深层卤水高效开采面临的关键问题与对策（上）

1、深层卤水地质成矿模式

就基础成矿理论体系而言，盐湖卤水成矿是构造、气候、物源等因素相互耦合的结果(Munk等,2016,王秋舒等,2015,刘成林等,2021)。全球盐湖主要分布于青藏高原、安地斯高原和北美西部高原，板块俯冲与大陆碰撞之后形成的高原地貌，导致高原内部来自大洋的水循环被破坏，使区域上形成干旱气候是形成盐湖的必要条件(刘成林等,2021,Bradley等,2013)。在此前提下，随着大洋地壳俯冲至上地幔，在高温作用下发生脱水和部分熔融，进而钾、锂等轻质组分会随着岩浆进入浅部地壳；活跃的地质构造运动引起的热液活动会进一步将地壳中的锂等物质在水–岩反应过程中释放，最终汇集在湖盆内，在干旱气候条件下，经过长时期的蒸发浓缩，从而富集形成卤水矿藏（图1）(Bradley等,2013)。

图1 封闭盆地盐湖卤水型锂矿床成矿模式图（据Bradley 等,2013）

在特定的地质背景下，深层卤水的成矿模式具有一定的差异。例如，柴达木盆地一里坪—西台吉乃尔地区深层卤水为氯化钙型水体，含水层以中新世油砂山组湖相沉积为主，水化学及B同位素组成特征显示，岩盐溶滤作用和封闭条件下的变质作用是深层卤水形成的主要原因（卢鋆等，2021）。江汉盆地江陵凹陷、潜江凹陷深层卤水包括氯化物型、硫酸钠亚型、硫酸镁亚型等，高温水岩反应产生的富锂热液补给基础上，经过干旱条件下的蒸发浓缩和埋藏，后期富锂卤水在构造作用下形成的裂隙及孔隙内保存并聚集过程中，水岩反应进一步促进了锂资源的富集（余小灿等，2022）。四川盆地东部三叠系海相同生沉积卤水为氯化钠型卤水，主要同高温高压且封闭还原条件下的脱硫酸作用和白云岩化作用有关（曹琴等，2015）。

2、深层卤水勘查技术方法

高效率、高精度的地质勘探成果是资源高效开发的基本前提，进而影响了深层卤水可利用资源量的计算和今后开发利用价值的评估。在构造、沉积、水文等基础地质理论指导下，地球物理勘探技术是深层卤水勘查最主要的方法，遥感解释和地球化学勘查也是重要的辅助手段，而最终的勘查结果都需要通过钻探验证其准确性(王登红等,2022,赖中伟,2020,李洪普等,2022a,刘成林等,2010a,张华等,2021)。

深层卤水储层在成岩程度、矿化度、富水性等在包括地震、电法、重力、测井等方面均存在特定的异常反应(何胜等,2021a,何胜等,2021b,杨修猛等,2018,侯献华等,2021,王彬玮等,2021,侯献华等,2022)。地震与广域电磁法相结合的方法，一方面能够识别区域构造形态的同时厘清含水层分布情况，另一方面能够结合区域储层的构造裂隙发育情况，初步推断卤水主要产出层位并指导勘探钻孔的布置。该方法充分发挥了地震勘探深度大且分辨率高的优点，也通过利用广域电磁法规避了地震方法对卤水储层分辨能力差的缺点(孟军海等,2022)。

基础地质成矿理论与综合物探技术相结合的勘查方法，是实现卤水资源高质量地质勘探的有效模式。张性断裂对深层卤水的富集至关重要，在“含水墙”成矿模式(刘成林等,2010b)和“陡倾集水廊道储卤模式”(焦鹏程等,2016)等理论指导下，(刘万平等,2021)刘万平等（2021）在柴达木盆地别勒滩地区应用遥感解释查明区内张性断裂，结合重力方法探测容矿空间，综合应用音频大地电磁法（EH4）厘定了含水层的分布规律，最后通过氡气地球化学方法，在成矿断裂带准确定位卤水富集区（图2）。(侯献华等,2022)提出了基于神经网络联合反演技术的深层卤水储层识别技术，该方法将测井、地震等相关参数深度融合，实现了深层卤水储层三维感应数据体的精确反映，在柴达木盆地南翼山深层卤水资源的勘探提供了有力支撑（图3）。

图2 柴达木盆地别勒滩地区富水断裂带定位和验证孔分布图(据刘万平等, 2021)

图3 神经网络联合反演南翼山富钾锂卤水储层 1 组分布图 (据侯献华等, 2022)

3、深层卤水勘探理论与技术的主要研究方向

目前，砂砾孔隙型卤水、构造裂隙孔隙卤水地质成因模式莫衷一是(胡舒娅等,2022,李洪普等,2022b,李洪普等,2022a,侯献华等,2021,李建森等,2022)，针对不同矿区开展针对性的成矿理论模式研究，并在此基础上提出相应适用性强的勘探技术方法，是提升深层卤水勘查效率面临的关键科学问题。

1、深层卤水渗流动力机制研究

深层卤水储层类型多样，主要包括砂砾孔隙型卤水储层、构造裂隙孔隙卤水储层、溶蚀孔洞-裂隙型卤水储层(李洪普等,2022a,b,李博昀等,2019)。因此，从深层卤水储层类型特征入手，结合卤水流体性质特征，分析水-岩力学关系，回归区域水文地质及沉积构造演化，揭示卤水流体动力机制，构建深层卤水渗流特征模型，在此基础上，阐明不同类型的深层卤水渗流机理，是当前深层卤水开采面临的核心科学问题(Huqetal.,2015,常政,2022,陈祥胜等,2019)。水分子与储层岩石矿物界面之间的作用力以及水分子相互之间的作用力给卤水渗流带来了一定阻力(HosseinandReza,2020,Leietal.,2020)，同时导致卤水在储层孔隙内各处的渗流速度不均一，也是卤水渗流形成层流的原因所在，通常可以用Darcy定律来描述卤水渗流过程(焦鹏程等,2003,王恩志等,2022)。卤水的静水压力、在构造作用下形成的地层超压、卤水内部存在的浓度差等都可以成为其渗流的主要动力(李顺才等,2010,张勇等,1999)。深部卤水在储层内流动主要受到储层孔隙、渗透系数、地层温度、压力等因素的影响(余小灿等,2022,赵艳军等,2021)。

储层孔隙方面，其结构和类型等都会对卤水渗流产生影响。储层孔隙发育的微观结构特征，包括孔隙度、孔径分布、孔体积、比表面积、渗透率等特征都会对卤水的渗流产生不同程度的影响。另一方面，由于不同矿物表面与卤水之间的界面润湿性存在差异，相应的反应在水-岩界面张力上面并影响卤水渗流过程(梁星原等,2021,林梅钦等,2018,赵明国等,2020)。通常黏土矿物润湿性好，与卤水之间界面张力较强，同时黏土矿物发育大量的微观孔隙，拥有更大的比表面积，并且具有较强的吸水膨胀效应，遇水后其渗流通道会进一步缩小，因此，储层当中以泥质沉积为主的情况下，卤水渗流难度较大(刘雪玲等,2019)；而石英、长石等脆性矿物不仅其水-岩界面作用力更弱，并且其内部孔隙主要以微裂隙或溶蚀孔为主，比表面积较小而孔体积较大，所以储层以砂、粗粉砂为主时，卤水渗流能力好。

渗透系数受到储层的孔隙、矿物成分、成岩程度等因素的影响，同时也与流体的粘滞性及其密度等有关。储层方面，其孔隙发育程度越好、连通性越强、矿物成分的水-岩界面作用力越弱、成岩粒度越均一、成岩程度越好，则渗透系数越高(胡舒娅等,2022)。而在流体性质方面，由于流体的粘滞性受到矿化度及其离子组成、温度、密度等因素的影响，对渗透系数的影响也就更为复杂(袁小龙等,2018b)。卤水矿化度越高，密度随之增大，其粘滞性也会相应的增大，并且随着卤水渗流过程中的储层温度变化，卤水离子可能发生结晶作用，进而改变储层孔隙，进一步改变渗透系数(袁小龙等,2018a)。

2、深层卤水强化开采技术

长期以来，浅部卤水开采技术已经得到了长足发展，现已形成了井采、渠采、井渠结合、溶浸开采、气驱开采等多种开采技术(安莲英等,2008,都永生等,2021,何茂雄,2016,王兴富等,2014,付德亮等,2023)。针对罗北凹地盐湖卤水储层连通性差、层间水力联系弱等问题，(李文学等,2021)提出了大气联通法及辅助孔注入卤水法，很好的改善了卤水储层的连通性，同时含水层的地层能量得到补充，有效提升了承压卤水的开采效率。柴达木盆地大盐滩卤水矿经过长期开采，目前含矿层渗透性差，单井汇水面积有限，卤水资源自然渗透补给难以接续的问题。对此，(王永军等,2021)利用非开挖钻井技术在含矿层构建了超长距离的水平井，结合地面补水工程，极大增强了抽水井的井下汇水强度，改善了矿井抽水效率（图4）。

图4 大盐滩晶间卤水超长距离非开挖水平井强化开采方案示意图

深层盐湖卤水储层非均质性强、含泥量高、渗透性低、富水性弱、连续性差、矿化度高、粘度大等等因素是造成其开采效率低的关键原因。目前，深层卤水开采技术一方面参照常规地下水开采工艺，另一方面参考油气资源抽采工艺。不同方法在具体应用中主要通过增强卤水渗流动力、降低卤水渗流阻力、增加汇水面积等方式来实现深层卤水的高效开采。增强卤水渗流动力方面，得益于CO2驱替技术在油气资源开采（CO2-ECBM、CO2-EOR）(宋新民等,2023,张守仁等,2022)、地热资源开发利用（CO2-EGS）(薛卉等,2021)中的快速发展，利用CO2地质封存机制驱替深部卤水(CO2－EWR)也成为近年来的研究热点(彭国建等,2017,杨国栋等,2014,包一翔等,2022,房琦等,2015)。该技术利用深层卤水开采后释放的储层空间实施深部CO2封存，一方面可以补充深部地层压力，减少越流补给的风险，提升卤水开采效率，同时能够实现CO2的安全封存。(彭国建等,2017)对江陵凹陷深层卤水超临界CO2驱替的布井方式做了较为全面的数值模拟研究，结果显示“三角法”布井方式具有CO2泄露风险小、卤水越流补给控制好等优势（图5）。

图5 CO2 驱替深层卤水井身结构示意图

射孔、压裂等储层改造技术可以有效降低卤水渗流阻力，但是卤水储层通常存在含泥量高、成岩程度低、易发生塑性变形等问题，射孔或压裂后其孔隙会随着储层的变形和泥质组分的迁移而闭合。因此在储层改造基础上，增加汇水面积是极其必要的，水平井或多分枝井是增大单井汇水面积的有效技术手段(郭文祥,2022)。此外，深层卤水钻井过程中为防止井壁发生塑性变形，钻井泥浆与井壁结合程度较强，导致井壁孔隙堵塞，因此完井后的洗井作业也是重要的减阻手段(张云等,2019,王正浩等,2015)；抽水过程中因储层内泥质组分迁移造成孔隙堵塞，同样需要洗井来打开渗流通道。

3、深层卤水强化开采理论技术体系研究内容

笔者认为，深层卤水强化开采理论技术体系研究，应当以深层卤水渗流机理研究为突破口，开展井身结构、储层改造、控制降深、注气补压、洗-抽循环等强化开采技术手段的适用性研究。通过深层卤水储层孔隙度、渗透率以及孔隙结构特征的全面分析，厘清深层卤水微观渗流通道。基于卤水流体物理性质，结合储层岩石矿物组成特征，开展储层孔隙表面卤水润湿性实验，分析水-岩界面作用力关系。开展深层卤水高温高压渗流模拟实验，明确深层卤水渗流规律特征。以上述微观渗流特征研究为基础，回归研究区沉积构造演化特征分析，结合区域流体压力分析、毛细管力、重力等力学关系，进而建立深层卤水渗流动力模型，揭示深层卤水渗流机理。

通过深入剖析深层卤水渗流机理，明确卤水流动性主控因素的基础上，进一步通过抽采井的井身结构优化、储层压裂改造、抽采降深控制、注气补压、洗-抽一体化等多种强化开采技术的综合研究，一方面降低深层卤水流动阻力，另一方面增强深层卤水流动动力，形成一套深层难采卤水多效耦合强化开采技术体系，从而实现深层卤水的高效开采技术。

本文作者：秦建强，付德亮，潘彤，韩元红，贺茂勇，郭廷峰，孟晓荣，张绍栋，贾建团，张晓冬，张丽维，刘文革。文章来源于《中国地质》，由油媒方整理发布，内容不做商用，仅用于技术交流，如有侵权，请联系小编，欢迎业内朋友投稿交流，共同传播油气创新知识。