柴西深層地下鹵水資源及其綜合利用研究進展*

劉 穎 ，王云生 ，乜 貞 ，伍 倩 ，余疆江

［1.中國地質科學院礦產資源研究所，國土資源部鹽湖資源與環境重點實驗室，北京100037；2.中國地質科學院鹽湖與熱水研究發展中心；3.中國地質大學（北京）］

柴西深層地下鹵水資源及其綜合利用研究進展*

劉 穎1，2，3，王云生1，2，乜 貞1，2，伍 倩1，2，余疆江1，2

［1.中國地質科學院礦產資源研究所，國土資源部鹽湖資源與環境重點實驗室，北京100037；2.中國地質科學院鹽湖與熱水研究發展中心；3.中國地質大學（北京）］

地下鹵水的開發歷史久遠，而深層地下鹵水的研究卻起步較晚。由于其具有巨大找礦前景，深層地下鹵水的研究也日益受到重視，尤其是柴達木盆地西部。近幾年研究發現，柴達木盆地西部賦存有儲量巨大的第三紀鹵水資源，其中既有與石油、天然氣共生的油田鹵水，也有砂卵礫石型地下鹵水。從資源評估、綜合利用試驗研究兩方面總結了典型地區南翼山、黑北凹地等地下鹵水資源的綜合利用現狀，認為應該更加積極開展對柴西地區深層地下鹵水資源的探索，加強綜合利用方式科技攻關。

深層地下鹵水；柴西地區；鉀硼資源

深層地下鹵水是指分布在地下深部（埋深＞100 m）儲鹵層中的鹵水［1］。地下鹵水開采利用的歷史已極其久遠，而盆地深部地層鹵水的研究起步較晚，目前在柴達木盆地、四川盆地、江漢盆地及塔里木盆地鉆探均有所發現［2］。研究表明，四川盆地地下鹵水分布廣泛、資源豐富且品質優異，在中國各大沉積盆地中具有得天獨厚的優勢，研究程度相對較高［3］。與四川盆地、江漢盆地等地區相比，柴達木盆地深部地層鹵水的研究起步較晚，但其西部地區發現多處豐富的高品質深層鹵水，具有良好的資源前景；且柴達木盆地具有獨特的自然環境，可利用當地豐富的太陽能資源，通過鹽田日曬得到初級鹽類原料，在提取主導產品后的濃縮母液中將其他多種有用組分同時提取出來，從而實現了資源的綜合利用，產生重大的經濟效益。因此，本文以柴達木盆地西部典型地區深層地下鹵水資源的勘探和研究成果為例，展示中國典型地區深層鹵水資源的綜合利用研究情況，為今后深層鹵水資源的開發提供依據。

柴西地下鹵水主要分布在東經 91°07′～92°10′、北緯 37°50′～38°35′范圍內，面積約為 3 000 km2。 柴達木盆地西部深層鹵水可分為構造裂隙孔隙鹵水（又稱油田水）、化學鹽類晶間鹵水和砂礫石層孔隙鹵水［4］。研究區具有勘查、開發價值的深層鹵水為構造裂隙孔隙鹵水的儲鹵層以及砂礫石層孔隙鹵水儲層。對其進行重點評價與分析研究，具有重要的理論意義與找礦意義。

1 油田水

構造裂隙孔隙鹵水又稱油田水，分布范圍小，僅在南翼山、獅子溝背斜構造發現，其他背斜構造區有待突破［4］。由于柴達木盆地油田水的研究起步較晚，缺少相應的基礎資料和數據，使評價工作進行的較為粗略，但在南翼山等研究程度較高的構造進行了部分的詳細評價工作［5］，因此以南翼山為例。

1.1 資源評估

前期青海石油局在進行油氣勘探時，僅對油田水中的Na、Cl等元素的含量進行測定，并未進行深入研究，僅認為地下深層鹵水是封存水，同外界無水力聯系。在1982—1990年柴西第二輪鹽礦普查階段中，對調查區內的小梁山、油泉子、南翼山等構造上獲得部分油田水的水質分析測試資料。直到20世紀90年代初期，青海省柴達木綜合地質勘查大隊三分隊在收集前人研究資料的基礎上，通過野外勘查和室內研究，提出第三系地層中的油田水含硼、鉀、鋰，值得做進一步的工作［6］。柴達木盆地油田鹵水的專門研究，則是從2000年開始，主要基于已有的石油鉆孔資料估算了各個背斜構造遠景區油田鹵水資源量［7］。2000年以來，青海省地質調查院對柴達木盆地西北地區進行了油田水資源遠景區評價工作，認為柴達木盆地第三系儲油構造中基本均有富鉀油田水，但未對油田水資源量進行具體評價；2003年以來，在中國地質科學院鄭綿平院士主導的“油鉀兼探”方針指導下，中國地質科學院礦產資源研究所與青海省柴達木綜合地質礦產勘查院合作對南翼山進行調查，完成對油田水資源量的初步評價，估算出氯化鉀遠景資源量可能達1億t以上［2］。2006年，中國科學院青海鹽湖研究所在對盆地西部地表蒸發巖、鹵水進行野外實地考察的過程中，發現南翼山地區油田鹵水的K+、Br-、B3+等含量較高，基本達到了綜合利用工業品位和單獨開采工業品位［5］；之后在南翼山等地進行了抽水試驗，進行了資源量的詳細評價工作，用容積法計算出了南翼山潛在油田水資源量為691.06億m3，其中含KCl 0.66 億 t［8］。

1.2 綜合利用試驗研究

南翼山為一背斜構造，其油田水為承壓水，水頭高，可自流，易于開采。埋深主要在2 000 m以下深度，3 000 m左右為主。鹵水水化學類型按蘇林分類法分為氯化鈣型［9］，鉀含量在工業品位之上并且微量元素Li、B均達最低工業指標，Br、I含量接近或達到綜合利用指標，如表1所示。

項目 化合物/（g·L-1） 有用組分/（mg·L-1）NaCl B2O3 K+ Br- I- Li+ Sr2+綜合利用品位 100 0.40 1 500 300.0 20.0 25 3.00南翼山油田水 253 3.00 6 400 48.3 33.4 167 563.4

1.2.1 室內試驗

2000年以來，中國科學院青海鹽湖研究所通過不同季節的室內蒸發濃縮實驗，并考察了環境溫度變化對鹵水蒸發濃縮析鹽規律的影響，試驗結果表明室內溫度和濕度的變化會使各個析鹽階段發生微小的改變，造成析出鹽類礦物組成之間存在微小的差異，但不會影響油田水蒸發濃縮析鹽規律［6］。根據礦物鑒定結果和對應的化學分析結果，得到南翼山油田水在室內模擬蒸發試驗的鹽類結晶階段：石鹽、鉀石鹽、類光鹵石復鹽和南極石等階段。之后為了更好地認識低溫下鹵水的成鹽、析鹽規律，中國科學院青海鹽湖研究所自行設計搭建了一套油田水低溫冷凍實驗設備，使用該設備研究了南翼山油田原始鹵水在-30.90~-18.90℃范圍內的結冰析鹽過程，精確測量了油田水隨溫度降低第一種和第二種固相（NaCl·2H2O和冰）的析出溫度，化學分析得到了該溫度范圍內 Ca2+、Mg2+、K+、Cl-、B2O3、Na+6 種常量組分在液相中的含量變化趨勢［10］。

Br、I是南翼山油田水中重要的高價值元素，針對Br、I分別進行了分離與提取試驗，并研究其在各階段的損失情況，工藝試驗主要從鹵水的酸化氧化，溴和碘的氧化率、吹出率及吸收率幾個方面進行研究，溴的析出過程采用水蒸氣蒸餾法，溴收率為89.50%，碘析出過程采用鹽酸酸化析出，碘收率為92.20%［6］。提取溴的工藝研究過程中發現油田水的氧化溫度、溶液中鐵離子和銨根離子對于溴的提取有非常大的影響，針對這3個因素中國科學院青海鹽湖研究所展開試驗研究［11］。為排除鐵離子對其化學分析時的干擾，在分析溴含量時一定要注意空白（包括溴空白、碘空白和鐵空白）；因受NH4+的影響，在氧化和吹出工序中不需要加熱，常溫下進行是最合適的，且應該將鹵水中NH4+除去。后利用自制油田鹵水提取 Br、I的設備，開展初步擴大試驗［6］，進一步驗證工藝研究的結果，探索其富集規律及分布規律，獲取油田鹵水在蒸發過程中分離溴、碘等有益元素的合理階段，擴大試驗溴的工藝總收率為78.96%，而擴大試驗碘的工藝總收率為75%。

該油田水含鈣高，會給綜合利用帶來不利影響，蒸發油田水時鈣與其他有益組分的徹底分離較為困難，也嚴重影響后續有益組分的提取分離。加入芒硝反應生成硫酸鈣沉淀，過濾可以除去大部分鈣，剩余的采用沸石吸附，可有效降低鈣含量［12］。

1.2.2 室外試驗

青海省地質調查院對柴達木盆地西部油田水的前期研究也進行了大量工作。2002年，該單位對第三系地層分布區的油井新取了水樣，證實該鹵水中含有較高的鉀硼鋰碘組分；后通過自然蒸發實驗，得出自然蒸發結晶路線和芒硝除鈣后母液蒸發結晶路線，發現可以得到質量較好的鉀石鹽、硼鉀混鹽、含鋰碘的母液，其蒸發析出礦物順序為：石鹽→石鹽+鉀石鹽→石鹽+鉀石鹽+硼酸鹽→石鹽+硼酸鹽+光鹵石→石鹽+硼酸鹽+光鹵石+四水氯化鈣；原鹵除鈣并蒸發結晶析出順序是：石鹽段→鉀石鹽+硼鉀混鹽段→硼鎂鹽段［13］。后針對該油田鹵水中Li+含量高的特點，進行了提鋰實驗研究，提鋰方法如下：富含Li+的油田鹵水通過鹽田自然蒸發得到濃縮母液老鹵，老鹵除Ca2+、Mg2+等離子后，加Na2CO3沉淀得到合格的碳酸鋰產品［14］。

自2011年開始，中國地質科學院礦產資源所與中國科學院青海鹽湖研究所以及青海省第三地質礦產勘查院協作，針對南翼山蒸發實驗的研究結果，利用無油自噴的石油鉆井進行鹵水開采，開展了一系列鹽田中試試驗［5，15］，2012 年在鹽田試驗提取鉀混鹽過程中，發現于冬季在鹽田中析出了南極石（六水氯化鈣），但是在本次試驗過程中析鹽次序發生變化，南極石提前至鉀石鹽階段析出，分析原因，主要為高氯化鈣鹵水受南翼山地區寒冷干旱氣候影響，而提前于鹽田中析出。

目前，以鹽田生產得到的混合鹽數據為依據，通過鹽田相分離技術，獲得KCl品位為15%的鉀石鹽混鹽，并獲得富含鋰、銣等稀有元素的尾鹵。后根據室內及野外鹽田等結果，擬定南翼山油田水綜合利用工藝，如圖1所示。采用浮選和熱溶-冷結晶相結合的工藝方法提取氯化鉀，鉀硼混鹽生產鉀后在鹽田繼續蒸發結晶得到粗硼酸，熱溶重結晶可得粗硼酸，然后提溴、提鋰之后進行碳酸鋰的提取，目前已初步加工出氯化鉀、硼酸和碳酸鋰等礦產品，具有成本低、收益高、工藝較簡單的特點。

2 砂礫石層孔隙鹵水

砂礫石層孔隙鹵水規模大，富水性強，采鹵井中不易結鹽，便于開發利用，主要分布于柴達木盆地西部山前斷陷凹地［4］。該砂礫型鹵水化學特征有別于柴西現代鹽湖硫酸鎂亞型鹵水，又不同于第三系油田水，是一種特殊的高鈉、低硫酸根、低硼、低鋰的含鉀鹵水［16］。該富含氯化物型孔隙鹵水，是柴達木盆地西部新發現的新型鉀鹽礦資源。

2.1 資源評估

2008—2010年，中國地質科學院進行的地質調查工作項目 “青海柴達木西部第三系上新統富鉀硼鋰深循環鹵水礦產普查”，發現新型砂礫層含鉀鹵水，大幅度擴大了柴西鉀鹽資源遠景，且揭示一種新構造成鉀機制［16］。2010—2013年，青海省柴達木綜合地質礦產勘查院承擔的 “柴達木西部新近紀以來固液相鉀鹽資源調查評價”項目擴大了孔隙鹵水找礦遠景，在柴達木盆地西部大浪灘、黑北凹地實施的鉆孔均揭露出厚層的承壓孔隙含鉀鹵水礦層；經初步估算，新增液體 KCl（334）資源量 1.0 億 t［17］。 在此基礎上，中央地質勘查基金加大對深層鹵水找礦的投入力度，2013年，中央地質勘查基金投資4 490萬元，設立《青海省茫崖鎮大浪灘東北部深層鹵水鉀鹽普查》、《昆特依礦區深部鹵水鉀鹽預查》兩個項目，打響了柴達木盆地中深部找鉀攻堅戰，證明了柴達木盆地西部砂礫石層儲層孔隙鹵水找礦前景巨大。短短兩年時間，大浪灘、昆特依2個礦區深部鹵水找礦就取得重大突破，新發現平均厚度581.74~681.11 m的巨厚砂礫石型孔隙鹵水礦層，鹵水中氯化鉀平均品位為0.30%~0.48%，單井涌水量最高超過6 000 m3，預計可提交氯化鉀資源量超過2億t［18］。由于柴西地區有很好的資源條件，近兩年求得深層砂礫型新型鹵水KCl資源量總計3.5億t，已經成為中國地質調查局完成“358”找鉀任務的重點地區［16］。

2.2 綜合利用試驗研究

黑北凹地為向斜凹地，其鹵水為深部砂礫石層孔隙鹵水，水化學類型為氯化物型。其礦化度較高，一般在280~300 g/L，KCl品位一般在0.30%以上，化學成分單一，僅KCl、NaCl在邊界品位或者工業品位以上，在抽鹵中不易結鹽，易于開采［19］。

基于黑北凹地獨特的化學組成與優勢，中國地質科學院礦產資源研究所開展了黑北凹地地下鹵水自然蒸發試驗，獲得了黑北凹地地下鹵水自然蒸發析鹽順序和結晶路線（見圖2）以及鋰、硼等離子富集規律。其析鹽順序為：石鹽→石鹽+光鹵石→石鹽+光鹵石+水氯鎂石，蒸發實驗經過了較長的NaCl析出階段才達到 KCl·MgCl2·6H2O 階段，鋰、硼在整個過程中處于濃縮富集階段。蒸發試驗發現，該含鉀鹵水鹽類礦物組合比較簡單，這為將來生產提取工藝帶來便利。但氯化鈉結晶周期長，也使得有益組分鉀的收率較低。如何縮短石鹽析出階段、提高鉀鹽收率是該地鹵水利用的關鍵問題。

目前，正在進行該地區鹵水野外連續鹽田試驗，以期獲得高品質濃縮鹵水，掌握鹽田制鹵工藝參數，探索混鹽中礦物的分離提取技術。

3 化學鹽類晶間鹵水

化學鹽類晶間鹵水分布范圍大，在柴達木盆地西部向斜凹地和斷陷凹地均有分布。其從地表至深部1 250 m以下都存在，《青海省茫崖鎮大浪灘鉀礦田詳細普查地質報告》（1988年）以地表155 m（部分地段為350 m）以下地段為本次晶間鹵水的研究對象，在大浪灘凹地、黑北凹地以水文地質鉆孔揭露出了該層。大浪灘—黑北凹地經梁ZK09、梁ZK10、梁ZK02、梁ZK04、梁ZK06及梁 ZK08等水文地質孔揭露出的化學鹽類晶間鹵水鉀鹽礦層，有益組分KCl品位在1.0%~1.96%，鹽類組分NaCl、MgSO4含量高，B、Li、Br、I 等稀 有 元素含 量 低， 礦 化 度為298.7~395 g/L，鹵水密度為1.2~1.22 g/L，水化學類型按瓦利亞什科分類屬硫酸鎂亞型。但化學鹽類晶間鹵水儲鹵層富水性差，在采鹵井中易結鹽，目前技術條件下開采難度大［4］，現階段不易開發利用。

4 結語

柴達木盆地地下鹵水開發利用工作始于鉀鹽勘查，近些年來在“油鉀兼探”方針指導下，針對找鉀工作上取得了較大進展。綜合前人研究成果，本文認為柴達木盆地地下鹵水開發研究工作仍需注重以下幾方面：1）柴達木盆地淺部鉀鹽礦床已經基本完成評價工作，轉入全面開發階段，而深層鹵水的工作在探索中起步。前期工作已證實柴達木西部地區地下鹵水具有極大的經濟價值，盆地內油氣田鹵水除富含鋰硼鉀外，還含有寶貴的溴碘資源，且有害組分鎂的含量較低，極具開發意義；砂卵礫石型地下鹵水因其化學組成單一，易于開采，也將成為開發的備選資源。2）對于基礎較好區域如南翼山等，應繼續完善其鹽田工作，根據鹽田實際修正鹽類分離提取工藝參數，確定工廠分離混合鹽的方法，實現南翼山地下鹵水的產業化。加快柴西其他地區的研究進展，繼續開展相關區塊地下鹵水資源的可行性研究，并對優質地下鹵水進行綜合利用前期的資源評估與研究。3）柴西地區地下鹵水資源賦存狀態、化學組分各有不同，差別較大，需要分別進行資源綜合利用科技攻關，得出其對應技術路線。

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Research progress on comprehensive utilization of deep underground brine resources in western Qaidam Basin

Liu Ying1，2，3，Wang Yunsheng1，2，Nie Zhen1，2，Wu Qian1，2，Yu Jiangjiang1，2
[1.MLR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments，Institute of Mineral Resources，China A cademy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Research and Development Center of Saline Lakes and Epithermal Deposits，China Academy of Geological Sciences；3.China University of Geosciences（Beijing）]

The development of underground brine has a long history，but the research on deep underground brine in the basin has started relatively late.Because of its great prospecting potential，deep underground brine resources have been paid more and more attention，especially in western Qaidam Basin.Recent studies have shown that the western Qaidam Basin had huge reserves of tertiary brine resources，including symbiotic oilfield brine with oil and gas，and underground brine in the sandy gravel.The comprehensive utilization situation of underground brine in typical area of Nanyishan and Heibei concave from two aspects of the resource evaluation process and experimental research was summarized.It was concluded that more efforts should be made to explore the underground brine resources in the western Qaidam Basin and strengthen the scientific and technological researches of comprehensive utilization.

deep underground brine；western Qaidam Basin；potassium and boron resources

TD989

A

1006-4990（2018）01-0012-04

中國地質調查局地質調查項目（DD20160054）；國家自然科學基金項目（41473061）。

2017-07-20

陳銀霞（1982— ），女，博士，副教授，研究方向為環境功能納米材料，已發表論文10余篇。

紀獻兵

聯系方式：chyxsd@163.com

收稿日期：2017-07-28

作者簡介：劉穎（1993— ），女，在讀碩士研究生，研究方向為地質工程。

通訊作者：王云生

聯系方式：2508832778@qq.com