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钻孔水溶法开采工艺流程、生产工艺及技术经济评述

发布日期:2017-04-12  来源:选矿技术网  浏览次数:7376
 
 
 
 
 
 
    一、工艺流程及开采
 
    钻孔水溶法开采的基本工艺流程,如图1。
 
 
图1  钻孔水溶法工艺流程图
 
    开采设备按用途不同有以下六种:钻孔设备、钻孔地表辅助设备、开采设备、工作剂制备设备、监测控制设备、地表输送及产品粗加工设备等。
 
    二、盐井结构及装备
 
    钻孔结构包括钻孔总深度、各段孔径、管径、固井方法等。钻孔中导向管直径、套管直径和中心管直径,应根据矿层深度、厚度、回采工艺、钻孔内回采设备直径等来确定。
 
    盐井的合理结构应当保证在整个回采过程中安全无事故地提取尽可能多的有用矿物。对于盐井回采装备参数的选择,应考虑回采管串及井口装备结构即应保证工作剂能顺利通达矿层,产品溶液抽出井口技术上无困难。盐井中的管串合理直径,应保证注、抽流量的前提下,其压力损失最小。
 
    盐井底部结构依回采工艺不同而异。每个盐井的底部结构都要单独设计,主要取决于矿层厚度及其底板标高。接近矿层底板水平面甚至低于底板的孔底抽卤,可以大量减少矿损。用气升泵抽卤,中心管直径为20~25mm,混合器结构应能使液体气化均匀,并有利于抽卤过程的控制。
 
    井口装置包括连接井口设施及工作管串,应根据管道直径、工艺参数、工作剂物理化学性质来选择,要求各管间环隙既能密封,又能伸缩自如,还可使所有工作流体能按工艺需要,在相应的管间环隙中流动。
 
    套管层数、各层直径、下入深度和位置,由矿床水文地质条件、盐层顶板特征及不同回采工艺等因素确定。国内井矿盐生产中采用的回采工艺及相应的盐井管串装备见表1。
                                                                                                                                     
表1  盐井回采工艺及管串装备
矿井
回采工艺
井深
(m)
技术套管直径
(mm)
注水管直径
(mm)
中心管直径
(mm)
 湖南湘浬盐矿1#
 
 湖南湘浬盐矿2#
 云南磨黑盐矿1#、3#
 四川长山盐矿120#
 四川长山盐矿201#
 四川南充盐矿
 四川五通桥盐矿罗22#
 四川蓬莱盐矿4#
 云南乔后盐矿
 单井对流
 
 水力压裂法
 1#油垫 2#气垫
 单井油垫
 对井油垫
 两管油垫
 三管油垫
 油垫单井对流
 油(气)垫对流法
237~331
 
231~350
222,211
925,67
1003,09
 
 
1091.32
2870.00
139.7
(或114.3)
108.0
219.07
139.70
177.80
168.27
219.07
219.07
273.00
 
 
 
139.70
75.90
127.00
 
139.70
139.70
150.00
60.5
 
73.0
88.90
48.30
73.00
88.90
73.00
73.00
108.00
 
    三、单井对流法
 
    单井对流法是钻井水溶法中常用的非控制溶解生产工艺,其工艺特征是注水和采卤在同一口井中进行。当采用水力压裂不成功时,也可用此法进行补充开采。该法具有开拓时间短,盐井结构简单、流程简便,灵活性大,设备费用少,劳动强度低,易操作等优点。其缺点是单井产卤能力低,安全生产期短,井下事故多,长期生产过程中如顶板欠稳固易产生顶板垮塌,可能发生中心管弯曲变形,井管堵塞,套管破裂等事故,影响盐井寿命和矿盐采收率。
 
    (一)单井对流法生产过程
 
    单井对流生产过程可分为三个时期:
 
    1、建槽期
 
    以正循环为主向井内注入淡水,清除井底碎屑物,溶解井壁四周及充分裸露盐体,形成一定规模的溶腔,直到生产饱和卤水。对于岩盐矿床,建槽期的溶蚀深度一般大于10~15cm/d。卤水浓度的提高取决于注入水量和溶腔扩展速度,卤水浓度达饱和所需时间约30~40天,一般在含盐量达250g/L,产卤能力可达100t/d。
 
    2、生产期
 
    当溶槽建成后,注入的溶剂(水)能最大限度地溶解盐类物质,连续不断地生产饱和卤水,持续多年稳产高产。采用反循环操作为主,以增加可溶蚀的面积,加快侧溶速度,使溶腔增大。
 
    3、衰老期
 
    溶腔扩大,顶板充分暴露,卤水浓度逐步降低,产量大幅度下降,不能维持正常生产,当顶部溶蚀角减小到一定程度,溶腔中充满过饱和卤水,溶蚀作用停止,卤水生产随即停止。衰老期一般占井服务年限的15%~20%。
 
    (二)单井对流法生产的主要参数计算
 
    该法主要生产参数的计算公式列入表2。
 
表2  主要生产参数计算公式
参数名称
m
符号说明
 井底压力(MPa)
   正循环时(MPa)
   反循环时(MPa)
 液体流动速度(m/s)
   在中心管中流速(m/s)
   在环隙中的流速(m/s)
 
 采注比(%)
 日产盐量(t/d)
 盐井产卤能力:
   年采盐能力(t/a)
   采盐速度(%)
   采出程度(%)
   井的采收率(%)
   单井控制地质储量(t)
   单井服务年限(a)
 Pjd=Hγo/10+Pm+Pv
 Pjd=Hγo/10+Pf+Pv
 Pjd=Hγo/10+Pz+Pv
 V1=Q/F
 Vz=Qz/Fz
 Vf=Qf/Ff
  =Qf/0.7854(dt2-dz2
 K=ql/qw
 Qs=w·Fe/41.67
 
 Qg=q1·c·t
 vzh=Qg/Nd×100%
 f=ΣQs/Nd×100%
 n=Qds/Nd×100%
 Nd=FsMaγ
 T=Nd/Qgη
 Pjd-井底压力;                        Pm-摩擦阻力损失;
 Pv-出卤管井口回压力;                 Pf-环隙压力损失;
 Pz-中心管的压力损失;                 H-井深(m);
 Hγo-卤水容重(g/cm3);               γ-矿盐容重(t/m3);
 V1、Vz、Vf-管子、中心管、              Q、Qz、Qf-管中、中心管、环隙中
 环隙中的流动速度(m/s);                         的流量(m3/s);
 F、Fz、Ff-管子、中心管、环            dt、dz-套管内径和中心管外径
           隙的截面积(m2);                   (m);
 q1-日出卤量(m3/d);                  qw-日注水量(m3/d);
 Qs-日产盐量(t/d);                   Qg-年生产能力(t/a);
 ΣQs-某段时间累积产盐量;             Qd-单井总产盐量(t);
 Fe-有效溶蚀面积(m2);                Fs-控制盐层面积(m2);
 w-溶解速度(kg/m2·h);               c-卤水平均含盐量(t/m3);
 t-有效生产时间300d;                 η-采收率;
 M-矿层厚度(m);                      a-矿盐品位%
 
    (三)采卤设备选择
 
    泵是盐井生产的主要设备,泵的选择取决于井径、井深和产量,其计算公式列入表3。
 
表3  水泵参数计算公式
参数
计算公式
符号说明
泵功率(kW)
N=Qp/10ηp=Qhγ/100ηp
  Q-泵排量(kg/s);                p-泵压力(MPa);
  h-总水头损失(m);              γ-液体容重(g/cm3);
  ηp-泵效率(一般取0.7)
  泵压力(MPa)
  其中:
    管线压力损失(包括中心管
                 及地面管汇)(MPa)
    环隙压力损失(MPa)
 
    局部阻力损失(MPa)
    水压头损失(MPa)
  P=(Pc+Pz+Pf+Pzh+Pw)×0.1
 
  Pc+z=82.6λ(Q2γ/d3)×Lc×0.1
 
  Pf=82.6λ{(Q2/dt-dz)+[(γ/dt2-dz2)2]}
      ×Lf×0.1
  Pzh=0.833γζ(Q2/dj2)×0.1
  P=0.1hwγc×0.1
  Pz-中心管的压力损失;           γ-阻力系数;
  ζ-局部阻力系数(实验确定);    d-地面管线内径(cm);
  dz-中心管外径(cm);            dt-套管内径(cm);
  dj-接头内径(cm);              Lc-地面管线长度(m);
  Lf-环隙空间管子长度(m);       hw-水头高度(m);
  γc-卤水容重(g/cm3
 
    (四)生产动态分析
 
    通过生产动态分析,掌握淡水和卤水运行、岩盐的溶解、盐井的变化规律,以保证盐井达到高产、稳产,合理开发地下资源,提高矿盐采收率。首先应收集大量技术资料如地质资料、完井及施工作业资料、生产资料,根据压力、流量、浓度资料,绘制各参数关系曲线,掌握三者的变化规律。还应根据卤水成分分析结果,绘制主要元素含量变化图,掌握主要组分变化规律,根据这些分析结果,鉴定工作制度是否合理,确定和调节卤井正常生产能力,分析卤井技术状况,判断井下事故,以便及时采取措施排除故障,维护正常生产。
 
    四、油(气)垫对流法
 
    油(气)垫对流法是在钻孔中装置适当的生产管串,在注水的同时注入油或气。在盐槽或溶腔中形成一油(气)垫层,以控制和保护溶腔顶板,延长矿井寿命,提高卤水浓度和采收率的可控制性溶解采卤工艺。该法是利用油不溶解盐、油比水轻且互不混溶的特性,在溶腔顶部形成一个很薄的隔离层。防止盐层顶部过早溶蚀,以控制溶腔高度,使溶腔沿水平方向扩展成一个直径大、高度小的圆盘状盐槽,形成最有利的溶解面。然后在油垫层保护下自下而上进行溶解开采。油垫法垫层稳定,但带砂能力弱,适用于开采品位高的矿床。气垫法垫层稳定性差,难于用调节压入气体量以溶蚀出一定形状的盐槽,易腐蚀管道。由于气垫工艺带砂能力强,适用于开采品位低的矿床。与单井对流法相比,油垫法工艺先进,生产能力大,卤水浓度高,回采率高,井下事故少,溶蚀范围可以控制,能防止地表塌陷,采后溶腔可利用作为贮存压力液体的容器;此工艺的缺点是建槽期长,有大量淡卤需处理,油料费用需增加。
 
    油(气)垫对流法开采划分为建槽和生产两个阶段:
 
    (一)建槽阶段
 
    本阶段是通过油(气)垫对盐层顶部的保护作用。在盐矿层底部先造成一个以钻孔为中心的扁平盐槽,以保证能生产出标准卤水。盐槽直径与高度之比值,根据岩盐品位与盐层厚度而定。根据生产经验,对盐层厚度不大、品位高的矿区,径高比宜大于67∶1(即盐槽直径为100m,建槽高度为1.5m,槽底倾角为1°30′);对盐层厚、品位低的矿区,径高比至少应大于10∶1(即盐槽直径为100m,建槽高度为10m,槽底倾角为11°29′)。一般建成直径为100m的盐槽约需360~440天,常用的建槽方法有:
 
    1、油(气)垫对流建槽法
 
    油垫建槽初期,要求严格控制水量,或控制井内油、水界面位置,防止过早溶蚀顶部盐层。随着盐槽直径增大,逐步增加溶剂或不溶剂的进量。在操作上先以正循环为主,待溶腔直径达到10m左右时,改为反循环为主或正反循环交替进行。
 
    2、水力喷射建槽法
 
    水力喷射建槽法主要适应于气垫建槽后期阶段,当盐槽容积达30m3左右,在注水管下端安装喷嘴,适当加大两口距,反循环注水,进行喷射建槽,在喷嘴有效射程内,能加快侧溶速度。
 
    (二)上溶生产阶段
 
    当建槽直径达到预定要求后,卤井即转入上溶生产阶段,以反循环操作,排除部分油(气),露出盐槽顶面,进行自下而上分段上溶开采。采用梯段法连续上溶的采卤工艺、定期地将井内管柱提升到一个梯段的高度,加大两口距,在每一梯段开采过程中向溶腔中不断注入油(气),使溶腔顶部保持一定的油(气)垫层,以便能在每个梯段抽取计划卤水量,又能控制溶解过程,控制溶腔的形成。开采一个梯段后,再将注水管提升到第二梯段高度,中心管则提升到能保证获得纯卤水的高度。分梯段逐次开采全部盐层,最后形成一个近似圆筒形溶腔。连续提管,每天提升少许,约12~15mm,阶段提管数月提升一次,每次提升几米。
 
    (三)油垫对流法生产的主要技术参数
 
    1、注油压力
 
    由于各矿区盐井的深度和管径不同,注油压力也不同。建槽时,注油压力随注水压力增大而相应变化,略高于注水压力1.0MPa左右,在选择注油设备时,可按表3的公式计算泵压。
 
    2、注油量
 
    注油量根据溶腔形状、大小和油垫层厚度计算,分为三部分:一是盐槽顶部喇叭状溶洞储油量,用倒圆台体积公式计算,也可根据声纳测井,微分体积计算。二是油垫层的体积,应考虑油垫层厚度,国外经验值为2~3cm,我国四川某盐矿模拟试验验证,小于1cm厚的薄膜状油层仍可有效控制上溶高度。三是技术套管内储油量,均按圆柱体公式计算,公式列入表4。
 
表4  油垫对流法主要参数计算
序号
参数
计算公式
符号说明
1
单井总储油量(m3
其中:喇叭状溶洞
油垫层体积
技术套管储油体积
  Q0=Q1+Q2+Q3
  Q1=(πh/3)(R12+R22+R1R2
  Q2=(π/4)D2Δm
  Q3=(π/4)hd(dd2-dw2
  h-倒圆台高,m;             R1、R2-倒圆台顶、底半径,m;
  D-溶腔顶面直径,m;         Δm-油垫层厚度,m;
  hd-技术套管内存油高度,m;   dd-技术套管内径,m;
  dw-注水管外径,m;          V-供上溶开采的体积,m3
  K-溶解系数m/h;            cl-溶剂含盐量t/m3
  Fs-盐槽顶面积=(πD2/4)m2
  a,γ,η,c,Qs-见表3
2
可采盐量t
  Nk=Vaγη
3
日采盐量(t/d)
  Qs=K(cb-cl)·Fs
4
溶腔容积
  V=ΣQ3/γ-c
 
    五、水力压裂法
 
    水力压裂法是在多井系统中进行溶解采盐的方法,单井是不压裂的。该法利用水传递压力和溶解盐类矿物的能力,将淡水以高压从一口井注入矿层,迫使钻孔周围矿层造成开放式裂缝,并延伸到井外的目标井,形成必要的溶剂流动通道,溶解岩盐后返出卤水,达到开采的目的。矿床顶底板为致密岩层,密封条件好,具有良好隔水性的薄层状多层岩盐或巨厚型(>50m)盐类矿床,是采用水力压裂法的前提,埋藏深度应不小于300m。美国和加拿大的压裂技术水平居世界领先地位,使用了物探测井,建立数学模型,通过岩体应力状态研究确定压裂部位,运用定向斜井、喷射、爆破及下封隔器确定压裂方向等特殊井下作业技术。压裂井宜沿矿区最佳压裂连通方向布置,其布井方式很多,有梅花式、三角形式、成排式、对井分段开采式等。在新矿区,为了摸索本区压裂连通方向的规律性,可沿走向和倾向按等边直角三角形布置三口井进行压裂试验。压裂工艺对注水井和出卤井的结构合理性及固井质量要求十分严格,以免压裂失败,导致影响生产,污染地下水,甚至影响其他盐井正常生产等后果。决定水力压裂成败的关键不仅在于矿床地质条件、盐井结构和固井质量,而且与压裂部位和设备选择以及严格操作规程等因素有关,压裂面选择在矿层中的薄弱部位,如矿层底部与底板岩层交界面或底部夹层位置等。压裂液不易窜层,压裂容易成功,对于缺失岩芯的裸眼井段,可采用温度测量,放射性测量方法来确定压裂点。
 
    水力压裂法从压裂到连通通常分为压裂、扩展、生产三个阶段,各阶段都有各自特点并相互连续,典型压裂过程的压力变化典型如图2所示。水力压裂法在盐矿中运用已有三十多年历史,但关于压裂发生的力学特征、裂隙传播、裂隙发展方向等的认识还不统一,尚待进一步研究。
 
 
图2  典型压裂过程中压力与时间的关系曲线
 
    六、技术经济评述
 
    钻孔水溶法开采可溶性盐类矿床的基建费用少、卤水成本低、劳动生产率高、工作条件和环境保护好等,有其独特的优越性,矿床埋藏深,优越性尤为显著。列举我国云南、四川等省盐矿生产实践资料综合对比如下:
 
    (一)钻孔水溶法与其他开采方法技术经济指标对比如表5。
 
表5  部分岩盐矿床技术经济指标对比
指标
房柱法
硐室水溶法
气垫对流法
磨黑
乔后
磨黑
磨黑
乔后
  建井期(月)
  建井投资(万元)
  劳动生产率(米3/工·日)
  成本(元/米3·卤水)
 
  矿石采收率(%)
  服务年限(a)
 
 
4~5
3.2
 
25~30
 
 
 
7.5
2.2
 
 
 
7~8
2
50
0.79
 
30~35
3~4
8~9
12
50~60
0.89(地面)
0.5(井下)
35~45
>10
 
 
40
0.8
 
 
 
 
    (二)四川某盐矿不同采卤工艺技术经济指标如表6。
 
表6  不同采卤工艺技术经济指标
项目
单位
单井对流法
油   垫   法
压裂连通井组
最高
一般
单井油垫
油垫连通
120#
124#
128~129#
卤井实际能力
  产卤量
  析  盐
  咸  量
  成  本
  年产盐
  产  值
  服务年限
  井组开采率
  建井数和费用
  投产施工费用
  油  耗
标方/月
t/d
g/L
元/标方
T
万元/年
a
%
万元
万元
m3
24546
74.6
260
0.404
26994
72.38
3.4
 
 
 
 
14749
44.7
240
0.404
16236
43.49
1.6
3.5
60/1#
1.2
 
15863
48.06
208.82
0.402
15860
46.75
2~8
5~10
60
4.39
 
27079
82.06
272.91
0.40
27080
79.83
2~6
5~10
60
4.39
30
73762
223.43
309.01
0.289
73732
217.4
10
56
120/2#
28.30
159
93960
300
300
0.242
99000
291.9
 
 
 
 
 
85078
257.8
279.57
0.402
8507.4
250.8
10
37
180/3#
14.1
 
说明:
    1、折盐按11标方卤水析1t盐计算;
    2、年产量(折盐)=330d×日产量(t);
    3、“单井对流”以11口单井资料统计;
    4、“井组开采率”以外推100m计算地质储量与已开采量之比值;单井开采率以半径100m计算。

 
 
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