察尔汗盐湖含钾盐储层介质渗流-溶解过程中物性参数变化特征研究.pdf
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1、收稿日期:2023-11-04;修回日期:2023-11-27基金项目:青海省地矿局项目:察尔汗盐湖固体钾盐液化开采制约因素及转化效率研究;中国科学院“西部之光-西部交叉团队”重点实验室专项计划(E210DZ0202);稳定支持基础研究领域青年团队计划(YSBR-039);作者简介:常文静(1996-),女,硕士研究生,主要研究方向为水文地质学方向。Email:。通讯作者:刘久波(1985-),男,学士,工程师,从事矿产普查与勘探工作。Email:。张西营(1977-),男,博士,研究员,主要从事盐湖资源与盐类矿床研究。Email:。常文静,袁小龙,刘久波,等.察尔汗盐湖含钾盐储层介质渗流-溶
2、解过程中物性参数变化特征研究 J.盐湖研究,2024,32(1):99-106.Chang W J,Yuan X L,Liu J B,et al.Research on the changes in physical properties during the seepage-dissolution process of potassium salt-bearingreservoir in Qarhan Salt Lake J.Journal of Salt Lake Research,2024,32(1):99-106.DOI:10.12119/j.yhyj.202401011察尔汗盐湖含钾
3、盐储层介质渗流-溶解过程中物性参数变化特征研究常文静1,2,3,袁小龙1,2,刘久波4*,李梦玲1,2,3,朱登贤5,胡燕4,李树伟4,唐朝生6,张西营1,2*(1.中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,青海 西宁810008;2.青海省盐湖地质与环境重点实验室,青海 西宁810008;3.中国科学院大学,北京100049;4.青海省柴达木综合地质矿产勘查院,青海省柴达木盆地盐湖资源勘探研究重点实验室,青海格尔木816099;5.青海盐湖工业股份有限公司,青海 格尔木816000;6.南京大学地球科学与工程学院,江苏 南京210023)摘要:察尔汗盐湖低品位固体钾
4、盐资源丰富,是我国钾盐工业可持续发展的重要后备资源。充分了解储卤层中钾盐矿物的溶解机理有助于提高资源开采的效率。本研究以察尔汗盐湖浅部储卤层中含有不同钾盐矿物的3种典型钻孔岩芯为研究对象,通过室内渗流溶解实验,开展储卤层中固体矿物的溶解效率、孔隙度以及渗透性变化特征模拟研究。室内渗流-溶解实验结果表明,3种储卤层中的钾盐矿物溶出率皆近100%,其中主要含光卤石的岩芯样品溶解速度最快,含钾石盐岩芯次之,含杂卤石岩芯最慢。实验过程中,溶解反应后的储卤层固相骨架皆未塌陷,表明饱和NaCl卤水起到了很好的保护作用。由于石盐析出和不溶矿物的运移堵塞,3种岩芯的孔隙度皆降低,其中含光卤石岩芯孔隙度降低了2
5、6%,含钾石盐岩芯孔隙度降低了20%,含杂卤石岩芯孔隙度降低了32%。受控于盐类矿物溶解、石盐的析出和不溶矿物的运移堵塞,各储卤层岩芯渗透性降低幅度为40%70%,降幅显著。关键词:储卤层;钾盐矿物;渗透系数;孔隙度;饱和指数中图分类号:P619.211文献标志码:A文章编号:1008-858X(2024)01-0099-08我国是农业大国,对钾肥需求量大,近 50%需要依靠进口1。察尔汗盐湖是我国最重要的钾盐钾肥基地,多年高强度的开采使得卤水采出量与品质逐年降低2。盐湖浅部储卤层中赋存有 29 600 万 t 的低品位固体钾盐资源,是我国钾盐工业可持续发展的重要后备资源。自上世纪 80 年代
6、开始,便对溶解驱动开采这些固体钾矿的可行性进行了探索3。为探明低品位固体钾矿固液转化机理,寻找低成本、绿色、高效开采的方案,前人通过室内溶解模拟实验和现场溶采试验,获得了部分适用于溶矿模拟分析的参数及条件和溶矿过程中水动力场和水化学场的部分变化规律4-8。固体钾盐溶解过程依次分为溶解驱动阶段、光卤石溶解驱动阶段、钾石盐溶解驱动阶段和石盐溶解驱动阶段9,而微观上,溶解过程表现为盐类矿物的溶-析动态变化过程10,11。前人研究表明,溶液中光卤石不饱和是溶解固相钾矿能力的关键5,而储卤层中的钾盐矿物的溶出效率受溶液类型12-14、渗流速度9,15、温度16-18、矿层品级19和渗透性20,21等多种
7、因素的影响。目前,在钾盐溶解开采过程研究中,对不同盐类矿物组合的储卤层渗透性特征以及固液转化过程中盐类矿物溶解规律不明,从而导致了溶矿开采效率偏低。为了研究含有不同第 32 卷第 1 期2 0 2 4年 2 月JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH盐湖研究Vol.32 No.1Feb.2024盐湖研究第 32卷类型钾盐矿物的储卤层渗透溶解过程,以察尔汗盐湖别勒滩区段 3 种不同典型含钾盐钻孔岩芯为研究对象,进行室内渗流-溶解模拟实验,揭示不同钾盐类型的储卤层在渗流-溶解过程中储层渗透性和微观结构变化特征及可溶组分溶出规律,以期为深入了解察尔汗盐湖固液转化机理和优化液化开采方
8、案提供科学依据。1研究区概况柴达木盆地是我国大型内陆山间盆地之一,地处青藏高原东北侧,其为南部印度洋板块的俯冲挤压作用而形成的中、新生代断陷盆地22,23。察尔汗盐湖位于柴达木盆地中新生代中央坳陷带上,其南北两侧均有压扭性深断裂,NW 走向的断裂(涩北、盐湖、哑叭尔等背斜构造)控制着盐湖矿区的北缘,NE 向断裂控制着盐湖矿区的西缘24。按照新构造运动与补给水系两大因素划分盐湖分区,察尔汗盐湖属于盆地中部强烈坳陷带盐湖区。察尔汗盐湖是盆地最低洼区域,为柴达木盆地最大的汇水中心(见图 1)。察尔汗盐湖南侧主要补给源为周边地下水和地表河流,北侧主要受深层循环水补给25,而别勒滩地区最主要的补给河流为
9、乌图美仁河。察尔汗盐湖是典型的干旱荒漠大陆性气候。整个察尔汗盐湖从西至东划分为别勒滩区段、达布逊区段、察尔汗区段和霍布逊区段。该盐湖不仅是我国最大的盐湖,同时也是一大型钾镁盐综合矿床。以往地质工作查明,其储卤层中含钾矿物种类 主 要 以 光 卤 石(KClMgCl26H2O)、杂 卤 石(K2Ca2Mg SO442H2O)和钾石盐(KCl)为主,其中别勒滩区段主要钾盐矿物为光卤石和杂卤石24,26。盐湖沉积中胶结松散的盐层(储卤层)是一种典型的多孔介质,其孔隙结构的形成多由盐类溶解所致,储卤层孔隙率及渗透率在空间上存在极强的非均匀性17,具有上部孔隙较大,下部孔隙较小的特征24。2材料与方法2
10、.1样品采集研究所需样品来自察尔汗盐湖储量核查项目施工钻孔(2022),该项目在察尔汗盐湖别勒滩区段实施 334 个钻孔(累计进尺 6 824.68 m),为了研究不同类型含钾储层渗流-溶解规律,本文从中选取 3 个含不同类型钾盐矿物的钻孔岩芯进行室内渗流-溶解实验。样品岩芯 1 来自钻孔 ZK56017,取样深度为 510 m。岩性特征为黄褐色含光卤石粉砂中粗粒石盐,中粗粒结构,块状构造,岩芯松散,晶隙发育,透水性好,含水性好。石盐含量为 70.5%,为黄白色晶粒,粒径 210 mm。粉砂为黄褐色,含量为 5.5%,充填于石盐晶体间,分布均匀,粒径 0.10.2 mm。光卤石白色,含量为 1
11、7%,粒径 25 mm;样品岩芯 2 来自钻孔 ZK56816,取样深度为 010 m。钾盐矿物为钾石盐。岩性特征为黄褐色含粉砂中粗粒石盐,中粗粒结构,块状构造,岩芯松散,晶隙发育,透水性好,含水量高。钾石盐含量 2%。石图1察尔汗盐湖研究区域卫星地图及钻孔位置图Fig.1Satellite map of Qarhan Salt Lake Research area showing the location of the drill core100常文静,等:察尔汗盐湖含钾盐储层介质渗流-溶解过程中物性参数变化特征研究第1期盐含量为 75.75%,为黄白色,晶粒粒 210 mm。粉砂含量为 7
12、.25%,为灰黄色,粒径 0.10.2 mm,充填于石盐晶体间,分布均匀;样品岩芯 3 来自钻孔 ZK56826,取样深度为 010 m。岩性特征为灰褐色含黏土粉砂中粗粒石盐,中粗粒结构,块状构造,岩芯松散,晶隙发育,透水性好,含水性好。杂卤石含量 13.67%。石盐含量为65.33%,为黄白色晶粒粒径 210 mm。粉砂为灰黄色,含量为 9%,充填于石盐晶体间,分布不均匀。2.2溶液配制已知氯化钠的含量为其饱和度的 70%80%、氯化镁含量为 5%8%的溶液对钾盐矿物具有较强的溶解能力7,27,通过各种不同类型无机盐溶浸剂溶浸结果对比分析表明,选择 5%的 MgCl2溶浸剂对含杂卤石原料中的
13、 K+溶浸综合效果较优。本实验配制含 5%MgCl2、饱和度为 75%的石盐水溶液进行实验。溶液中主要离子为 Cl-、Na+、Mg2+,各离子浓度分别为 10.95 mol/L、7.63 mol/L、1.00 mol/L。2.3实验装置研究采用的实验装置为立方通达(天津)实验仪器有限公司生产的LFTD1410盐土渗透试验仪(图2)。该实验装置由控制台、蠕动泵、储水罐、数据采集仪、渗透仪、渗出液收集装置、空压机等组成,可用于实时监测实验过程中进口压强、出口压强、进口流量以及出口流量等参数。该仪器实验过程严格遵循国标GB/T 15406-2007 岩土工程仪器基本参数及通用条件 及美国 ASTM
14、D5084-00 使用挠性壁渗透计测量饱和渗透性材料水压传导率的标准试验方法进行。2.4实验步骤将松散的岩芯样品用击实器以同样的击实功(锤重落距击实次数)装入饱和器中制成柱状岩芯。为消除边壁效应,在制成的岩芯柱上套一层具有收缩效果的橡胶膜,岩芯柱制成后将其装入渗透仪。向渗透仪围压室中注水并加载围压。加载围压后,向岩芯中注入溶液至顶端,以溶液注满岩芯孔隙所注入的体积来计算岩芯初始孔隙度,公式如下:1=V1V0 100%式中1为初始孔隙度,%;V1为注入溶液的体积,cm3;V0为岩芯柱体积,cm3。在控制台进行实验参数设置,设置泵速 3 rpm,对应流速 0.13 mL/s。经多次针对围压的预实验
15、,得出 120 kPa 是在该泵速条件下能使岩芯柱和橡胶模在实验过程中一直保持贴合的临界压强,故加载围压 120 kPa。采样间隔根据出口流量大小来设置:当出口流量 Q5 mL/min 时,设置采样间隔为 10 min,单次采集渗出液 50 mL,当出口流量 3 mL/minQ5 mL/min 时,设置采样间隔为 10 min,单次采集渗出注:1-溶液瓶;2-蠕动泵;3-分水面板;4-渗流仪;5-围压室;6-控制台;7-空压机;8-储气罐;9-围压传感器;10-上水头压力传感器;11-下水头压力传感器;12-下水头流量计;13-上水头流量计;14-渗出液收集瓶图2渗流实验装置示意图Fig.2D
16、iagram of seepage experiment equipment101盐湖研究第 32卷液 30 mL,当出口流量 1.5 mL/minQ3 mL/min时,设置采样间隔 20 min,单次采集渗出液 30 mL。当出口流量 Q1 mL/min 时,设置采样间隔 40 min,单次采集渗出液 30 mL。实验参数设置完毕后开始渗流溶解实验。按照设置的采样间隔采取渗出液样品,并记录采样节点的进出口压强、进出口流量,计算渗透系数。渗透系数是代表土体或岩体渗透性强弱的定量指标,渗透系数越大,表明土体或岩体的透水性越强。渗流实验拟通过达西定律评价实验过程中渗透性变化特征,公式如下:i=Hl
17、k=vi式中i为水力梯度;H为进出口水头差,cm;l为渗流路径,cm;v为渗流速度,cm/s;k为渗透系数,cm/s。溶解后结束实验,卸载围压。将岩芯柱取出静置,用重力流出的孔隙水体积来计算给水度,公式如下:=V2V0式中为实验后给水度,%;V2为重力出水体积,cm3;V0为岩芯柱体积,cm3。将控水完毕的岩芯柱从橡胶模中取出,放入烘箱烘干,利用烘干前后质量差和渗出液的密度计算持水度,持水度与给水度之和为实验后的孔隙度。公式如下:V3=m1 m2pCr=V3V02=Cr+式中V3为持水体积,cm3;V0为岩芯柱体积,cm3;m1为溶解后的岩芯样品烘干前的质量,g;m2为溶解后的岩芯样品烘干后的
18、质量,g;Cr为持水度;为实验后给水度,%;p为渗出液密度,g/cm3;2为实验后孔隙度。最后将烘干后的岩芯以四分法研磨后,分析测试溶解后固体样品矿物组成。2.5渗出液主要离子浓度测定与岩芯矿物组分分析对渗出液进行水化学分析,测试项目为:K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、HCO3-,对实验前后的岩芯样品进行 X 射线衍射矿物组分分析,测试过程在中国科学院青海盐湖研究所分析测试中心完成。应用PHREEQC 软件对渗出液中盐类矿物饱和指数进行模拟计算28,采用的计算模型为 Pizer.dat 数据库模型4,6。根据岩芯样品的 XRD 分析结果可知(表 1),该渗流过程发生溶解反
19、应的主要矿物相为光卤石、钾石盐、杂卤石、石盐、石膏。3结果与讨论3.1渗透性变化特征将不同含钾矿物组合的岩芯进行渗流实验的过程中,岩芯渗透系数的变化如图3。岩芯1的渗透系数初始为9.9210-4cm/s,实验结束时为2.9710-4cm/s,降低了70%;岩芯2的渗透系数初始为12.2010-4cm/s,实验结束时为 4.2610-4cm/s,降低了 65.1%;岩芯 3的渗透系数初始为 19.6610-4cm/s,实验结束时为最低点,为 11.3110-4cm/s,降低了 40%。研究结果表明,随着含钾矿物由易溶到难溶,渗透系数皆降低,3 种岩芯渗透系数皆呈先波动下降后趋于平缓趋势。用渗透系
20、数表征岩芯渗透性,孔隙度是渗透性大小的影响因素之一。实验后 3 种岩芯的孔隙度皆降低(图 4),岩芯 1 实验后孔隙度降低了 26%;岩芯 2实验后孔隙度降低了 20%;岩芯 3 实验后孔隙度降低了 32%。经渗流溶解,3 种岩芯给水度远小于孔隙度,这一现象表明岩芯骨架变化不大9。矿物的溶解会导致孔隙度增大,渗透系数也本应增大,然而本研究中虽有矿物的溶解,但孔隙度和渗透系数皆降低。认为这是由于本研究的溶解过程中还发生了石盐析出与不溶矿物的迁移所导致。故推测本研究中出现此渗透性变化现象受控于 3 种因素:压力溶解、矿物迁移、石盐析出。(1)压力溶解。对于加载了一定围压的岩芯柱,其处于水-应力-化
21、学表1实验所用岩芯样品矿物组成Table 1Mineral composition of samples used in the experiment岩芯编号岩芯1岩芯2岩芯3主要矿物成分/%石盐70.5075.7565.33光卤石17.0013.67杂卤石6.67多硅白云母钾石盐2.002.00石英5.506.006.33石膏6.5012.005.00钠长石1.67方解石1.251.00水氯镁石2.25102常文静,等:察尔汗盐湖含钾盐储层介质渗流-溶解过程中物性参数变化特征研究第1期耦合作用下,存在一定的压力溶解29,即发生于颗粒接触面的溶解,起初在三者耦合作用下溶解速度很快,随着溶解的发
22、展,颗粒之间接触面积不断增大而接触面之间应力不断减小,溶解速度也逐渐降低,且溶液进入岩芯后易溶矿物的溶解会使溶液浓度升高,而溶液在渗透压的影响下一般由高浓度向低浓度方向运移,渗透压增大,渗透系数便增大。(2)矿物迁移。前人研究发现,当松散颗粒达到启动所需的临界渗流强度时,颗粒将出现迁移行为30。伴随着岩芯矿物的溶解,造成局部矿物颗粒失稳并发生塌落,同时粒间孔隙体积增大,使得岩芯渗透系数增加,岩芯内部渗流强度增大,细粒泥沙等不溶物发生迁移,随着实验进行迁移至应力较低处时沉淀下来31,逐渐至下游堆积,使得岩芯渗透系数减小。(3)石盐析出。本研究所使用的溶液为近饱和的石盐溶液,钾盐矿物杂卤石、光卤石
23、和钾石盐的溶解使溶液中 KCl 含量不断增加。由于溶剂含有浓度较高的MgCl2,NaCl 与 MgCl2之间的同离子效应及阳离子交换作用降低了石盐的溶解度,导致溶液中的石盐析出;同时,溶液中伴随着塌落迁移的细粒泥沙等不溶物与析出的石盐发生混合,堵塞孔隙,导致孔隙度降低,使得岩芯渗透系数减小。虽 3 种岩芯的渗透系数变化趋势相似,但渗透性表现出明显强弱之分,推测这与初始孔隙度大小及不同钾盐矿物溶解特性有相关。岩芯 1 同时含有17%光卤石和 2%钾石盐,岩芯 2 含 1.32%钾石盐,岩芯 3 含 16.27%的杂卤石。其中,光卤石最为易溶,岩芯 1 含光卤石最多,光卤石最为易溶,渗透系数的变化
24、主要受光卤石溶解的影响。光卤石快速溶解过程中大量微晶石盐的析出与不溶矿物混合堵塞孔隙,导致岩芯渗透性降低,岩芯 2 同理。以杂卤石为主要钾盐矿物的岩芯 3 样品,初始孔隙度明显大于岩芯 1、2,矿物溶解析出变化不如岩芯 1、2 活跃,故岩芯骨架较为稳定,孔隙连通性一直较好,进而渗透系数大小一直维持在比较高的水平。综上所述,3 种岩芯实验过程中渗透性变化特征为波动式降低后趋于平缓。不同钾盐矿物组分的岩芯渗透性存在明显差异,渗透性差异与孔隙之间的连通性程度密切相关,推测受初始孔隙度及所含钾盐矿物溶解度的影响。3.2矿物组分变化特征经 5h 的溶解实验,实验后 3 种岩芯的石盐占比均为 90%以上,
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