趙陽(yáng)升梁衛(wèi)國(guó)馮子軍馮增朝楊 棟

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024)

原位改性流體化采礦是指在原位對(duì)礦體進(jìn)行物理、化學(xué)性態(tài)改造,實(shí)施礦物的流體化開采的一種新型采礦方法[1],它是與傳統(tǒng)固體礦床井工開采、流體礦床鉆井抽采方法并列的一類地質(zhì)資源與能源開采的方法。

伴隨著社會(huì)高速持續(xù)發(fā)展,人類賴以生存與發(fā)展的煤炭、石油、天然氣、金屬、非金屬礦產(chǎn)等常規(guī)地質(zhì)資源與能源因大規(guī)模開發(fā)而日益短缺,或易開發(fā)且優(yōu)質(zhì)的高能量密度資源大幅減少,迫切需要開發(fā)新型的、非常規(guī)的、深層的地質(zhì)資源與能源,如干熱巖地?zé)?、油?yè)巖、煤層氣、深層煤炭資源、深層銅金鈾、天然氣水合物等資源能源。而這類資源能源礦體致密,礦物或以固態(tài)、或以熱能形式、或以吸附態(tài)形式賦存,埋藏深度大,能量密度低,難以采用傳統(tǒng)方法有效開采。原位改性流體化采礦方法就是伴隨著這類新型的、非常規(guī)的地質(zhì)資源與能源開發(fā)而提出與發(fā)展的。

原位改性流體化采礦的雛形最早可追溯到1 400多年前的中國(guó)和歐洲進(jìn)行的鹽礦水溶開采。20世紀(jì)20年代,前蘇聯(lián)開始煤炭地下氣化。20世紀(jì)60年代我國(guó)和美國(guó)開始了銅礦、鈾礦的原位溶浸開采。20世紀(jì)80年代,美國(guó)進(jìn)行了干熱巖地?zé)衢_采等等。自20世紀(jì)80年代后期起,章夢(mèng)濤最早關(guān)注這一具有重大應(yīng)用前景的科學(xué)問題[2],在章夢(mèng)濤先生指導(dǎo)下,筆者團(tuán)隊(duì)最先系統(tǒng)地開展了原位改性流體化采礦的基礎(chǔ)研究,即演變多孔介質(zhì)固流熱化學(xué)耦合方面的試驗(yàn)與理論研究[3-4]。2006年筆者提出了“固體礦物流體化開采”的新型研究方向[5],2010年太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)科申報(bào)并獲批原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2018年國(guó)家油頁(yè)巖注熱開采研發(fā)中心落戶太原理工大學(xué)。自2000年起,筆者團(tuán)隊(duì)廣泛深入地進(jìn)行了鹽礦水溶開采、低滲透煤層煤層氣改性開采、油頁(yè)巖原位熱解開采、干熱巖地?zé)衢_采、天然氣水合物開采等領(lǐng)域的科學(xué)與工程研究,并于2005年和2014年分別獲鹽類礦床控制水溶開采、煤層氣改性開采的兩項(xiàng)國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。針對(duì)深部煤炭資源開采難題,謝和平院士提出了“煤炭資源流態(tài)化開采的構(gòu)想”[6]。

原位改性流體化采礦所涉及的工程領(lǐng)域眾多,但它們均具有共同的科學(xué),即變形-滲流-傳熱傳質(zhì)-化學(xué)耦合作用的演變多孔介質(zhì)傳輸,伴隨著科學(xué)研究的深入,發(fā)明了系列方法與技術(shù),帶動(dòng)了廣泛的工業(yè)與工程發(fā)展。

1 原位改性流體化采礦概念的內(nèi)涵

原位改性流體化采礦這一全新的采礦方法概念,包含了豐富的內(nèi)涵。

(1)原位。原位指礦體及圍巖處于地下天然的三維應(yīng)力和地下水氣熱、甚至包括化學(xué)與放射性等作用的狀態(tài),礦體及圍巖是含有孔隙裂隙、裂縫、甚至斷層的復(fù)雜介質(zhì)體。

(2)物理、化學(xué)方法改造礦體與礦物。如為了開采干熱巖體中的地?zé)崮?采用多種方法在干熱巖儲(chǔ)層中建造人工儲(chǔ)留層,或利用天然的裂縫與斷層,通過注水換熱的方式,將巖體中的熱轉(zhuǎn)移給水?dāng)y帶到地面,供人類使用,這就是一種典型的物理改性的例子。鈾礦是一種豐度極低的固體放射性礦物,近年來(lái),我國(guó)和美國(guó)等國(guó)家采用溶浸采礦方法開采的鈾產(chǎn)量已占總產(chǎn)量的一半以上,其關(guān)鍵開采步驟就是采用原位注入強(qiáng)酸或強(qiáng)堿,通過化學(xué)反應(yīng)使鈾礦物變成流體鈾化合物,排采到地面后經(jīng)過濕法冶金方法精練出純鈾礦物,這就是一個(gè)典型的化學(xué)改性的例子。

(3)改造礦體與礦物的物理、化學(xué)性態(tài)。包含3個(gè)方面的內(nèi)涵:①礦物流體化。固體礦床開采最大的難點(diǎn)是礦石的輸運(yùn),因?yàn)楣腆w礦石無(wú)法采用連續(xù)方式輸運(yùn),即使采用膠帶或機(jī)械式搬運(yùn)仍然效率低下,工序復(fù)雜。因此,礦物流體化是實(shí)現(xiàn)固體礦物高效輸運(yùn)的前提。概念中特別指出的是礦物的流體化,而非礦體的流體化,也就是說,這種采礦方法僅把人類需要的礦物變成流體,開采出來(lái),而其他礦體部分仍然維持固態(tài),滯留于地下原位,可實(shí)現(xiàn)潔凈開采。如固體鹽礦通過水溶的方式,轉(zhuǎn)化為鹽的水溶液,可實(shí)現(xiàn)高效開采和輸運(yùn);又如煤炭地下氣化是通過地下煤的氧化還原反應(yīng),使煤燃燒生成氣體,實(shí)現(xiàn)固體煤炭的開采和輸運(yùn)。②礦物提質(zhì)改性。有許多礦物在自然狀態(tài)時(shí),其品質(zhì)較差,通過原位改性流體化采礦方法可在地下原位同步實(shí)現(xiàn)礦物的提質(zhì)改性,提高礦物品質(zhì)。如油頁(yè)巖中的有機(jī)礦物干絡(luò)根,在自然狀態(tài)下,是一種未成熟的固態(tài)成油礦物,通過高溫絕氧干餾的化學(xué)反應(yīng),使其變成液態(tài)的油和烴類氣體,這就是提質(zhì)改性的過程;又如筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)褐煤采用高溫蒸汽絕氧熱解,可以脫除褐煤中的結(jié)晶水和揮發(fā)分,450 ℃以上的高溫蒸汽還可以使褐煤變成焦煤、貧瘦煤,甚至無(wú)煙煤,這是對(duì)低變質(zhì)煤的提質(zhì)改性過程。③礦體多孔化。礦體物理化學(xué)改造中,同步使礦體產(chǎn)生大量的空洞、孔隙、裂隙、裂縫,為流體化的礦物連續(xù)輸運(yùn)采出提供傳輸通道,這也是該方法的重要內(nèi)涵。如煤炭地下氣化、純的鹽礦水溶開采,因礦物在礦體中的占比大,氣化或水溶過程中,同步形成了連續(xù)的巨大空洞,作為傳輸通道。而礦物含量占比較小的絕大部分礦床,如鈣芒硝礦、油頁(yè)巖礦、鈾礦、銅礦等,當(dāng)用物理化學(xué)方法把礦物變成流體時(shí),形成的孔隙、裂隙和裂縫空間較小,這些孔隙、裂隙構(gòu)成的通道的連通性和導(dǎo)流能力,就成為該方法實(shí)施成敗的關(guān)鍵。

(4)礦物流體化開采。當(dāng)?shù)V體與礦物被改造后,流體化的礦物就可以沿改造形成的空洞-孔隙-裂隙-裂縫通道輸運(yùn),從生產(chǎn)井排采到地面。而流體化改造的物理化學(xué)劑可以源源不斷地輸入到地下礦層,經(jīng)過已開采區(qū)域,流體化開采未開采區(qū)域的礦物。

2 固-流-熱-化學(xué)耦合作用下礦體特性演變規(guī)律

原位改性流體化采礦在科學(xué)層面的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容就是礦體固體在溫度(T)、應(yīng)力(M)、滲流(H)及化學(xué)耦合(C)作用下,固體骨架的變形、強(qiáng)度、滲流、傳熱傳質(zhì)等特性的演化規(guī)律,和固體破裂、孔隙裂隙發(fā)生發(fā)展的演化規(guī)律,以及固-流-熱-化學(xué)耦合作用下物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的性態(tài)演變及相關(guān)規(guī)律。這是一個(gè)多因素同時(shí)耦合作用的動(dòng)態(tài)演變過程,該過程和相關(guān)規(guī)律,必須采用同步在線的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法方可研究與揭示。這是目前國(guó)際學(xué)術(shù)界的熱門課題,也是十分艱難的課題,而所需要的試驗(yàn)設(shè)備在當(dāng)時(shí),乃至今天也幾乎沒有。筆者團(tuán)隊(duì)30 多年來(lái)攻克相關(guān)技術(shù)難題,研制了系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備,代表性設(shè)備有:600 ℃,20 MN 高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)[7]、流體傳壓高溫高壓三軸THMC 耦合作用試驗(yàn)機(jī)、液體傳壓高溫真三軸試驗(yàn)機(jī)、高精度顯微CT 試驗(yàn)機(jī)、高溫三軸-CT 在線微型三軸試驗(yàn)機(jī)[1],以此為基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)了系列的礦巖原位改性的新規(guī)律。

2.1 有效應(yīng)力原理

1923年,TERZAGHI 在研究飽和土的固結(jié)、水與土壤相互作用的基礎(chǔ)上,提出了著名的有效應(yīng)力原理,奠定了土力學(xué)的基礎(chǔ)。1941年,Biot 在三維固結(jié)情況下,發(fā)展了TERZAGHI 有效應(yīng)力原理,即

其中,σ′ij為有效應(yīng)力張量;σij為總應(yīng)力張量;α為有效應(yīng)力系數(shù),也稱為比奧系數(shù);p為孔隙壓力;δij為Kronecker 符號(hào)。在巖土力學(xué)中如何確定該值也是人們長(zhǎng)期關(guān)注的問題。

工程巖土介質(zhì)一般為孔隙和裂隙的雙重介質(zhì),被化學(xué)流體如甲烷、二氧化碳、石油等浸透,并受很多因素的影響。如何選擇有效應(yīng)力系數(shù),影響它的因素有哪些,是如何影響的,這些都是科學(xué)上困難的課題。20世紀(jì)90年代筆者團(tuán)隊(duì)曾采用實(shí)驗(yàn)方法,研究了氣煤、肥煤、瘦煤、焦煤、貧煤和無(wú)煙煤等各類煤有效應(yīng)力系數(shù)受體積應(yīng)力和孔隙壓的影響規(guī)律。并發(fā)現(xiàn)有效應(yīng)力系數(shù)隨體積應(yīng)力和孔隙壓力呈雙線性變化規(guī)律[8]:

式中,ai(i=1,2,3,4)為常數(shù);θ為總體積應(yīng)力。

2.2 THM 耦合作用下巖石滲透特征

圖1為高溫三軸應(yīng)力下,砂巖的滲透性演變規(guī)律,其中,Pg為氣體孔隙壓力。由圖1可知,砂巖在150 ℃之前,其滲透率非常小,與原始狀態(tài)無(wú)異,但當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃以后,其滲透率急劇升高,在200～250 ℃達(dá)到峰值區(qū)域,之后隨著溫度繼續(xù)升高,其滲透率反而下降,400 ℃達(dá)到了最低點(diǎn),在400～450 ℃一段,滲透率維持不變,但較原始狀態(tài)其滲透率依然高出10 倍左右。從450 ℃開始,隨著溫度繼續(xù)升高,滲透率又繼續(xù)升高,到600 ℃試驗(yàn)終止。滲透率這種變化規(guī)律,其本質(zhì)是由砂巖的熱破裂特征決定的。

2.3 THMC 耦合作用下煤的孔隙和滲流演變規(guī)律

利用600 ℃,20 MN 高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī),對(duì)不同三軸應(yīng)力和不同溫度條件下氣煤的滲透率與熱解特征進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)氣煤煤體滲透率在室溫至600 ℃內(nèi)隨溫度變化分為3 個(gè)特征階段(圖2)[9]:①室溫～300 ℃的低溫段,煤體的滲透率隨溫度的增加,呈現(xiàn)一種波動(dòng)狀態(tài),但波動(dòng)幅度很小,說明煤體在熱的作用下,內(nèi)部水分蒸發(fā),其孔隙裂隙大小,連通情況在不斷調(diào)整,但并無(wú)實(shí)質(zhì)性的變化;②300～400 ℃的中溫段,滲透率增加幅度較大,且呈指數(shù)規(guī)律增加,在400 ℃后近似成線性增加,這是煤體熱解過程中發(fā)生質(zhì)變的一個(gè)階段;③400～600 ℃高溫段,由于高溫作用,煤體發(fā)生了較為劇烈的熱解化學(xué)變化,產(chǎn)生大量的氣體和部分煤焦油,使煤體的孔隙體積增加,從而導(dǎo)致滲透率的快速增加。

圖1 永城長(zhǎng)石砂巖滲透率隨溫度的變化曲線[4]Fig.1 Permeability change with temperature of Yongcheng arkose[4]

圖2 不同熱解溫度下氣煤的滲透率演化規(guī)律(圍壓18.75 MPa,軸壓12.5 MPa)Fig.2 Gas coal permeability changing with pyrolysis temperature(confining pressure 18.75 MPa,axial pressure 12.5 MPa)

2.4 THMC 耦合作用下油頁(yè)巖孔隙與滲透演變規(guī)律

圖3為采用壓汞法測(cè)定的大慶和撫順油頁(yè)巖不同溫度時(shí)孔隙率變化曲線[10-11],大慶油頁(yè)巖測(cè)試溫度點(diǎn)相對(duì)稀疏,但基本可以看到,室溫～400 ℃,孔隙率僅略有增加,而400 ℃開始急劇增加,到500 ℃孔隙率達(dá)到約33%,說明油頁(yè)巖熱解的閾值溫度在400～500 ℃。撫順油頁(yè)巖測(cè)試溫度從300 ℃開始加密,間隔25 ℃測(cè)試一次,從孔隙率變化曲線可以清晰看到,其閾值溫度區(qū)間為400～425 ℃,425 ℃之后,撫順油頁(yè)巖孔隙率不再增加,僅呈波動(dòng)變化。

熱解的同時(shí),油頁(yè)巖滲透率也與孔隙率和裂隙數(shù)量呈同步變化,從室溫～350 ℃,撫順油頁(yè)巖由幾乎不滲透,非常緩慢地增加,滲透系數(shù)達(dá)到0.1 ×10-3cm/s。滲透性從400 ℃開始劇烈增加,450 ℃達(dá)到1.75×10-3cm/s,與350 ℃的滲透系數(shù)相比,增加17.5 倍,這正是油頁(yè)巖熱解滲透的閾值溫度區(qū)間。閾值溫度段之后,油頁(yè)巖滲透性隨溫度增加僅呈緩慢增加的趨勢(shì)(圖4)。

圖3 油頁(yè)巖熱解孔隙率隨溫度的變化曲線Fig.3 Process of oil shale pyrolysis,porosity along with the change of temperature

圖4 油頁(yè)巖滲透率隨溫度的變化曲線Fig.4 Oil shale permeability changing curve with the temperature

3 礦層原位改性的技術(shù)原理

礦層原位改性包括2 個(gè)重要的技術(shù)內(nèi)容,即礦物流體化和礦體多孔化。

礦體多孔化是在實(shí)施礦層中礦物的物理化學(xué)改性的同時(shí),使礦體性態(tài)同步發(fā)生的變化,這種變化包括2 個(gè)方面:①礦物被流體化以后,原礦物固體所占據(jù)的空間形成了孔隙與孔洞;②由于固體應(yīng)力變化、孔隙壓變化、物理與化學(xué)作用、熱作用,導(dǎo)致礦體產(chǎn)生各種破裂,形成大小不等形態(tài)各異的裂隙。上述2 種變化,產(chǎn)生2 個(gè)結(jié)果:①當(dāng)?shù)V體中礦物含量高或很高時(shí),比如50%以上時(shí),殘留的礦體不再構(gòu)成多孔骨架,而變成一些松散的不溶物沉積于開采區(qū)域的底部,使得原位改性流體化開采十分方便地持續(xù)進(jìn)行,如水溶開采氯化鈉礦層和純硫酸鈉礦層,以及煤地下氣化,把這類問題稱為無(wú)殘留骨架的原位改性流體化采礦問題;②當(dāng)?shù)V體中礦物含量低或較低,比如低于25%,殘留的礦體就構(gòu)成了孔隙裂隙多孔骨架,在科學(xué)層面將其簡(jiǎn)化為演變多孔介質(zhì),這種演變多孔介質(zhì)中流體的傳輸特性,決定了原位改性流體化采礦的持續(xù)進(jìn)行的難易程度,決定了開采工藝和各種具體的技術(shù)參數(shù),如鈾礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的鈾礦層采用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的原位溶浸開采,Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的鈣芒硝礦的原位溶解開采,含干餾油氣僅8%的油頁(yè)巖的原位熱解開采等,把這類問題稱為殘留骨架的原位改性流體化采礦問題。

3.1 原位改性流體化采礦可行性判據(jù)

逾滲是用概率論的理論與方法研究與表征一類隨機(jī)介質(zhì)由量變到質(zhì)變的臨界條件與臨界現(xiàn)象的物理與數(shù)學(xué)理論,從1957年提出至今50 余年中,逾滲在物理學(xué)、數(shù)學(xué)、自然、工程科學(xué)等極為廣泛的領(lǐng)域受到高度重視和應(yīng)用。逾滲(percolation)與滲流(seepage)有著本質(zhì)的區(qū)別。就多孔介質(zhì)理論而言,逾滲是研究多孔介質(zhì)由完全不滲透到滲透的臨界條件和臨界狀態(tài)的連通團(tuán)的結(jié)構(gòu)形狀及相關(guān)現(xiàn)象的科學(xué)。而滲流則是研究流體在滲透介質(zhì)中的流動(dòng)規(guī)律與現(xiàn)象的科學(xué)。

物理和數(shù)學(xué)科學(xué)中的逾滲僅研究點(diǎn)(又稱為座逾滲)的問題,很少研究線的逾滲問題。而孔隙和裂隙是巖土介質(zhì)不可忽視的兩大缺陷,在很多情況下,裂隙占有重要的地位。2007年,馮增朝和筆者等最早開展了孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲研究[12],亦即點(diǎn)線復(fù)合的逾滲科學(xué)問題,并由此形成了殘留骨架的原位改性流體化采礦可行性的判別理論。將礦體裂縫采用分形方法表述,裂隙分布采用初值N0和分形維數(shù)D表示,結(jié)合礦體孔隙率,通過大量的數(shù)值試驗(yàn)研究,獲得三維孔隙裂隙雙重介質(zhì)臨界逾滲公式[13]:

其中,N0為裂隙分布初值;D為裂隙分形維數(shù);npc 為三維單純孔隙介質(zhì)逾滲閾值,為0.311 6;n為孔隙率。根據(jù)式(3)即可得到不同條件下的逾滲閾值。當(dāng)f(n,N0,D)≥0 時(shí),孔隙裂隙雙重介質(zhì)不會(huì)發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變,原位改性流體化采礦方法不適用;當(dāng)f(n,N0,D)<0 時(shí),孔隙裂隙雙重介質(zhì)發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變,原位改性流體化采礦方法適用。

3.2 礦層壓裂改性、卸壓破裂改性技術(shù)原理

3.2.1 礦層壓裂改性原理

石油、天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣等許多流體礦藏開采中,由于儲(chǔ)層滲透率低,或儲(chǔ)層滲透性極不均勻,為了高效地開采這類流體礦產(chǎn)資源,工程界普遍采用了儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù),對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造。在幾十年的工程研究中,形成了水平鉆孔分段壓裂、脈沖壓裂、泡沫壓裂、樹枝狀壓裂等技術(shù)。礦層壓裂改性的定量衡量指標(biāo)就是礦層滲透率的提高,特別是礦層內(nèi)每個(gè)子單元的滲透率的普遍提高,才能真正提高礦層的產(chǎn)能。礦層壓裂改造在國(guó)內(nèi)外已有非常多的研究和工程,這些技術(shù)的可行性及其生命完全取決于其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,客觀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是支撐一個(gè)科學(xué)技術(shù)與工業(yè)盈虧的基礎(chǔ),它直接決定了該工藝與技術(shù)能否生存。

3.2.2 礦層卸壓破裂改性原理

1999年,筆者通過大量的三軸應(yīng)力作用下連續(xù)巖體與裂隙巖體的滲透系數(shù)變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)三軸應(yīng)力對(duì)巖體滲透性影響很大,其滲透系數(shù)隨體積應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減,即

式中,k為滲透率;a,b,c均為擬合系數(shù)。

特別是對(duì)那些彈性模量相對(duì)低的巖體影響更為顯著?；谶@些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,筆者開拓了卸壓改造低滲透煤層,強(qiáng)化煤層氣開采的新的技術(shù)方向[14]。持續(xù)研發(fā)水力割縫成套技術(shù)與裝備13 a 之久,形成了定型的水力割縫成套裝備和技術(shù),在許多煤礦使用。

3.3 熱破裂增透改性技術(shù)原理

巖石熱破裂在很多工程領(lǐng)域的技術(shù)環(huán)節(jié)中,有重要的作用,它使得巖體裂隙進(jìn)一步發(fā)育,形成了更好的孔隙裂隙通道,如注熱開采油氣。由于熱破裂的作用,巖石更加破碎,塊度進(jìn)一步減小,比表面積進(jìn)一步增加,更易于低成本達(dá)到實(shí)施工程的目的。

由于巖石的組成復(fù)雜,各種晶體顆粒熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、熔點(diǎn)差異很大,巖石表現(xiàn)出熱破裂發(fā)生的間斷性、多期性,但各種巖石的熱破裂還是相對(duì)集中在幾個(gè)溫度段。如細(xì)砂巖的熱破裂主要集中在180～230 ℃,以及500 ℃以上均十分活躍。魯灰花崗巖在400 ℃之前則有3 個(gè)大的熱破裂劇烈段[15],即125～175,250～275,340～375 ℃。從同步測(cè)定的各溫度段巖石滲透率可知,在巖石熱破裂的劇烈段,其滲透率均相應(yīng)呈現(xiàn)1 個(gè)峰值區(qū)間,在熱破裂平靜期,滲透率緩慢降低大約5 倍,此時(shí)巖石的滲透率較峰值滲透率降低,但卻維持了較高的滲透率水平。當(dāng)另一個(gè)熱破裂高峰出現(xiàn)時(shí),滲透率又增大,如此經(jīng)歷了一次又一次熱破裂的積累后,巖石的更加破裂,也同步伴隨著巖石滲透率愈來(lái)愈大。

3.4 礦層溶解改性技術(shù)原理

鈣芒硝礦的主要成分是Na2SO4·CaSO4的化合物及其他成分,其中硫酸鈉和硫酸鈣占70%左右,是一類重要的硫酸鈉礦床,硫酸鈉是一種重要的化工原料。鈣芒硝礦在天然狀態(tài)下是一種致密的,幾乎完全不滲透的鹽類礦床。可以通過水溶的辦法浸出鈣芒硝礦中的硫酸鈉,但它的溶解過程與純氯化鈉、純硫酸鈉礦床完全不同,區(qū)別是鈣芒硝礦的溶解始終存在一個(gè)殘留多孔骨架。其物理過程與物理機(jī)制為:當(dāng)鈣芒硝礦在水的作用下,使Na2SO4·CaSO4礦物發(fā)生水化反應(yīng),Na2SO4·CaSO4分離,Na2SO4生成Na2SO4·10H2O,完全溶于水,形成鹽溶液。同時(shí),CaSO4重新結(jié)晶形成CaSO4·2H2O 晶體,幾乎在原位與殘留的不溶物膠結(jié)形成新的多孔骨架或多孔介質(zhì)(圖5),其多孔骨架的性態(tài)直接決定了溶解過程中水的侵入和溶質(zhì)傳質(zhì)的進(jìn)行。溶解過程中,由溶解界面向外,殘留多孔骨架區(qū)可以劃分為3 個(gè)區(qū)域,即溶解與結(jié)晶發(fā)展區(qū)、結(jié)晶過渡區(qū)、結(jié)晶完成區(qū)。

圖5 鈣芒硝礦溶解過程的CT 剖面[16]Fig.5 CT image of glauberite at different dissolved time[16]

3.5 礦層熱解改性技術(shù)原理

3.5.1 油頁(yè)巖熱解改性技術(shù)原理

油頁(yè)巖是一種含豐富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖,天然狀態(tài)下是致密的、不滲透的,孔隙裂隙極少。有機(jī)質(zhì)以一種干絡(luò)根礦物的形式在微納米尺度較均勻地分布于油頁(yè)巖地層中,油頁(yè)巖地層中也同時(shí)含有極少量的其他多種金屬元素,這些特征因礦床成礦條件而有一定差異,但世界各地油頁(yè)巖的上述特征均沒有本質(zhì)的區(qū)別。

(1)油頁(yè)巖熱破裂特征。康志勤與筆者等采用太原理工大學(xué)μCT225kvFCB 型高精度CT 分析系統(tǒng),研究了大慶油頁(yè)巖從常溫加熱到600 ℃的過程中,熱破裂裂縫的孕育、發(fā)生和發(fā)展[10-11]。在室溫～300 ℃,因未達(dá)到油頁(yè)巖干絡(luò)根礦物的臨界熱解溫度,油頁(yè)巖不發(fā)生熱解反應(yīng)。但由于油頁(yè)巖的不均質(zhì)性,在100 ℃時(shí),可觀測(cè)到在油頁(yè)巖試樣中硬質(zhì)的石英礦物顆粒處有2 條微裂紋起裂,并擴(kuò)展形成了長(zhǎng)度3～4 mm 的裂紋。在200 ℃時(shí),形成了10 條裂紋,300 ℃時(shí)形成了15 條裂紋(圖6)。同步伴隨著油頁(yè)巖滲透率的增加,由室溫時(shí)的不滲透,至350 ℃時(shí),滲透率增加到1.75×10-18m2,這一大小的滲透率足以使得原位開采油頁(yè)巖時(shí)注入的載熱流體進(jìn)入礦層內(nèi)部,從而實(shí)施油頁(yè)巖熱解開采。

(2)油頁(yè)巖熱解孔隙裂隙演化規(guī)律。當(dāng)油頁(yè)巖加熱溫度達(dá)到臨界熱解溫度時(shí),油頁(yè)巖中的干絡(luò)根發(fā)生熱解反應(yīng),生成油氣。油頁(yè)巖固體骨架內(nèi)產(chǎn)生大量孔隙裂隙,新生孔隙裂隙的形成為油頁(yè)巖快速加熱熱解,特別是載熱流體的注入提供了通道,也為熱解產(chǎn)生的油氣排出提供了通道,這是油頁(yè)巖熱解過程中最積極、最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

康志勤和筆者通過研究發(fā)現(xiàn)[10-11]:300～400 ℃是油頁(yè)巖內(nèi)部裂隙數(shù)量急劇增加的溫度段,在該溫度段存在一個(gè)熱破裂閾值溫度。并通過高溫三軸應(yīng)力狀態(tài)下在線滲透性測(cè)量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)滲透率急劇變化發(fā)生在350～400 ℃。如撫順油頁(yè)巖350 ℃時(shí)的滲透率為1.75×10-18m2,400 ℃達(dá)到13×10-18m2,450 ℃上升到30×10-18m2。筆者團(tuán)隊(duì)在對(duì)油頁(yè)巖巖芯進(jìn)行過熱水蒸氣熱解試驗(yàn)中,也發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖熱解后層理裂隙劇烈發(fā)育,非常類似于野外長(zhǎng)期演化的情況?？傊?油頁(yè)巖熱解過程的試驗(yàn)結(jié)果清晰說明:油頁(yè)巖由于熱破裂與熱解作用,從細(xì)觀的微納米尺度到宏觀尺度均產(chǎn)生了大量孔隙與裂隙,并由不滲透介質(zhì)演變?yōu)闈B透性很好的介質(zhì),從而為油頁(yè)巖地面干餾與原位干餾的實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

圖6 不同溫度下油頁(yè)巖熱破裂CT 剖面[10]Fig.6 CT image of thermally cracked oil shale under different temperatures[10]

3.5.2 煤熱解改性技術(shù)原理

煤的熱解是指煤在隔絕空氣或惰性氣氛中持續(xù)加熱升溫且無(wú)催化作用的條件下發(fā)生的一系列化學(xué)和物理變化。煤在熱解過程中,揮發(fā)分不斷析出,煤的孔隙結(jié)構(gòu)不斷變化。筆者團(tuán)隊(duì)利用顯微CT 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng),進(jìn)行了大量室溫～600 ℃煤熱解過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的研究,以褐煤為例進(jìn)行說明。如圖7所示,從室溫～600 ℃熱解過程中,褐煤孔隙結(jié)構(gòu)變化具有明顯的階段性:①室溫～100 ℃為第1 階段,總比表面積增加,孔隙率增加,說明由于游離水的脫除,孔隙增加;②100～200 ℃為第2 階段,孔隙率與逾滲概率大幅增加,孔隙比表面積略有變化;③200～500 ℃為第3 階段,孔隙率緩慢增加,比表面積緩慢減少,其他參數(shù)幾乎沒有變化,該階段孔隙相互連通,孔隙率在400 ℃時(shí)已經(jīng)達(dá)到31.075%。根據(jù)逾滲理論可知,此時(shí)的煤體已經(jīng)完全滲透。另外,在400～500 ℃,CT 的平均衰減系數(shù)增加而總比表面積減少,說明在該溫度段內(nèi)有新物質(zhì)產(chǎn)生;④500～600 ℃為第4 階段,此階段內(nèi)只有總比表面積減少,其他參數(shù)都以較快的速度增加。

3.6 礦層改造開采井網(wǎng)建造方法

原位改性流體化采礦工程實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何通過若干地面鉆井,在待開采礦層中原位建造改性與開采通道,利于地面注入鉆井注入改造流體和生產(chǎn)井排采流體產(chǎn)物,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效開采的可靠控制。目前適用的技術(shù)分為2 種,即群井調(diào)控壓裂連通技術(shù)、定向井連通-水平井分段壓裂建造裂縫網(wǎng)技術(shù)。根據(jù)礦層賦存地質(zhì)條件及性態(tài)、地層應(yīng)力場(chǎng)特征,以及礦層原位改性的物理與化學(xué)反應(yīng)條件,兩種技術(shù)適用性各有優(yōu)劣,根據(jù)工程的要求進(jìn)行合理選擇。

(1)群井調(diào)控壓裂連通建造巨型水平裂縫網(wǎng)技術(shù)。許多重要的礦產(chǎn)資源賦存于巨厚的泥/頁(yè)巖類沉積巖地層中,如頁(yè)巖氣、油頁(yè)巖、油砂、部分鈾礦等放射性礦產(chǎn)、鹽類礦產(chǎn)等。利用沉積巖地層沿層理與垂直于層理抗拉強(qiáng)度的差異,采用群井調(diào)控壓裂建造水平裂縫的技術(shù),有效地在待開采礦層中建造出巨型沿層理的裂縫網(wǎng),從而低成本高效實(shí)施礦物的原位改性流體化開采工程。

圖7 褐煤在不同溫度下的孔隙裂隙結(jié)構(gòu)Fig.7 Pore and fissure structure of lignite at different temperatures

(2)定向井連通-水平井分段壓裂建造裂縫網(wǎng)技術(shù)。近20 a 來(lái),對(duì)接水平井技術(shù)被用來(lái)開采可溶性鹽礦。即地面相距幾百米的兩口或多口井在地下待開采礦層內(nèi)通過定向?qū)舆B通,進(jìn)而構(gòu)建礦層溶采通道,實(shí)現(xiàn)礦層的控制溶采。該技術(shù)基于油氣開采的定向鉆井技術(shù)。隨著大位移定向井技術(shù)的發(fā)展與完善,測(cè)量?jī)x器精度的提高以及定向井計(jì)算及設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展,可以精確實(shí)施和調(diào)控鉆入礦層的開采目標(biāo)層位和目標(biāo)井的對(duì)接方位,實(shí)施礦層的高效溶采。傳統(tǒng)的定向井、水平井技術(shù)開采效率低,回采率低,又發(fā)展了分支井及水平井分段壓裂技術(shù),這些在油氣開采中得到廣泛的應(yīng)用,尤其是在美國(guó)的頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油開采中得到廣泛應(yīng)用,且取得了很好的效果。但這種技術(shù)的致命缺點(diǎn)是工程施工難度大、施工周期長(zhǎng)、開采成本高。

4 原位改性流體化采礦理論——演變多孔介質(zhì)傳輸

4.1 殘留骨架的原位改性流體化采礦理論問題

一類固體礦物,例如:油頁(yè)巖、油砂、煤等,在常溫狀態(tài)是固體,采用原位加熱熱解開采的技術(shù),可將其中的礦物全部熱解采出,其殘留的固體部分仍然是完好的多孔骨架,熱解所產(chǎn)生的液態(tài)、氣態(tài)產(chǎn)物在熱解產(chǎn)生的孔隙和裂隙中傳輸,固體作為整體依然存在,僅表現(xiàn)在力學(xué)參數(shù)的變化。這類問題所遵循的各類規(guī)律依然是多孔介質(zhì)的質(zhì)量、動(dòng)量、熱量傳輸和變形,因此筆者將這類問題稱為殘留骨架的問題。

在殘留骨架問題的工程與科學(xué)分析中,必須考慮以下幾個(gè)方面:無(wú)論以何種方式加熱,始終存在傳導(dǎo)與對(duì)流2 種熱量傳輸方式,只不過是何種為主的問題;隨著固體中有用組分被熱解,要考慮相變潛熱和固體熱傳導(dǎo)系數(shù)的變化、固體性態(tài)的變化、固體力學(xué)參數(shù)的變化、滲透系數(shù)隨熱解的變化;流體中由于熱解產(chǎn)物的溶混與不溶混,還必須考慮多孔介質(zhì)中流體的性態(tài)與質(zhì)量變化;考慮隨溫度變化流體的相態(tài)轉(zhuǎn)變和對(duì)應(yīng)的控制方程的變化。

基于大量研究,筆者建立了殘留骨架的熱解改性采礦問題的熱-流-固耦合控制方程。式(5)～(8)為原位注水蒸汽開采油頁(yè)巖的熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型。其中,式(5),(6)分別為巖體變形控制方程和巖體熱傳導(dǎo)方程,式(7),(8)分別為氣體傳熱和氣體滲流方程。

式中,λ(T),μ(T)為固體彈性常數(shù);βT為熱膨脹系數(shù);α為有效應(yīng)力系數(shù);ρr和ρg分別為巖體和氣體密度;Cpr和Cpg分別為巖體和氣體的定壓比熱容;Tr和Tg分別為巖體和氣體的溫度;λr和λg分別為巖體和氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù);Uj,ji和Ui,jj均為位移張量;Fi為固體應(yīng)力張量;T,i為固體溫度張量;pg,i為孔隙壓力張量;Tr,ii和Tg,ii分別為巖石和氣體溫度張量;下角“,”為對(duì)方程組的求偏導(dǎo);ki為滲透張量;e為體積變形;Ws,Wg,W0分別為固體和氣體的熱源匯項(xiàng)和氣體質(zhì)量源匯項(xiàng)。

上述數(shù)學(xué)模型輔以必要的初始、邊界條件,就構(gòu)成了完整的殘留骨架的熱解改性開采的熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型。以上模型是非常復(fù)雜的非線性方程,而且其系數(shù)中也含有非線性項(xiàng),對(duì)于這樣復(fù)雜的微分方程,一般無(wú)法直接求得其解析解,只能采用數(shù)值方法求解,尋求其近似解。

4.2 無(wú)殘留骨架的原位改性流體化采礦理論問題

另一類固體礦物,如氯化鈉、硫酸鈉、硫酸鉀等,采用水或其他化學(xué)流體溶解礦物固體實(shí)施開采時(shí),除去極少量的不溶物以外,其余全部被溶解,變成化學(xué)溶液。這種情況下,礦體固體骨架完全被溶解掉,僅剩余少量不溶物殘留于通道底部。與無(wú)殘留骨架溶浸開采對(duì)比,煤的地下氣化是無(wú)殘留骨架高溫化學(xué)反應(yīng)開采的范例。此類問題統(tǒng)稱為無(wú)殘留骨架問題。考慮煤的地下氣化過程,若忽略由于應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致的氣化空間變形,乃至垮塌,則氣化空間的形狀與大小可以唯一看作受氣化反應(yīng)的控制,其氣化反應(yīng)的完整過程可以用對(duì)流傳熱、傳質(zhì)與質(zhì)量傳輸?shù)臒?流-化學(xué)耦合控制方程(9)描述。章夢(mèng)濤于1999年提出了該類問題的粗略數(shù)學(xué)模型。

式中,xi,xj分別為i和j方向的坐標(biāo);t為時(shí)間;ρ為流體密度;C為質(zhì)量濃度;Dij為擴(kuò)散系數(shù);CVw和Cpw為定容和定壓比熱;Tw為流體溫度;Vi,Vj分別為i和j方向的流體流速;λw為流體的熱傳導(dǎo)系數(shù);Is為固體煤和氧氣的化學(xué)反應(yīng)生成了新的氣體物質(zhì)的量;Id為新的氣體物質(zhì)的量;Q(x,y)為氧化反應(yīng)產(chǎn)生的新的熱量。

式(9)的第1 個(gè)方程主要描述析空區(qū)、燃燒區(qū)和松動(dòng)區(qū)的煤塊空隙與裂隙區(qū)域中流體的滲流傳輸;第2 個(gè)方程表示氣化空間中的自由空間中流體的流動(dòng)傳輸;第3 個(gè)方程表示不同氣體組分間氣體的質(zhì)量傳輸;第4 個(gè)方程表示氣化空間中熱量的傳輸。

事實(shí)上,上述反應(yīng)傳輸主要發(fā)生在氧化區(qū),當(dāng)氧氣消耗殆盡后,進(jìn)入還原區(qū),該區(qū)域中,隨著氣體的流動(dòng),溫度逐漸降低,而發(fā)生緩慢的還原反應(yīng),氣化空間在該區(qū)域中變化很小。干餾區(qū)主要是利用高溫氣體加熱氣化通道周圍的煤體,使其發(fā)生絕氧狀態(tài)的熱解,或稱干餾,部分干餾氣體通過滲流排入氣化通道而混入氣化氣中排到地面,作為氣體產(chǎn)品。無(wú)論是殘留骨架問題還是無(wú)殘留骨架問題,問題所描述的對(duì)象——礦體,是多孔介質(zhì)。在原位改性過程中該多孔介質(zhì)不斷發(fā)生變化,如殘留骨架問題中的油頁(yè)巖,隨著溫度不斷升高,油頁(yè)巖中的孔隙裂隙數(shù)量和尺寸都不斷增加,而不是一成不變。因此,多孔介質(zhì)在改性過程中不斷演變,該問題即是演變多孔介質(zhì)問題[16]。

5 工業(yè)與工程實(shí)踐

原位改性流體化采礦工程的系統(tǒng)組成包括:①地面鉆井形成開采井網(wǎng);②礦層溶解、熱解改性輸運(yùn)通道;③高壓流體注入系統(tǒng);④生產(chǎn)井控制排采系統(tǒng);⑤地面溶浸、熱解流體制備與發(fā)生系統(tǒng);⑥產(chǎn)物流體分離、萃取及高質(zhì)量礦物產(chǎn)品制備、儲(chǔ)存和銷售系統(tǒng);⑦產(chǎn)物流體熱能利用系統(tǒng)。根據(jù)具體工程對(duì)象,各子系統(tǒng)的具體內(nèi)涵有所區(qū)別,特別是子系統(tǒng)⑤⑥⑦差異較大,但大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相近的。

在演變多孔介質(zhì)傳輸理論指導(dǎo)下,研究構(gòu)思各類具體工程的原位改性流體化開采的新的技術(shù)原理,進(jìn)而發(fā)明新技術(shù)、新裝備、新工藝,并在工業(yè)與工程中實(shí)施,從而實(shí)現(xiàn)非常規(guī)資源能源的開發(fā),這些資源能源涵蓋了許多領(lǐng)域。因此,原位改性流體化采礦工業(yè)與工程覆蓋了眾多領(lǐng)域,各類工業(yè)與工程所依據(jù)的技術(shù)原理、技術(shù)、工業(yè)與工程現(xiàn)狀見表1。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

總結(jié)和深入分析原位改性流體化采礦的相關(guān)工業(yè)與工程的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況,可以大致給出各類工業(yè)與工程的現(xiàn)狀、問題與發(fā)展前景展望。干熱巖地?zé)衢_發(fā)從概念到工業(yè)實(shí)踐,經(jīng)歷40 余年的發(fā)展[23],逐漸形成了超深鉆井與人工儲(chǔ)層的水循環(huán)換熱開采系統(tǒng),人工儲(chǔ)層、天然裂縫與斷層儲(chǔ)層[24]的工業(yè)模式正在多國(guó)實(shí)際運(yùn)行,近巖漿囊地?zé)衢_發(fā)已在冰島實(shí)踐。近30 多年來(lái)全世界一直探尋油頁(yè)巖的原位開發(fā)技術(shù),并已形成了ICP,IMT 等幾項(xiàng)技術(shù),工業(yè)開發(fā)指日可待[24-26]。低滲透儲(chǔ)層煤層氣開發(fā)一直困擾著全世界的科學(xué)與技術(shù)界,各種原位增透技術(shù)、強(qiáng)化解吸技術(shù)在持續(xù)研發(fā)。鹽類礦床原位溶浸開采技術(shù)在純硫酸鈉、氯化鈉礦床廣泛使用,而難溶的鈣芒硝礦、光鹵石礦從井工開采變革為原位改性流體化開采還需時(shí)日。砂型鈾礦資源的原位溶浸開采經(jīng)歷60 余年的發(fā)展,在我國(guó)已有50%的工業(yè)分額,其他類型的鈾、鐳、釷等放射性礦產(chǎn)資源的原位溶浸開發(fā)技術(shù)還待深入研發(fā),其工業(yè)實(shí)踐的那天將會(huì)為人類提供大量的潔凈能源。優(yōu)質(zhì)的便于井工開采的銅、銀、金等貴金屬資源日益短缺,原位溶浸開采將為人類提供新的可開發(fā)的貴金屬資源與產(chǎn)品。但地面濕法冶金的實(shí)踐表明,貴金屬資源的原位溶浸開采還會(huì)經(jīng)歷漫長(zhǎng)歷程。天然氣水合物的開發(fā)是國(guó)際能源開發(fā)角逐的熱點(diǎn),缺乏封閉空間的深海原位開采的連續(xù)實(shí)施與可能誘發(fā)因水合物大面積釋放導(dǎo)致的災(zāi)難,一直困擾著國(guó)際科學(xué)與技術(shù)界。

表1 原位改性流體化采礦相關(guān)工業(yè)與工程的技術(shù)現(xiàn)狀Table 1 Current technical situation of in-situ modified mining by fluidization (IMMF)industry and engineering

在全新的科學(xué)理念指導(dǎo)下,構(gòu)建原位改性流體化采礦統(tǒng)一的科學(xué)與技術(shù)體系,進(jìn)而審視和指導(dǎo)改進(jìn)諸如鹽礦水溶開采、煤炭地下氣化傳統(tǒng)工業(yè)與工程,特別是推進(jìn)干熱巖地?zé)?、銅金鈾等金屬及放射性礦物溶浸開采、天然氣水合物開采、油頁(yè)巖開采等極為廣泛的新型的下一代非常規(guī)地質(zhì)資源能源開發(fā),無(wú)疑具有重大意義和重大作用。對(duì)人類賴以生存的地質(zhì)資源能源開發(fā),維系人類永續(xù)發(fā)展,無(wú)疑具有更深遠(yuǎn)的價(jià)值。