道曲线类型：盐层水平井虽然中靶要求比较高，但是就轨道本身是简单的三段式二维曲线（图3）。

②计算水平井垂深DT：水平井垂深是指孔口O至靶点T的高差。这是三段式轨道设计的重要参数，一系列的参数都是以这个参数为基准计算出来的。

③确定圆弧终点的井斜角αB：圆弧终点的井斜角就是盐层的倾斜天顶角，为了准确计算这个角度专门在水平井处钻直井，确定盐层的坐标，就是为了获得这个取样点Y与靶点T的准确距离l和靶点T与取样点Y之间的高差DT-DY(图3)。

④圆弧半径R：圆弧半径从理论上和采盐角度来说是越小越好，但是目前是由造斜工具的造斜性能决定的，用普通的钻杆加螺杆钻具组合，曲率半径达100m左右，在设计时最好不要小于100m。

⑤计算圆弧长度ΔL：根据A、B两点的井斜角可以计算出圆弧的圆心角，不难算出圆弧长度。

⑥计算A、B两点间的垂深增量ΔD和水平增量ΔS：

图3 水平对接示意图Fig.3 Horizontal docking schematic diagram

根据ΔS和盐层在设计剖面上的倾角可以确定B点的坐标，根据B点的垂深减去ΔD确定A点的位置。A点附近就是需要注水泥堵塞的顶面。

根据以上计算已经确定了造斜点A、圆弧终点B、靶点T的坐标参数。轨道设计可以从圆弧起点开始。设计要算出的参数主要有：井斜角、井斜方位角、垂深、N坐标、E坐标、水平位移、视位移、井眼曲率、对接方位角等。

在薄盐层对接井施工中，应特别关注设计剖面上钻头的投影位置，要将水平位移投影到设计剖面得到视位移，分析钻头与盐层顶板和底板的相对关系[17]。

（6）采用下尾管技术，下入Ф95.3×6.5mm非API标准套管至第四盐层顶板。

（7）固井。固井采用环隙注水泥方法，候凝72h后扫孔，扫至对接点。至此二次对接成功，直接投入生产运行。

图4 二次定向水平对接示意图Fig.4 Schematic diagram of horizontal docking with secondary orientation

4 分析

4.1 二次对接开采技术分析

1986年，湘澧盐化有限责任公司与长沙矿业研究院合作，在单井对应盐层部位利用爆破方法爆开封隔盐岩层的高强度套管和水泥环[18]，使岩盐层裸露，进行水溶开采获得成功。但对于自然溶蚀连通井组，利用此法，有待进一步验证其可靠性。

对于薄盐层厚夹层岩盐矿定向水平对接井二次开采问题，采用爆破与开窗侧钻的方法可达到技术要求。在进入岩盐前应提前加足抗盐钻井液，防止垮塌物堵塞井眼。在选择靶点垂深时，应根据岩盐的厚度和盐岩溶腔特点（包括地层倾角、盐岩的分布、溶腔的大小等）进行综合考虑。做好井身轨迹的控制和预测是水平井成功对接的基本保障，应取准测斜数据，准确推测造斜率，做好水平对接图。

4.2 经济效益

连通井组多盐层分层对接开采技术，可以利用老井地面的集输设备，减少重复建设投资；可以利用原有的井场，减少永久性占地面积，降低征地费用；可以利用老井眼，缩短钻井周期，降低钻井成本；可减少钻井及盐岩开采过程中对环境的污染，爆破及开窗侧钻后，可以提高采收率，充分开采矿产资源。

A121-A122井组二次定向水平对接成功，并于当年投入生产运行，截止10月底止，该井组共采卤183626.8m3，平均NaCl含量297.74g/L，折盐54673t；平均Na2SO4含量27.7g/L，折芒硝5086t。按市场价300元/t计算，已新增工业产值1500多万元。若按卤井日采卤1100m3，平均NaCl含量297g/L，折盐326.7t，每年按300天生产时间计算，年产超98000t，按现有市场价300元/t计算，年可新增产值3000多万元。

5 结语

湘澧盐化矿区二采区延伸区水平对接井组可以利用直井爆破二盐层，水平井二次开窗侧钻、定向水平对接上部盐层，继续开采上部盐层。该技术是可行的，且具有可靠性高、安全性好、施工工艺简便、费用低等工艺性能。该组井的成功，开启了连通井组分层二次对接开采的范例，可供类似工程借鉴应用。特别是对薄盐层、厚夹层岩盐矿山挖潜增效，大幅提高采收率相当适用。