三維地質建模在土耳其天然堿對接井設計中的應用

向昆明，劉汪威，陳劍垚，林修闊，胡漢月

(1.四川省煤田地質局一三七隊，四川達州 635006;2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000）

三維地質建模在土耳其天然堿對接井設計中的應用

向昆明1，劉汪威2，陳劍垚2，林修闊2，胡漢月2

(1.四川省煤田地質局一三七隊，四川達州 635006;2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000）

三維地質建模是從三維的角度對礦產進行描述和研究，與傳統方法相比，具有時間短且數據精確的優越性，對工程決策和科學管理具有重要的意義，目前已經成為礦產開發與地質研究的重要手段之一。將三維地質建模方法應用于土耳其貝帕扎里天然堿礦對接井四期工程設計中，取得了很好的效果。結合工程應用，介紹了三維地質建模應用于對接井設計的方法。

三維地質建模;對接井;天然堿;鉆井設計;土耳其貝帕扎里天然堿礦

0 引言

所謂三維地質建模就是運用計算機技術，在三維環境下，將空間信息管理、地質解釋、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來并應用于地質分析的技術。三維地質建模作為一種處理地質對象的新技術，與傳統方法相比，具有很強的優越性，符合現代工程設計、施工和管理的需要。

由于數據量較大，三維地質建模離不開計算機及軟件的支持。目前國內外已經出現了多種結合不同專業開發的三維地質建模軟件。以美國、加拿大、澳大利亞和英國等為代表的工業化國家推出的比較有影響的三維地質建模軟件有GoCAD、Surfer、Petrel、Geomodeller3D、GSI3D、CTech、Earthvision、Vulcan和Micromine等，這些軟件涉及地震勘探、石油開采、地下水模擬、礦體模擬、礦產資源評估、開采評估、設計規劃和生產管理等眾多專業領域。國內的三維地質建模軟件主要有GSIS、3DMineGeoView、GeoMo3D、理正地質GIS、TitanT3M、VRMine、MAPGIS－TDE、3DGrid和深探地學建模軟件等。與國外相比，國內三維建模軟件的研發還處在探索與完善階段，產品尚不成熟，商業化程度較低，在建模功能和可用性上與國外軟件仍有一定差距。

在土耳其貝帕扎里(Beypazari）天然堿礦對接井四期工程的設計中，利用計算機軟件建立礦區的地質模型，其目的及意義在于:

(1）可以最大程度地集成多種地質資料信息;

(2）強大的可視化功能，可以提高對難以想象的復雜地質條件的理解和判別，為設計工作提供驗證和解釋;

(3）通過三維地質模型，設計合理的對接井井眼軌跡，并在此基礎上進行鉆井工程設計;

(4）三維地質模型更能客觀反映礦層起伏變化特征，較精確地預測沿水平軌跡的各項地質參數，確保對接井順利地穿越礦層;

(5）結合鉆井施工情況，比較實鉆礦層與設計礦層的誤差，以及根據錄井與測井的礦層顯示情況，檢驗工程設計中選井位、選礦層、選方位的合理性。

1 礦區概況

土耳其貝帕扎里天然堿礦位于安卡拉(Ankara）和奈利汗(Nallihan）國家公路附近，距安卡拉市110 km，位于貝帕扎里鎮西北14 km，礦區內有簡易公路相通，交通便利。

堿礦賦存于第三系貝帕扎里盆地沉積序列中較下部位的河卡(Hirka）地層中。盆地的底板是由古生代始新世的變質巖、酸性深成巖、火山巖組成。堿礦床長5.4 km，寬3.6 km，面積約8.2 km2，礦床走向北偏東64°，傾向約正東。

貝帕扎里堿礦的沉積形態大致受區域地質構造的影響(斷層和折皺）。堿礦中心受坎塞維(Kanliceviz）斷層影響分成2個區域，分別稱為西部愛爾邁玻利礦區(Elmabeli）和東部阿利塞基礦區(Ariseki）。在阿利塞基礦區內有4條橫切礦床的斷層，將礦區劃分為5個礦塊。貝帕扎里礦區地層依次為札維依(Zaviy）、卡基魯巴(Cakiloba）、沙里亞吉爾(Saragil）、卡拉杜魯克(Karadoruk）、河卡(Hirka）和玻亞利(Boyali）地層。

堿礦層位于主要由粘土層和含瀝青的頁巖組成的河卡地層中，埋深在250～430 m之間，含礦段厚度70～100 m，共有33層厚度在0.4～2.0 m的單層礦，礦體以透鏡狀形態產出。在縱向上堿礦層分為兩個礦組，每個礦組含6～7個主要礦層，上部礦組劃分為U1～U6共6個單層，累計礦層厚度為8～20 m，平均總厚度15 m;下部礦組劃分為L1，L2－1，L2－2，L3～L6共7個單層，累計礦層厚度為3～15 m，平均總厚度10 m。上、下礦段之間有一層20～25 m厚的粘土巖、凝灰巖和油頁巖組成的隔層。

2 數據準備

2.1 數據收集整理

在三維地質建模之前，要大量收集有關資料，并對資料進行篩選分析，資料的準確性對建模的效果起著至關重要的作用。四期設計收集的鉆井資料包括土耳其一、二、三期的勘探井和生產井，其中，生產井又包括垂直井和水平井，共計239口，勘探井101口，垂直井70口，水平井53口，報廢或資料不全的鉆井15口。

收集的數據內容主要包括鉆井井口坐標、井深、頂角、方位、礦層厚度、完井深度、巖性描述、鉆時等鉆井數據和礦石重度、碳酸鈉含量、碳酸氫鈉含量、總堿度、不容物含量等礦石分析數據。收集完數據后還需經過整理、分析、篩選、計算、歸納和統計等工作，以確保礦層數據的準確性和完整性。例如一鉆井資料中缺失某一礦層，應根據其鉆井深度和周圍鉆井資料來判斷未見礦層為零厚度層或未達井深的未知層。所有鉆井的礦層數據都須將井口坐標和礦層的井深、頂角、方位和視厚度計算轉換為礦層大地坐標、底板高程和真厚度。礦層數據均為地質錄井和電測錄井經過綜合分析比較后的數據。

2.2 礦層邊界處理

礦層中存在內部零厚度的孤島和外圍邊界，因此，必須對礦層邊界范圍進行處理。

2.2.1 處理原則

根據相關技術規范和四期工程具體情況，制訂以下原則:礦層的連接和外推應遵循礦床地質規律。礦層一般采用直線連接，鉆井間礦層的厚度，不得大于相鄰鉆井實際控制的礦層最大厚度。礦層的外推采用有限外推或無限外推方法。當邊緣見礦鉆井以外有其它未見礦鉆井控制，采用有限外推法，當鉆井間距小于300 m時，外推距離可按鉆井間距的1/2確定;當鉆井間距大于300 m時，取150 m。當邊緣見礦鉆井以外無其它鉆井控制，采用無限外推法，外推距離根據邊緣見礦鉆井見礦情況確定，一般取150 m。

2.2.2 有限外推法

根據鉆井的礦層數據分為2類:一類是見礦井，稱其為礦層厚度非零井;另一類為未見礦井，稱其為礦層厚度零井，簡稱為見礦井和未見礦井(指某一特定礦層，而非鉆井所有礦層）。未見礦井主要用于確定礦層零邊界，又可分為外圍未見礦井和內部未見礦井。采用有限外推法確定礦層邊界的數據應用流程圖，如圖1所示。

圖1 有限外推法礦層邊界確定流程圖

2.2.3 無限外推法

無限外推法礦層邊界確定如圖2所示。

圖2 無限外推法礦層邊界確定示意圖

礦層外推可以利用建模軟件和繪圖軟件繪制鉆井礦層坐標平面圖來完成礦層邊界的判斷，并可以利用計算器編輯公式精確的計算出零邊界點的坐標。值得注意的是，通過外推法確定的虛擬零厚度邊界點數據錄入到數據表中時，應剔除與之相應的原礦層厚度為零的鉆井數據。

3 數據庫建立

建立數據庫之前必須將數據整理為標準格式，其包含3個字符段，即X、Y坐標和值。工程中一般采用的是高斯直角坐標系，而建模軟件采用的是數學坐標系，因此，X、Y坐標計算時要進行互換。根據貝帕扎里堿礦礦區分布情況，X坐標取值范圍為399000～405000，Y坐標取值范圍為448000～452500，建模面積27 km2。為了保證地質模型的控制精度，在建立三維網格中使用5 m×5 m的網格間距，平面網格結點數為901×1201，共得到1082101個單元網格。插值方法采用最小曲率法。最小曲率法廣泛應用于地球科學，是構造出具有最小曲率的曲面，使其穿過空間場的每一個點，并盡可能使曲面變得光滑，最大殘差和最大循環次數2個參數控制最小曲率的收斂標準。

四期設計共建立了13個主礦層的數據庫，包括礦層底板高程、礦層厚度、礦石密度、碳酸鈉含量、碳酸氫鈉含量、總堿度和不溶物含量等。

4 等值線圖繪制

數據庫準備完成后，建模軟件可以自動生成等值線圖。在此基礎上，通過添加井位張貼圖、調整線型、間隔、顏色和標記等操作使圖形更加美觀，也可以用繪圖軟件進行后期編輯，添加圖框、圖例、礦層特征、公路、管線、特殊點和標注等信息。

在繪制等值線圖時，應先繪制礦層厚度等值線圖。礦層零邊界以外的數據無意義，因此其它參數的等值線圖要利用該礦層厚度邊界線進行白化處理。白化，即選定某一圖形后，以白化文件為邊界去除該圖形內部或外部數據的過程。白化文件是以ASCII文件格式存儲的用來描述白化邊界及白化信息的文件，其包含2列數據，第一行分別為范圍節點個數和賦值，下面行則為節點坐標。賦值為0或1，若為1則白化指定區域內部，若為0則白化指定區域外部。

四期設計共繪制了13個主礦層的等值線圖，包括礦層底板等高線圖、等厚線圖和碳酸鈉等值線圖等，這些等值線圖直觀準確的顯示了礦層各種信息，為礦區整體研究、規劃、設計起到了指導作用。

5 井組布井設計

在井組布井設計之前，將每一礦層各等值線圖通過繪圖軟件圖層疊加到一起，以方便設計。

5.1 布井設計要求

井組布井時要考慮礦層指標來判斷水溶采礦是否合理。如指標不符合要求，可能會出現鹵水總堿度不足、溶腔通道堵塞等故障，最終造成采礦效率低下的結果。

5.1.1 總堿度指標TA

TA指標直接關系到采出的鹵水是否能夠達到設計規范的基本要求。四期設計對TA指標的基本要求是溶腔通道區域的TA值不小于25%。

5.1.2 礦層厚度指標THK

過小的THK值不僅對定向鉆進軌跡提出過于苛刻的要求，同時，易引起通道堵塞事故。四期設計對THK指標的基本要求是首采層THK值不小于1.2 m、非首采層THK值不小于1.0 m。

5.1.3 純堿厚度指標SOTH

由于考慮了不溶物等因素，SOTH指標比礦層厚度更能反映礦層通道質量的優劣性。四期設計對SOTH指標的基本要求是所有溶腔通道位置的SOTH值均不小于0.4 m。

5.1.4 可采性指標LI

水溶性開采在完成首采礦層開采后，應盡量設法讓頂部的夾層坍塌，繼續溶解上部的礦層。由于不同巖性具有不同的膨脹系統，其底部的溶腔高度也各不相同，因此，夾層的坍塌有時并不具備條件。可采性指標LI就是用于描述非首采礦層的溶采可行性的一項技術指標。

貝帕扎里天然堿礦下礦段與上礦段之間有20～25 m的一套粘土巖、層凝灰巖、油頁巖的隔層。L礦段LI分布圖顯示絕大多數礦區區域的LI指數大于1，這表明位于L段和U段中間的大夾層的塌陷的可能性幾乎為0。因此設計上必須分兩套井系分別以L礦段和U礦段作目的層。總體而言，L段礦層的LI指數大于U段礦層的LI指數，它表明U段礦層具有更優越的開采可行性，而與此同時，L段礦層發生溶腔堵塞的可能性較大。四期設計對LI指數的基本要求是所有溶腔通道位置的LI值均不得大于0.90。

將上述指標符合要求的區域在等值線圖中圈定出來，通過圖層疊加可以找出都符合要求的區域，再考慮地表的建筑物、道路、管線和農田等障礙物，最終可以確定符合要求的布井區域。

5.2 布井設計原則

(1）充分合理利用資源，提高礦山回采率; (2）基建工作量小，利于礦山的總體規劃; (3）充分考慮所采用的采礦方法、鉆井技術水平;

(4）根據鉆井水溶法的開采特點，自下而上逐層開采;

(5）保留未開發地帶的原始性，便于后期開發。5.3布井設計參數

布井參數主要是指井距、組距和首選目標礦層等。四期布井仍然處于三期井組的區域附近，繼承三期井組的基本參數，利用已有井組的走向、組距、排距等，從而可以避免井組提前串通和重新布置采鹵管線、供水、供電線路等問題。

5.3.1 井距

井距參數是根據水平段長度和鉆井施工技術條件確定的。根據水平井施工技術要求，造斜半徑選為160～200 m。考慮到鹵水濃度、采礦成本等方面的因素，設計首采礦層開采水平段長度為200～250 m，水平井和靶點垂直井的井距確定為360～450 m。5.3.2組距

組距為開采過程中各井組兩端的溶解距離與礦柱寬度之和。一般溶腔向兩端的發展距離為極限跨度的80%～100%，設計為70 m。

按以往的經驗，目前是低風險區。不過，我們計算一下此長期上升通道的上升速度，大約是按年11.2%。未來深圳證交所上市公司能以平均11.2%的增長速度持續下去嗎？答案若是否定的，則此長期上升通道便會改變，即熊市的低點會擊穿下軌。上證指數已經擊穿下軌，證明市場對舊經濟的增長速度預期已經明顯下降。不過，即便是長期上升通道有效，目前距離下軌約1020點一帶仍有19.5%的下跌空間。換言之，深圳綜合指數至少再跌10%至15%買入的話，才有一定的安全邊際。

5.3.3 首選目標礦層

按照自下向上礦層布井原則，首先應在L礦段內布置，由于根據業主要求和布井原則選定在三期東南區域布井，而L礦段在此區域不能滿足礦層指標的要求。L礦段與U礦段之間的大夾層的塌陷可能性幾乎為0，因此，四期選取在U礦段布井。U段礦層中，U6處于最底層，各參數和指數分析適合于布井要求，當不滿足時則選取上部U5礦層。因此，我們選定將U6和U5作為首采目標礦層。

四期設計最終布井情況如表1所示。

表1 四期布井情況統計

6 井組剖面設計

井組剖面圖能夠直觀的反映井組之間的礦層起伏變化特征，更能準確設計鉆井軌跡、確保對接井順利地穿越礦層與中靶。

井組剖面圖繪制是先將布井完成后的井組坐標查找并錄入數據表中，把一個井組制作成一個白化文件，對各礦層相關參數的數據庫進行切片處理，其切片結果錄入到數據表中，通過對數據處理繪制出該井組的剖面圖。井組剖面圖如圖3所示。

圖3 井組剖面圖

7 井身結構設計

本文主要介紹水平井井身結構設計的基本原則。

(1） 244.5 mm表層套管下入深度為含水層TK底板以下10 m;

(2） 311 mm一開鉆進深度為含水層TK底板以下12 m;

(4）進入礦層頂板時頂角為86°～87°，以便于在礦層中行走10～20 m后接近礦層底板;

(5）進入第一靶點時，頂角控制在89°～91°，以利于水平井鉆進;

(6） 139.7 mm生產套管下入深度為首采礦層頂板以下6 m(MD）;

(7） 88.9 mm油管下入深度為生產套管以下3 m(MD）;

(8） 200 mm水平鉆進第一靶點位于首采礦層底板以上50 cm(TVD）;

(9）設計終止深度/第二靶點位于垂直井井底首采礦層底板以上50 cm。

井身結構圖的繪制方法同樣也是制作白化文件，對礦層數據庫進行切片處理后再繪制圖件。更為便捷的方法是直接在相應的井組剖面圖中查找相關數據來繪制圖件。

8 鉆井軌跡設計

工程技術人員在水平井施工之前必須進行鉆井軌跡設計，通過相關礦層數據、施工要求及相關圖件設計出水平井的井深、頂角和方位。將井口坐標、井深、頂角和方位經過計算轉換為X、Y、Z坐標，通過三維繪圖軟件可以繪制出立體的鉆井軌跡，讓工程技術人員更能清晰的分析和優化軌跡設計。井組三維軌跡圖如圖4所示。

圖4 典型的水平對接井組軌跡圖

9 相關數據統計

通過三維地質模型和設計井組的相關信息可以快速準確地統計出所需相關數據。

(1）礦區儲量統計方法是將礦層厚度、密度、總堿度等值線圖在零邊界以內礦的區劃分為5 m×5 m方格，取每一方格點厚度值THK、面積值S、密度G和總堿度值TA的乘積，最后累加積分，得出某一礦層的儲量值。

式中:W——礦石質量，t;THK——礦層厚度，m; S——礦層面積，m2;G——礦石密度，t/m3;TA——礦石總堿度，%。

(2）可根據礦層數據庫統計出每一個主礦層厚度、重度、總堿度等的最大值、最小值、平均值及分布面積等。

(3）可結合礦層數據庫統計出鉆井的井號、井組號、X、Y坐標、地表高程和首采礦層等。

(4）鉆井進尺統計通過井組剖面圖和井身結構圖統計出垂直井一開、二開、取心鉆進工作量，水平井一開、造斜、水平鉆進工作量。

(5）通過相關資料還可以統計出如井組可采儲量、井組采出礦量、服務年限、鉆井套管用量和固井水泥用量等信息。

10 結語

(1）三維地質建模作為一種處理地質對象的新技術，與傳統方法相比，具有很強的優越性，符合現代工程設計、施工和管理的需要。

(2）在三維地質建模之前，要對資料進行收集、篩選、分析，資料的準確性對建模的效果起著至關重要的作用。

(3）三維地質建模對預測含水層、礦層深度，計算礦區儲量、采出礦量和回采率等參數有著重要的作用。

(4）結合三維地質模型，使井組布井設計、井組剖面設計、井身結構設計、鉆井軌跡設計等更加快捷、方便與合理。

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Application of 3D Geological Modeling in Turkey Trona Solution Mining Project Design

XIANG Kun-ming，LIU Wang-wei2，CHEN Jian-yao2，LIN Xiu-kuo2，HU Han-yue2(1.137 Geological Team，Sichuan Coalfield Geology Bureau，Dazhou Sichuan 635006，China;2.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China）

3D geological modeling is a better method to describe and study the mineral than the traditional methods，not only quick but accurate.Because of the great importance to the project decision and scientific management，it has become one of the effective ways to exploitation of mineral resources and geological research.This paper introduces the 3D method applied in the Turkey trona solution mining project of phase IV basic design，which achieved a very good result.

3D geological modeling;connection well;trona;well design;Turkey Beypazari trona mine

P634.7

:A

:1672－7428(2012）10－0002－051

2012－08－03;

2012－09－03

向昆明(1968－），男(漢族），四川宣漢人，四川省煤田地質局一三七隊隊長、高級工程師，探礦工程專業，從事煤田勘探、非煤勘探、工程地質勘察等管理工作，四川省達州市華蜀南路200號，scdzxkm@163.com;劉汪威(1982－），男(漢族），四川威遠人，中國地質科學院勘探技術研究所工程師，地質工程專業，從事受控定向鉆進連通井施工與相應科研項目研究工作，河北省廊坊市金光道77號，liuww88@qq.com。