多因素綜合作用下鹵水鹽結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究

張傳達(dá),梁衛(wèi)國(guó),李 寧

(太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

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多因素綜合作用下鹵水鹽結(jié)晶實(shí)驗(yàn)研究

張傳達(dá),梁衛(wèi)國(guó),李 寧

(太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

針對(duì)鹽礦水溶開(kāi)采過(guò)程中鹽結(jié)晶析出附著在采鹵管道上，使采鹵效率降低或采鹵管堵塞的問(wèn)題,綜合考慮了鹵水溫度、鹽含量和流速等因素在開(kāi)采過(guò)程中的變化情況,根據(jù)相似模擬準(zhǔn)則,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建的物理模擬試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了多因素綜合作用下鹽結(jié)晶析出規(guī)律的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,由Na2SO4-NaCl-H2O三元水鹽體系相圖可知,Na2SO4質(zhì)量濃度最大為20 g/L時(shí),鹵水中只有NaCl結(jié)晶析出;多因素綜合作用下,影響鹽結(jié)晶的主要敏感因素為鹵水溫度和鹽含量;當(dāng)鹵水中各組分質(zhì)量濃度之和為318 g/L,溫度降為20 ℃時(shí),鹵水中才有結(jié)晶析出。本研究為鹽礦開(kāi)采預(yù)防結(jié)晶堵管提供一定的理論指導(dǎo)。

鹵水;鹽結(jié)晶;多因素;采鹵管堵塞

根據(jù)鹽類(lèi)礦物易溶于水的特性,對(duì)其開(kāi)發(fā)利用常運(yùn)用水溶開(kāi)采的方法。水溶開(kāi)采方法是將鹽類(lèi)礦床中的可溶性鹽類(lèi)礦物被水原位溶解,轉(zhuǎn)變成流動(dòng)狀態(tài)的鹵水,并通過(guò)采鹵管被輸送到地表。水溶開(kāi)采方法隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而革新改進(jìn)。目前，我國(guó)采用較多的有單井對(duì)流法、雙井壓裂連通法、定向?qū)舆B通法，以及組合連通法等方法[1-2]。在采鹵過(guò)程中,由于鹽結(jié)晶使采鹵管道堵塞,致使出鹵量減少或生產(chǎn)停頓,嚴(yán)重影響生產(chǎn)計(jì)劃和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)已有學(xué)者研究了鹽結(jié)晶井堵及解堵方法。李文魁等[3]指出，鹽結(jié)晶堵管的主要原因是出鹵鹽含量過(guò)高, 鹵水含膏量大。楊敏官等[4]針對(duì)管路結(jié)鹽的誘導(dǎo)期進(jìn)行了研究,結(jié)果表明，過(guò)飽和度是結(jié)鹽誘導(dǎo)期的主要影響因素。由于溶液過(guò)飽和度提高,管壁上結(jié)鹽成核速率增大,誘導(dǎo)期持續(xù)時(shí)間隨鹵水鹽含量升高而減短。鹽類(lèi)埋藏深度較大,水溶開(kāi)采時(shí)鹵水鹽含量近于飽和,當(dāng)鹵水水溫較高,鹵水上升至近地表時(shí),由于溫度降低,鹵水中的NaCl(或Na2SO4)就會(huì)結(jié)晶析出堵管[5-8]。許云[9]結(jié)合輸鹵泵內(nèi)部和輸送管道有結(jié)晶垢的情況,采樣先分析其成分；然后將自制的有機(jī)膦酸水溶液、聚天冬氨酸粉末按5∶1的摩爾比進(jìn)行配比,做成阻垢劑；按5 g/L的阻垢劑加入輸鹵系統(tǒng)后,除垢效果良好。羅安民等[10]對(duì)采鹵井鹵水結(jié)晶的原理進(jìn)行了探討,給出了預(yù)防鹽結(jié)晶的措施。到目前為止，利用模擬試驗(yàn)臺(tái)研究鹽結(jié)晶規(guī)律的文獻(xiàn)鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室搭建的物理模擬試驗(yàn)臺(tái)上研究多因素綜合作用下鹽結(jié)晶規(guī)律,為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防結(jié)晶堵管提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)采鹵管中鹵水流速v,根據(jù)v=Q/S可知,只要有現(xiàn)場(chǎng)出鹵量Q和采鹵管道橫截面面積S等參數(shù),就可知道v。因此,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采鹵工況進(jìn)行了調(diào)研。現(xiàn)場(chǎng)注水量為100 m3/h,由于注采比為0.97,則出鹵量Q為97 m3/h;地下采鹵管內(nèi)徑76 mm,地面采鹵管內(nèi)徑159 mm,則可計(jì)算出地下采鹵管截面面積為：

S=πr2=3.14×382=4 534mm2=0.004 534m2.

現(xiàn)場(chǎng)采鹵流速:v=Q/S=

97/(3 600×0.004 534)=5.94 m/s .

1.1.1 試驗(yàn)臺(tái)模型管徑及運(yùn)行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)相似模擬需要滿(mǎn)足以下3條相似率:幾何相似、動(dòng)力相似、運(yùn)動(dòng)相似。由相似理論可知:

幾何相似比xr=dm/dp;面積相似比yr=xr2;

式中:幾何相似比xr,面積相似比yr,速度相似比zr，流量相似比nr,均為無(wú)量綱量;dm為模型采鹵管內(nèi)徑,m;dp為現(xiàn)場(chǎng)采鹵管內(nèi)徑,m。

1) 幾何相似比xr=dm/dp.實(shí)驗(yàn)臺(tái)選取內(nèi)徑為40mm的有機(jī)玻璃管作為采鹵管,即dm=40mm；現(xiàn)場(chǎng)采鹵管管徑為76mm,則xr=dm/dp=40/76=0.53. 與現(xiàn)場(chǎng)地面管相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的管徑為:

dm=dp×xr=159×40/76=83.4 mm .

式中:Qm為模型流量,m3/h;Qp為現(xiàn)場(chǎng)流量,m3/h.

式中:vm為模型流速,m/s;vp為現(xiàn)場(chǎng)流速,m/s。

經(jīng)計(jì)算得出,模型中泵的排量為19.49 m3/h,有機(jī)玻璃管中鹵水流速為4.31 m/s。此時(shí),模型中的排量和流速分別符合由幾何相似推導(dǎo)出的流量相似和速度相似的關(guān)系式。

1.1.2 試驗(yàn)臺(tái)搭建及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

在實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并搭建了物理模擬試驗(yàn)平臺(tái),材質(zhì)為有機(jī)玻璃管,如圖1所示。有機(jī)玻璃管長(zhǎng)為20.5 m,壁厚為5 mm,管上布有12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)利用溫度計(jì)和水龍頭分別采集管中鹵水溫度及鹽含量。需要說(shuō)明的是,物理模擬試驗(yàn)臺(tái)分為水平放置和垂直放置,其中水平放置時(shí)有機(jī)玻璃管內(nèi)徑均為0.04 m,垂直放置時(shí)出鹵口段(最后一個(gè)彎管到出鹵口)換為內(nèi)徑為0.08 m的玻璃管。開(kāi)泵后,離心泵將鹵水池中的鹵水泵入有機(jī)玻璃管,鹵水經(jīng)玻璃管后回到鹵水池,如此反復(fù)循環(huán)直至試驗(yàn)停止。

圖1 鹵水結(jié)晶物理模擬試驗(yàn)臺(tái)示意圖(水平放置)Fig.1 Schematic diagram of physical simulation test-bed on brine crystallization (horizontal placement)

1.2 試驗(yàn)方法

一般而言,溫度和壓力對(duì)鹽類(lèi)礦物的溶解度均有影響，NaCl溶解度隨溫度的升高而增大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，埋深為1 700 m時(shí),鹵水由井底采出到地面的溫度區(qū)間10～55 ℃,對(duì)應(yīng)的NaCl溶解度為357.2～369.2 g/L[5];而壓力變化對(duì)NaCl的溶解度影響較小,由0 MPa的359.1 g/L，變?yōu)?5 MPa的362.2 g/L[5],溶解度變化了僅3.1 g/L,可以暫不考慮壓力對(duì)溶解度的影響。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配比NaCl和Na2SO4不同比例的鹵水,其中各組分配比質(zhì)量濃度分別為:

ρ(NaCl)=300.5,307.5,313.5,320g/L;

ρ(Na2SO4)=13,17.5g/L.

2 鹽結(jié)晶影響因素分析

2.1 流速對(duì)鹽結(jié)晶的影響分析

寶娣[11]研究了在不同結(jié)晶器中NaCl溶液結(jié)晶的流速范圍,指出玻璃、硬橡膠和硬聚氯乙烯塑料等作為結(jié)晶器(內(nèi)徑為10mm)時(shí),NaCl結(jié)晶時(shí)的流速范圍為3～12m/s。由于本實(shí)驗(yàn)中選用有機(jī)玻璃管作為鹵水管道,所以研究了318g/L(30 ℃時(shí)NaCl飽和質(zhì)量濃度)的NaCl溶液在不同溫度、不同流速下的鹽結(jié)晶動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(持續(xù)5min),如表1所示。

表1 NaCl溶液結(jié)晶實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在鹵水循環(huán)過(guò)程中,有機(jī)玻璃管壁上無(wú)鹽結(jié)晶現(xiàn)象,這主要是由于運(yùn)行過(guò)程中鹵水池與有機(jī)玻璃管中鹵水溫差較小,一般為0.5～1 ℃,鹵水并沒(méi)有被冷卻，達(dá)不到鹽結(jié)晶析出的條件。因此,鹵水溫差較小時(shí),改變流速對(duì)鹽結(jié)晶無(wú)影響。在隨后的試驗(yàn)中,當(dāng)鹵水循環(huán)一段時(shí)間后停止循環(huán),對(duì)靜態(tài)條件下采鹵管中鹵水的鹽結(jié)晶現(xiàn)象規(guī)律進(jìn)行研究。

2.2 鹵水鹽含量對(duì)鹽結(jié)晶的影響分析

利用Origin和相圖作圖原則[12-13],根據(jù)文獻(xiàn)[14]可以得到不同溫度下,NaCl-Na2SO4-H2O三元水鹽體系相圖,如圖2所示；鹵水溫度分別為10.2,15,20,25,30，50 ℃。其中：F點(diǎn)為NaCl、Na2SO4與兩個(gè)固相平衡的飽和溶液,兩鹽共飽和點(diǎn)；D點(diǎn)為Na2SO4-H2O二元體系中Na2SO4的溶解度；E點(diǎn)為NaCl-H2O二元體系中NaCl的溶解度；兩相平衡線(xiàn)DF為溶有NaCl的Na2SO4溶解度曲線(xiàn),EF為溶有Na2SO4的NaCl溶解度曲線(xiàn)。ADFE區(qū)域?yàn)閱蜗鄥^(qū),是NaCl和Na2SO4的不飽和溶液區(qū)；CEF區(qū)域?yàn)镹aCl結(jié)晶和飽和NaCl與Na2SO4溶液區(qū)；BCF為固體NaCl、固體Na2SO4與NaCl和Na2SO4的共飽和溶液區(qū)。圖2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)中,F點(diǎn)Na2SO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.39%,5.41%,7.36%,7.06%,6.68%,5.55%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鹵水鹽含量,當(dāng)取NaCl最小質(zhì)量濃度為290 g/L,Na2SO4最大質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí),可得到鹵水中Na2SO4的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.53%。由三元體系相圖可知,結(jié)晶區(qū)域?yàn)镃EF(1#),只有NaCl結(jié)晶析出。需要說(shuō)明的是,相圖中各區(qū)域的結(jié)晶成分如下:1#為NaCl;2#為Na2SO4·10H2O;3#為NaCl,Na2SO4·10H2O;4#為Na2SO4,Na2SO4·10H2O;5#為NaCl,Na2SO4;6#為Na2SO4。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鹵水中鹽含量,研究了NaCl、Na2SO4混合溶液在不同含量下，水平放置和垂直放置試驗(yàn)臺(tái)的鹽結(jié)晶規(guī)律,實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2、表3所示。

表2 水平放置試驗(yàn)臺(tái)混合溶液鹽結(jié)晶方案及結(jié)果

由表2可知,同一溫度下,鹵水中Na2SO4含量一定時(shí),NaCl質(zhì)量濃度越低,結(jié)晶量越少；且,307.5g/L的NaCl,17.5g/L的Na2SO4混合溶液的鹽結(jié)晶析出量隨溫度的升高而增多。

由表3可知,對(duì)于鹵水原溫度為30，45 ℃,靜置后管中鹵水溫度較高,范圍分別為29.5～30 ℃,33.5～39 ℃,管道中僅在試驗(yàn)臺(tái)下部細(xì)彎管處有沉積結(jié)晶析出,粗彎管及其他部位未見(jiàn)結(jié)晶析出。其中,鹵水溫度為45 ℃條件下NaCl質(zhì)量濃度為307.5g/L,Na2SO4質(zhì)量濃度為17.5g/L時(shí),鹵水靜置1 h后,鹵水溫度由45 ℃降為33.5 ℃,并無(wú)結(jié)晶析出。這是由于溫度對(duì)鹽結(jié)晶的影響較大,當(dāng)管道中鹵水溫度降低到20 ℃以下時(shí),鹵水變?yōu)檫^(guò)飽和溶液,進(jìn)而才有NaCl結(jié)晶析出。在隨后的溫度對(duì)鹽結(jié)晶的影響的研究中充分證明了這一關(guān)鍵溫度點(diǎn)。

圖2 NaCl-Na2SO4-H2O三元體系相圖Fig.2 Phase diagram of Na2SO4-NaCl-H2O ternary salt-water system

鹵 水溫度/℃ρ(NaCl)/(g·L-1)ρ(Na2SO4)/(g·L-1)鹽結(jié)晶寬/mm靜置時(shí)間/h靜置后管中鹵水溫度/℃密度/(kg·L-1)303075313．5320175175175850530119871205291198858052951198453075313．5320175175175010335119849410341198337805391198

由圖3可知,當(dāng)Na2SO4質(zhì)量濃度恒定為17.5 g/L時(shí),隨著NaCl質(zhì)量濃度的增大,混合溶液初始溫度的升高,當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度時(shí)，鹽結(jié)晶析出量越大。這是由于溫度降低后,過(guò)飽和NaCl溶液中NaCl析出結(jié)晶,其質(zhì)量濃度越高,析出量越大。

圖3 混合溶液中鹽結(jié)晶隨NaCl質(zhì)量濃度變化曲線(xiàn)Fig.3 Curve of crystallization with NaCl mass concentration in mixed solution

2.3 溫度對(duì)鹽結(jié)晶的影響分析

將鹵水池中鹵水分別加熱到45,50，55 ℃后,進(jìn)行鹵水循環(huán),靜置后觀察鹵水結(jié)晶現(xiàn)象。具體方案及結(jié)果如表4所示。

由表4可知,鹵水溫度為45,50，55 ℃,混合溶液中只有NaCl質(zhì)量濃度為300.5 g/L，Na2SO4質(zhì)量濃度為13 g/L時(shí),靜置管中無(wú)鹽結(jié)晶析出。靜置后,管中鹵水溫度降低到20 ℃以下后,變?yōu)檫^(guò)飽和NaCl溶液,此時(shí)有NaCl結(jié)晶析出。高溫鹵水經(jīng)過(guò)降溫,特別是50，55 ℃的鹵水經(jīng)過(guò)降溫至20 ℃后,變?yōu)檫^(guò)飽和溶液,更加容易鹽結(jié)晶析出,充分說(shuō)明了溫度起著關(guān)鍵性作用。當(dāng)Na2SO4質(zhì)量濃度為17.5g/L時(shí),NaCl大于300.5g/L就有NaCl結(jié)晶析出。因此,對(duì)于高溫鹵水,當(dāng)NaCl 和Na2SO4兩種溶質(zhì)的質(zhì)量濃度之和≥318 g/L時(shí),易于NaCl結(jié)晶的析出。

表4 垂直實(shí)驗(yàn)臺(tái)高溫下鹽結(jié)晶實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

3 結(jié)論

根據(jù)相似模擬準(zhǔn)則,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自行設(shè)計(jì)并搭建的物理模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了不同溫度、不同組分含量和不同流速條件下的NaCl和 Na2SO4混合溶液鹽結(jié)晶析出現(xiàn)象的研究,鹵水過(guò)飽和是鹽結(jié)晶析出的動(dòng)力,得出具體結(jié)論如下:

1) 在飽和溶液中,鹵水溫度不變的情況下,流速的改變不會(huì)對(duì)鹽結(jié)晶產(chǎn)生影響。

2) 由不同溫度條件下的Na2SO4-NaCl-H2O三元水鹽體系相圖可知,當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度大于290 g/L,Na2SO4最大質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí),NaCl和Na2SO4的混合溶液中只有NaCl結(jié)晶析出。

3) 多因素綜合作用下,影響鹽結(jié)晶的主要敏感因素為鹵水溫度和各組分含量;鹵水溫度越高,鹵水中各組分質(zhì)量濃度之和≥318 g/L時(shí),結(jié)晶更加容易析出。

4) 當(dāng)鹵水中各組分質(zhì)量濃度之和為318 g/L,高溫鹵水溫度降到20 ℃時(shí),鹵水變?yōu)檫^(guò)飽和溶液并析出結(jié)晶。隨時(shí)間推移,溫度降低,已有結(jié)晶為進(jìn)一步結(jié)晶的析出提供了場(chǎng)所,使結(jié)晶生長(zhǎng)。

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(編輯：龐富祥)

Study on Brine Crystallization under Multiple Factors

ZHANG Chuanda,LIANG Weiguo,LI Ning

(College of Mining Engineering,Key Laboratory of In-situ Property-improving Mining of Ministry of Education,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

According to the recovery efficiency reduction and pipe plugging due to crystallization during the solution mining process in salt mine, changes of temperature,concentration and flow velocity were comprehensively considered. Physical simulation experimental platform was built on the basis of similarity criteria of similar simulation in the laboratory. The laws of crystallization were investigated under the multiple factors including temperature,mass concentration and flow velocity on the physical simulation experimental platform. The experimental results show that only NaCl crystal forms according to the phase diagram of Na2SO4-NaCl-H2O ternary salt-water system when the maximum mass concentration of sodium sulfate is 20 g/L. Under the action of multiple factors, the main factors influencing the crystal are the temperature and concentration of brine. When the brine mass concentration of components is in the sum of 318 g/L, brine temperature is 20℃,crystal forms in brine.

brine;crystallization;multiple factors;pipe plugging

1007-9432(2016)04-0445-05

2016-02-29

國(guó)家杰出青年基金資助項(xiàng)目：原位溶浸采礦理論與技術(shù)(51225404)；“三晉學(xué)者”支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013)

張傳達(dá)(1985-)，男，山西陽(yáng)泉人，博士生，主要從事原位溶浸采礦及多場(chǎng)耦合作用理論研究，(E-mail)chuanda_zhang@163.com

梁衛(wèi)國(guó)，教授，博導(dǎo)，主要從事巖石力學(xué)與采礦工程方面的教學(xué)與研究工作，(E-mail)liangweiguo@tyut.edu.cn

TD 871.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.003