周绍荣,吴进飞,朱 培

(1.淮安市地质矿产勘查院,江苏 淮安 223001;2.淮安市地矿建设工程有限公司,江苏 淮安 223001)

1 前言

洪泽盐盆赵集矿区岩盐、芒硝矿勘查开采始于20世纪80年代末,至今历经30余年,盐类矿产资源的开发,取得了良好的经济效益和社会效益。近年来,矿区先后有十余口钻井在施工或开采过程中出现地下深部涌水或漏水现象,最大涌水量达485 m3/h,水温42 ℃,涌水NaCl含量10 g/L～30 g/L,孔口压力2 MPa～3 MPa,预估涌漏水范围涵盖30 km2,达洪泽盐盆地面积的1/3多,给钻井施工及盐矿开采造成一定影响,对地下地质环境造成较大威胁,给当前正在开展的盐穴地下储库建设研究提出了新的课题。

2 矿区地质概况

钻探工程揭示,矿区钻遇地层自上而下分别为第四系东台组、新近系盐城组及古近系三垛组、戴南组、阜宁组。

东台组(Qd)。以浅灰色粉细砂与浅棕色粘土互层为主;顶部为灰绿色泥质粉砂,底部为杂色砂砾层。视厚度70.10 m～108.00 m。

盐城组(N1y)。以灰色—灰白色砂砾岩为主,夹泥质粉砂岩和泥岩。盐城组固结程度低,多呈松散状,颜色杂。视厚度214.00 m～302.00 m。

三垛组(E2s)。上部为棕红色、暗棕红色、灰色泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩,含少量石膏;下部以灰色粉砂岩、含钙泥岩、粉砂质泥岩与细砂岩互层为主。视厚度722.00 m～1 227.50 m。

戴南组(E2d)。上部为深灰色泥岩、含砾砂岩及粉砂质泥岩;中部为粉细砂岩、砂砾岩与含灰粉砂质泥岩互层;下部以灰色含钙云质泥岩与粉细砂岩互层为主。戴南组普遍含石膏,视厚度为204.78 m～598.00 m。

阜宁组(E1f)。灰黑色泥岩夹薄层灰岩、油页岩夹膏盐层,区域厚度可达2 000 m。矿区仅钻至阜宁组上部主要岩盐、芒硝矿层,岩性为灰色岩盐夹灰色、棕色泥岩和钙芒硝岩,中下部夹1层～3层芒硝矿层。视厚度96.00 m～149.86 m。

矿区地势平坦,第四系、新近系较为平缓,厚度变化不大。古近系总体为北高南低的单斜构造,厚度南厚北薄。地震勘探显示矿区无大的断裂,三垛组与上覆地层呈角度直接接触,见图1。

3 涌漏水机理与危害

3.1 盐矿开采现状及存在的问题

洪泽盐盆赵集矿区共有盐矿井443口,现有219口井正常开采,年采矿量约650万t。矿山多采用水平连通井组开采(深部芒硝采用单井开采),井距200 m～300 m,采矿压力6 MPa ～10MPa,矿井注采量比率1.02～1.15。矿井一般采用直径445 mm钻头开孔,下直径为339.7 mm长度约110 m的表层套管固井,二开采用直径244.5 mm钻头开孔,下直径为177.8 mm的生产技术套管固井。部分矿井一开孔径339.7 mm,表层套管直径244.5 mm,二开孔径215.9 mm,生产技术套管直径177.8 mm。

图1 地震勘探剖面图Fig.1 The seismic exploration profile

连通井组开采具有产量高、事故率低等特点,但由于井距远,采后溶腔顶部易形成大跨度临空面,不利于顶板稳定;部分盐矿井表层套管下至东台组底部,仅考虑施工安全因素,对松散孔隙含水层保护不够;部分矿井深部井眼孔径与套管直径级差匹配性欠妥,预留环空过小,不利于固井形成连续均匀的水泥环;矿井采矿压力偏大,易导致裂隙扩展甚至压裂地层,或压通井周固井水泥环,影响腔体密闭性和稳固性。

3.2 涌漏水机理分析

矿区先后十余次发生涌漏水事故,经多次启停周边开采井试验,钻井涌水量、水压等与开采井启停时间呈现基本同步或稍有滞后的变化,加之涌水温度及NaCl含量均较高,推测矿区深部涌水与采矿活动有较为密切的关联性,涌水来源于盐矿井,施工钻井涌出的水即盐矿井漏失的水,涌水的层位为三垛组下部及戴南组上部成岩性较差的棕红色泥质砂岩段,见图2。

图2 涌漏水部位砂性岩石岩心Fig.2 The rock core of water outflow’s borehole

三垛组、戴南组总体以泥质岩为主,抽水试验实测渗透系数为1.3×10-3m/d,具有良好隔水性能,间夹的部分砂性岩虽局部有一定的透水性和储水空间,但距离下部矿层顶板100 m～500 m(表1),与上部松散含水层的间隔达300 m以上,不具备自然含水条件,上层孔隙水和盐矿井溶腔水与涌水部位自然连通的可能性较小,三垛组、戴南组砂性岩层充水是受外力影响间接充水,见表1。由于涌水与盐矿井开采具有关联性,充水可能的途径主要是：

(1)固体岩盐矿石经水溶解后的溶腔,随着腔体范围扩展,矿层直接顶板暴露、开裂直至塌落,裂隙向上发展到达上部成岩程度较差的砂性岩层,在采矿压力持续作用下,腔体内淡卤水沿裂隙涌进砂性岩层使之充水并驻留其中。

(2)盐矿井固井水泥窜槽或胶结程度差,长期高压采矿致水泥环破碎脱落形成连续通道,溶腔内淡卤水沿套管外环上蹿到上部砂质岩层并沿层横向迁移,经过滤、聚集形成有压咸水。

矿区涌漏水的实质是在长期采矿活动中卤水借助地层裂隙或套管与地层的间隙上涌,使三垛组及戴南组砂性岩层由“透水层”转变为“储水层”,遇钻井或自然露头泄压时,驻留在砂性岩层中的淡卤水带压溢出,见图3。

表1 部分涌漏水井点情况表Tab.1 Partial boreholes of water outflow

图3 涌漏水机理示意图Fig.3 Diagram of water outflow mechanism

3.3 涌漏水的危害

赵集矿区深部涌漏水尚无明显规律性,具有较大危害性,应引起高度重视。

在矿产勘查开发过程中,涌水冲刷掏空孔壁给钻井施工造成较大安全隐患,易于发生塌孔埋钻等事故;在盐矿井开采过程中,由于注入水漏失,无法取得相应矿物溶液,能耗增加采矿成本提高。

涌漏水使地质环境受损及地下水污染的风险大幅增加。一方面高压水体在深部长期存在并不断变化,应力频繁在破坏—平衡之间无限循环,易造成地下地质环境不稳定;另一方面,由于三垛组、戴南组与上部松散盐城组在较远端可能直接接触,深部砂性岩层由“透水层”转变为“储水层”后与上部松散含水层形成水力联系造成地下水污染的风险较大。

涌漏水还对当前开展的盐穴地下储库建设研究造成较大影响。安全、环保是地下储库的基本要求,对盐穴的密闭性要求更高。由于存在涌漏水现象,盐穴情况更为复杂,甄选现有盐穴改造利用将面临更多困难,同时对新建盐穴的设计施工及运行维护提出了更多特殊要求,是地下储库建设应充分考虑的因素。

4 防治水对策

为消除或减轻涌漏水对地质环境及矿产勘查开采的不利影响,应以查明“储水层”赋存状态、物理力学性能及含水情况等为基础,从设计入手,改进盐矿开采工艺,提高开采管理水平。

4.1 优化钻井结构

(1)新井采用单井开采或调减连通井组井距。

(2)表层套管下至盐城组底面以下进入三垛组50 m以上,配合生产技术套管的封隔以形成对较浅部含水层的双重保护。

(3)加大深部井孔直径与套管直径的级差,采取措施确保套管位于井孔中心,保证管外固井水泥厚度并均匀充填。

4.2 加强施工管理

(1)勘查开采钻井工程施工采用环保无污染钻井液,采取技术手段防涌水造成孔内事故,防漏水造成泥浆污染。

(2)固井后严格按规范开展管内管外试压,采用声幅变密度测井检测套管—水泥环—地层各界面胶结质量,发现问题及时补救。

4.3 改进开采工艺

(1)采用垫层法开采,延缓矿层顶板暴露时间,科学控制腔体跨度及形态,维持腔体稳定。

(2)控制采矿压力至5 MPa～6 MPa,深部芒硝井适当提高但不应超过10 MPa,有条件的可配以潜卤泵改被动压为主动抽双向采矿,减小采矿压力对水泥环及地层的破坏。

(3)开采过程中均匀加压缓慢泄压,杜绝强压快泄造成应力突变。

4.4 定期检测评估

(1)实时注意开采井注采水量比率,如有异常及时暂停开采,查找原因排除隐患。

(2)定期开展溶腔测量,及时评估溶腔形状、大小及其发展趋势,采取有效措施控制溶腔跨度及上溶高度。

4.5 及时处理问题井

对出现漏水的开采井应及时维修,无法恢复正常的实施封孔,以阻断溶腔、深部透水层、浅部含水层之间的水力联系。

4.6 引流泄压

利用涌水钻井或开采井适当引流泄压,减小地层压力,舒缓储水层水力聚集及应力集中。

5 结论

江苏淮安洪泽盐盆赵集矿区深部涌漏水与盐矿开采密切相关,采用大跨度、高压力连通井组开采及盐矿井固井水泥环破碎脱落,易造成含盐系直接顶板塌落,裂隙带向上发展,在溶腔顶部裂隙及套管外环形成过水通道,淡卤水向上侵入上部胶结不实的砂性岩层并聚集,使三垛组及戴南组部分岩层由“透水层”转变为“储水层”。

深部涌漏水对地下地质环境安全造成了较大威胁,给钻井施工及盐矿开采造成一定影响,在开展盐穴地下储库建设研究时应引起足够重视。应在查明透水层赋存状态、物理力学性能及含水情况的基础上,优化钻井结构、改进开采工艺,必要时采取引流泄压的方式减小地层压力,舒缓储水层水力聚集及应力集中,以达到消除或减轻涌漏水危害的目的。