理论教育 层状盐岩溶腔储库原位溶浸建造理论与技术:高效实施方案

层状盐岩溶腔储库原位溶浸建造理论与技术:高效实施方案

时间:2023-08-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:“盐岩溶腔”一词已经说明是在盐岩之中,用溶浸方法进行特殊建造而成的腔体。溶浸采矿彻底改革了传统的采矿工艺,特别是地下原位溶浸采矿,彻底改变了传统地下坑道开采的工艺流程。不同的建造技术方法适用于不同的地质条件。但在层状盐岩矿床中建造大型溶腔储库,该方法具有其他单井与双井溶采法无法取代的优势。在原位溶浸采矿思想的启迪下,太原理工大学发展性地提出了原位改性采矿理论与技术。

层状盐岩溶腔储库原位溶浸建造理论与技术:高效实施方案

“盐岩溶腔”一词已经说明是在盐岩之中,用溶浸方法进行特殊建造而成的腔体。溶浸法是利用盐类矿物易溶于水或与某些化学溶液反应而发生物理或化学改性的特殊采矿方法,由于其生产成本低、技术简单,在盐岩矿床与金属矿床开采中常被采用。

溶浸采矿是根据某些矿物的物理化学特性,将工作剂注入矿层(堆),通过化学浸出、质量传递、热力和水动力等作用,将地下矿床或地表矿石中某些有用的矿物,从固态转化为液态或气态,然后回收,以达到低成本开采矿床的目的。在金属矿开采过程中,溶浸采矿方法包括地表堆浸法、原地浸出法和细菌化学采矿法等。

溶浸采矿彻底改革了传统的采矿工艺,特别是地下原位溶浸采矿,彻底改变了传统地下坑道开采的工艺流程。不仅集采矿、选矿、冶炼于一体,工艺流程简单化;而且残留废弃物留在地下原位,极大地减少了地表占地与环境污染,是一种极其先进的采矿方法。随着地表及浅部资源的逐渐枯竭,由于受高地应力与地温的影响制约,人类急需能探索深部资源的新的开采技术方法,原位溶浸采矿给予我们很大的启示。

原位溶浸采矿的理论基础包含两部分内容:其一,为矿物在水溶液或化学溶液中的溶解反应特性;其二,为以Fick扩散定理为基础的动力学原理,该理论基础回答了矿物静态溶浸的基本原理。但在地下大型溶腔溶浸建造过程中,腔体中流体的运移改变着溶液中溶质的传输与分布,进而影响腔体表面固体矿物的溶解;而固体矿物溶解本身又是一个能量交换的过程,加之环境地温的影响,建造过程中存在热量的交换与传递;而腔体中溶液温度的分布进一步影响着其表面矿物的溶解,矿物的溶解反过来再次影响溶质的扩散与对流,如此循环相互作用。显然,这是一个涉及流体运移、矿物溶解、溶质扩散对流、热量交换、固体变形的复杂固-流-热-传质(THMC)多场耦合作用过程,其作用理论也必然是在静态溶浸基本原理基础上的进一步拓展。

早在2012年,以多孔介质多场耦合作用为基础,赵阳升、梁卫国等建立了原位溶浸采矿理论架构,包括耦合作用本构规律、多场耦合作用控制方程、多孔介质多场耦合作用控制方程组的求解与数值模拟,以及依据耦合理论求解方法而实施的工程方案制定及复杂规律的研究,并建立了由固体变形控制方程、多孔介质中多相多组分流体动量方程、传质与传热学控制方程,以及耦合控制方程所组成的原位溶浸采矿多场耦合数学模型[如式(1-1)所示],进行了大量工程模拟工作。(www.daowen.com)

该模型中,最后一项公式表示腔体中盐岩溶解速率为溶液浓度、温度及时间的函数,这些数据可通过试验获得;而由于溶解发生的固体变形需要在固体变形方程中计入。与此同时,流体运移与腔体形状及注入产出边界条件有关,而溶质扩散则与流体运移(对流)密切相关,温度方程中的常数项Q与地温及盐岩溶解质量或溶解速率有一定联系,这需要由试验或查找相关手册获得。该耦合数学模型求解的难点在于,根据溶腔的单井或双井等不同建造方法,盐岩溶腔初始形状给定后,由于盐岩的溶解,腔体边界随时间与溶解的进行而不断演变,其动态演化直接导致流场的变化,进而影响盐岩溶解及溶腔的再次发展演化。因此,在数值模拟中必须解决腔体边界动态移动的问题,这也是盐岩矿床溶浸开采多场耦合数学模型及其求解与其他耦合模型最大的区别与困难之处。

地下盐岩矿床水溶开采或溶腔建造技术方法,根据生产井的数量与连通方式,分为单井正循环对流法、单井反循环对流法、双井定向对接连通对流法、双井水压致裂连通对流法及群井致裂控制溶采法。

不同的建造技术方法适用于不同的地质条件。其中单井法适用于矿层厚度比较大的矿床,且根据生产运行的不同时期,需选择性采用正循环或反循环对流法。如为加快进度,在建腔初期一般采用正循环对流;而为提高产卤浓度,在生产中后期一般采用反循环对流。而对于矿层厚度相对较薄的矿床,为延长生产井寿命并提高其生产效率,一般宜采用双井或群井压裂连通控制溶采法。定向对接连通技术源于石油工程,该技术具有连通距离可调控、初期生产出卤浓度高、造腔速度快等优点;但存在长距离定向精准对接控制技术难、矿床水平展布不稳定影响钻井与均匀溶解等问题。但在层状盐岩矿床中建造大型溶腔储库,该方法具有其他单井与双井溶采法无法取代的优势。太原理工大学先后发明并获得了“盐岩矿床水平峒室型油气储库及其建造方法(CN100392209C)”专利和“一种水平盐岩溶腔储库的建造方法(CN104675433B)”专利,这两个专利均基于我国层状盐岩矿床盐层厚度薄、夹层多的地质特征,提出了适合于此类地质特征的大型水平储库建造方法。该技术思路受到国际著名盐岩力学专家、加拿大滑铁卢大学Maurice B.Dusseault教授的认可,并被应用于由其主持的加拿大安大略省地下盐岩矿床CAES(Compressed Air Energy Storage)项目。但是,在层状盐岩矿床中,利用定向对接连通技术建造大型水平油气储库,具体建造工艺、洞室直径与顶底板距离、顶底板夹层及界面的长期稳定性等均需要进行深入研究。

在原位溶浸采矿思想的启迪下,太原理工大学发展性地提出了原位改性采矿理论与技术。原位改性采矿是指以多场耦合作用的多孔介质传输理论为基础,借助相关领域科学技术,对矿产资源进行原位物理、化学与力学特性的改造,从而实现地下矿产资源与能源(包括伴生资源)的安全、高效、绿色开采与利用,对易溶或难溶盐类矿床、金属矿床、煤与煤层气等地下矿物的开采都可应用,这是对溶浸采矿的发展与创新,同时也为未来深部资源的开采提供了新的方法与技术思路。

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