原位改性流體化采礦科學、技術與工程

趙陽升梁衛國馮子軍馮增朝楊 棟

(1.太原理工大學 礦業工程學院,山西 太原 030024;2.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室,山西 太原 030024)

原位改性流體化采礦是指在原位對礦體進行物理、化學性態改造,實施礦物的流體化開采的一種新型采礦方法[1],它是與傳統固體礦床井工開采、流體礦床鉆井抽采方法并列的一類地質資源與能源開采的方法。

伴隨著社會高速持續發展,人類賴以生存與發展的煤炭、石油、天然氣、金屬、非金屬礦產等常規地質資源與能源因大規模開發而日益短缺,或易開發且優質的高能量密度資源大幅減少,迫切需要開發新型的、非常規的、深層的地質資源與能源,如干熱巖地熱、油頁巖、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、或以熱能形式、或以吸附態形式賦存,埋藏深度大,能量密度低,難以采用傳統方法有效開采。原位改性流體化采礦方法就是伴隨著這類新型的、非常規的地質資源與能源開發而提出與發展的。

原位改性流體化采礦的雛形最早可追溯到1 400多年前的中國和歐洲進行的鹽礦水溶開采。20世紀20年代,前蘇聯開始煤炭地下氣化。20世紀60年代我國和美國開始了銅礦、鈾礦的原位溶浸開采。20世紀80年代,美國進行了干熱巖地熱開采等等。自20世紀80年代后期起,章夢濤最早關注這一具有重大應用前景的科學問題[2],在章夢濤先生指導下,筆者團隊最先系統地開展了原位改性流體化采礦的基礎研究,即演變多孔介質固流熱化學耦合方面的試驗與理論研究[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年太原理工大學礦業工程學科申報并獲批原位改性采礦教育部重點實驗室,2018年國家油頁巖注熱開采研發中心落戶太原理工大學。自2000年起,筆者團隊廣泛深入地進行了鹽礦水溶開采、低滲透煤層煤層氣改性開采、油頁巖原位熱解開采、干熱巖地熱開采、天然氣水合物開采等領域的科學與工程研究,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國家技術發明二等獎。針對深部煤炭資源開采難題,謝和平院士提出了“煤炭資源流態化開采的構想”[6]。

原位改性流體化采礦所涉及的工程領域眾多,但它們均具有共同的科學,即變形-滲流-傳熱傳質-化學耦合作用的演變多孔介質傳輸,伴隨著科學研究的深入,發明了系列方法與技術,帶動了廣泛的工業與工程發展。

1 原位改性流體化采礦概念的內涵

原位改性流體化采礦這一全新的采礦方法概念,包含了豐富的內涵。

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

(2)物理、化學方法改造礦體與礦物。如為了開采干熱巖體中的地熱能,采用多種方法在干熱巖儲層中建造人工儲留層,或利用天然的裂縫與斷層,通過注水換熱的方式,將巖體中的熱轉移給水攜帶到地面,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,我國和美國等國家采用溶浸采礦方法開采的鈾產量已占總產量的一半以上,其關鍵開采步驟就是采用原位注入強酸或強堿,通過化學反應使鈾礦物變成流體鈾化合物,排采到地面后經過濕法冶金方法精練出純鈾礦物,這就是一個典型的化學改性的例子。

(3)改造礦體與礦物的物理、化學性態。包含3個方面的內涵:①礦物流體化。固體礦床開采最大的難點是礦石的輸運,因為固體礦石無法采用連續方式輸運,即使采用膠帶或機械式搬運仍然效率低下,工序復雜。因此,礦物流體化是實現固體礦物高效輸運的前提。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,而其他礦體部分仍然維持固態,滯留于地下原位,可實現潔凈開采。如固體鹽礦通過水溶的方式,轉化為鹽的水溶液,可實現高效開采和輸運;又如煤炭地下氣化是通過地下煤的氧化還原反應,使煤燃燒生成氣體,實現固體煤炭的開采和輸運。②礦物提質改性。有許多礦物在自然狀態時,其品質較差,通過原位改性流體化采礦方法可在地下原位同步實現礦物的提質改性,提高礦物品質。如油頁巖中的有機礦物干絡根,在自然狀態下,是一種未成熟的固態成油礦物,通過高溫絕氧干餾的化學反應,使其變成液態的油和烴類氣體,這就是提質改性的過程;又如筆者團隊對褐煤采用高溫蒸汽絕氧熱解,可以脫除褐煤中的結晶水和揮發分,450 ℃以上的高溫蒸汽還可以使褐煤變成焦煤、貧瘦煤,甚至無煙煤,這是對低變質煤的提質改性過程。③礦體多孔化。礦體物理化學改造中,同步使礦體產生大量的空洞、孔隙、裂隙、裂縫,為流體化的礦物連續輸運采出提供傳輸通道,這也是該方法的重要內涵。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、油頁巖礦、鈾礦、銅礦等,當用物理化學方法把礦物變成流體時,形成的孔隙、裂隙和裂縫空間較小,這些孔隙、裂隙構成的通道的連通性和導流能力,就成為該方法實施成敗的關鍵。

(4)礦物流體化開采。當礦體與礦物被改造后,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,從生產井排采到地面。而流體化改造的物理化學劑可以源源不斷地輸入到地下礦層,經過已開采區域,流體化開采未開采區域的礦物。

2 固-流-熱-化學耦合作用下礦體特性演變規律

原位改性流體化采礦在科學層面的一個主要研究內容就是礦體固體在溫度(T)、應力(M)、滲流(H)及化學耦合(C)作用下,固體骨架的變形、強度、滲流、傳熱傳質等特性的演化規律,和固體破裂、孔隙裂隙發生發展的演化規律,以及固-流-熱-化學耦合作用下物理化學反應產物的性態演變及相關規律。這是一個多因素同時耦合作用的動態演變過程,該過程和相關規律,必須采用同步在線的實驗儀器和實驗方法方可研究與揭示。這是目前國際學術界的熱門課題,也是十分艱難的課題,而所需要的試驗設備在當時,乃至今天也幾乎沒有。筆者團隊30 多年來攻克相關技術難題,研制了系列實驗設備,代表性設備有:600 ℃,20 MN 高溫高壓巖體三軸試驗機[7]、流體傳壓高溫高壓三軸THMC 耦合作用試驗機、液體傳壓高溫真三軸試驗機、高精度顯微CT 試驗機、高溫三軸-CT 在線微型三軸試驗機[1],以此為基礎,發現了系列的礦巖原位改性的新規律。

2.1 有效應力原理

1923年,TERZAGHI 在研究飽和土的固結、水與土壤相互作用的基礎上,提出了著名的有效應力原理,奠定了土力學的基礎。1941年,Biot 在三維固結情況下,發展了TERZAGHI 有效應力原理,即

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

工程巖土介質一般為孔隙和裂隙的雙重介質,被化學流體如甲烷、二氧化碳、石油等浸透,并受很多因素的影響。如何選擇有效應力系數,影響它的因素有哪些,是如何影響的,這些都是科學上困難的課題。20世紀90年代筆者團隊曾采用實驗方法,研究了氣煤、肥煤、瘦煤、焦煤、貧煤和無煙煤等各類煤有效應力系數受體積應力和孔隙壓的影響規律。并發現有效應力系數隨體積應力和孔隙壓力呈雙線性變化規律[8]:

式中,ai(i=1,2,3,4)為常數;θ為總體積應力。

2.2 THM 耦合作用下巖石滲透特征

圖1為高溫三軸應力下,砂巖的滲透性演變規律,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,與原始狀態無異,但當溫度達到150 ℃以后,其滲透率急劇升高,在200～250 ℃達到峰值區域,之后隨著溫度繼續升高,其滲透率反而下降,400 ℃達到了最低點,在400～450 ℃一段,滲透率維持不變,但較原始狀態其滲透率依然高出10 倍左右。從450 ℃開始,隨著溫度繼續升高,滲透率又繼續升高,到600 ℃試驗終止。滲透率這種變化規律,其本質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律

利用600 ℃,20 MN 高溫高壓巖體三軸試驗機,對不同三軸應力和不同溫度條件下氣煤的滲透率與熱解特征進行測量,發現氣煤煤體滲透率在室溫至600 ℃內隨溫度變化分為3 個特征階段(圖2)[9]:①室溫～300 ℃的低溫段,煤體的滲透率隨溫度的增加,呈現一種波動狀態,但波動幅度很小,說明煤體在熱的作用下,內部水分蒸發,其孔隙裂隙大小,連通情況在不斷調整,但并無實質性的變化;②300～400 ℃的中溫段,滲透率增加幅度較大,且呈指數規律增加,在400 ℃后近似成線性增加,這是煤體熱解過程中發生質變的一個階段;③400～600 ℃高溫段,由于高溫作用,煤體發生了較為劇烈的熱解化學變化,產生大量的氣體和部分煤焦油,使煤體的孔隙體積增加,從而導致滲透率的快速增加。

圖1 永城長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 耦合作用下油頁巖孔隙與滲透演變規律

圖3為采用壓汞法測定的大慶和撫順油頁巖不同溫度時孔隙率變化曲線[10-11],大慶油頁巖測試溫度點相對稀疏,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 ℃孔隙率達到約33%,說明油頁巖熱解的閾值溫度在400～500 ℃。撫順油頁巖測試溫度從300 ℃開始加密,間隔25 ℃測試一次,從孔隙率變化曲線可以清晰看到,其閾值溫度區間為400～425 ℃,425 ℃之后,撫順油頁巖孔隙率不再增加,僅呈波動變化。

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

圖3 油頁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原理

礦層原位改性包括2 個重要的技術內容,即礦物流體化和礦體多孔化。

礦體多孔化是在實施礦層中礦物的物理化學改性的同時,使礦體性態同步發生的變化,這種變化包括2 個方面:①礦物被流體化以后,原礦物固體所占據的空間形成了孔隙與孔洞;②由于固體應力變化、孔隙壓變化、物理與化學作用、熱作用,導致礦體產生各種破裂,形成大小不等形態各異的裂隙。上述2 種變化,產生2 個結果:①當礦體中礦物含量高或很高時,比如50%以上時,殘留的礦體不再構成多孔骨架,而變成一些松散的不溶物沉積于開采區域的底部,使得原位改性流體化開采十分方便地持續進行,如水溶開采氯化鈉礦層和純硫酸鈉礦層,以及煤地下氣化,把這類問題稱為無殘留骨架的原位改性流體化采礦問題;②當礦體中礦物含量低或較低,比如低于25%,殘留的礦體就構成了孔隙裂隙多孔骨架,在科學層面將其簡化為演變多孔介質,這種演變多孔介質中流體的傳輸特性,決定了原位改性流體化采礦的持續進行的難易程度,決定了開采工藝和各種具體的技術參數,如鈾礦物質量分數0.05%的鈾礦層采用強酸或強堿的原位溶浸開采,Na2SO4質量分數30%的鈣芒硝礦的原位溶解開采,含干餾油氣僅8%的油頁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

逾滲是用概率論的理論與方法研究與表征一類隨機介質由量變到質變的臨界條件與臨界現象的物理與數學理論,從1957年提出至今50 余年中,逾滲在物理學、數學、自然、工程科學等極為廣泛的領域受到高度重視和應用。逾滲(percolation)與滲流(seepage)有著本質的區別。就多孔介質理論而言,逾滲是研究多孔介質由完全不滲透到滲透的臨界條件和臨界狀態的連通團的結構形狀及相關現象的科學。而滲流則是研究流體在滲透介質中的流動規律與現象的科學。

物理和數學科學中的逾滲僅研究點(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的逾滲研究[12],亦即點線復合的逾滲科學問題,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D表示,結合礦體孔隙率,通過大量的數值試驗研究,獲得三維孔隙裂隙雙重介質臨界逾滲公式[13]:

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

3.2 礦層壓裂改性、卸壓破裂改性技術原理

3.2.1 礦層壓裂改性原理

石油、天然氣、煤層氣、頁巖氣等許多流體礦藏開采中,由于儲層滲透率低,或儲層滲透性極不均勻,為了高效地開采這類流體礦產資源,工程界普遍采用了儲層壓裂改造技術,對儲層進行改造。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。礦層壓裂改性的定量衡量指標就是礦層滲透率的提高,特別是礦層內每個子單元的滲透率的普遍提高,才能真正提高礦層的產能。礦層壓裂改造在國內外已有非常多的研究和工程,這些技術的可行性及其生命完全取決于其技術經濟性,客觀的技術經濟指標是支撐一個科學技術與工業盈虧的基礎,它直接決定了該工藝與技術能否生存。

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力作用下連續巖體與裂隙巖體的滲透系數變化規律的實驗研究,發現三軸應力對巖體滲透性影響很大,其滲透系數隨體積應力呈負指數規律衰減,即

式中,k為滲透率;a,b,c均為擬合系數。

特別是對那些彈性模量相對低的巖體影響更為顯著。基于這些實驗結果,筆者開拓了卸壓改造低滲透煤層,強化煤層氣開采的新的技術方向[14]。持續研發水力割縫成套技術與裝備13 a 之久,形成了定型的水力割縫成套裝備和技術,在許多煤礦使用。

3.3 熱破裂增透改性技術原理

巖石熱破裂在很多工程領域的技術環節中,有重要的作用,它使得巖體裂隙進一步發育,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,塊度進一步減小,比表面積進一步增加,更易于低成本達到實施工程的目的。

由于巖石的組成復雜,各種晶體顆粒熱膨脹系數、強度、熔點差異很大,巖石表現出熱破裂發生的間斷性、多期性,但各種巖石的熱破裂還是相對集中在幾個溫度段。如細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 個大的熱破裂劇烈段[15],即125～175,250～275,340～375 ℃。從同步測定的各溫度段巖石滲透率可知,在巖石熱破裂的劇烈段,其滲透率均相應呈現1 個峰值區間,在熱破裂平靜期,滲透率緩慢降低大約5 倍,此時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。當另一個熱破裂高峰出現時,滲透率又增大,如此經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愈大。

3.4 礦層溶解改性技術原理

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,區別是鈣芒硝礦的溶解始終存在一個殘留多孔骨架。其物理過程與物理機制為:當鈣芒硝礦在水的作用下,使Na2SO4·CaSO4礦物發生水化反應,Na2SO4·CaSO4分離,Na2SO4生成Na2SO4·10H2O,完全溶于水,形成鹽溶液。同時,CaSO4重新結晶形成CaSO4·2H2O 晶體,幾乎在原位與殘留的不溶物膠結形成新的多孔骨架或多孔介質(圖5),其多孔骨架的性態直接決定了溶解過程中水的侵入和溶質傳質的進行。溶解過程中,由溶解界面向外,殘留多孔骨架區可以劃分為3 個區域,即溶解與結晶發展區、結晶過渡區、結晶完成區。

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 礦層熱解改性技術原理

3.5.1 油頁巖熱解改性技術原理

油頁巖是一種含豐富有機質的頁巖,天然狀態下是致密的、不滲透的,孔隙裂隙極少。有機質以一種干絡根礦物的形式在微納米尺度較均勻地分布于油頁巖地層中,油頁巖地層中也同時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,但世界各地油頁巖的上述特征均沒有本質的區別。

(1)油頁巖熱破裂特征。康志勤與筆者等采用太原理工大學μCT225kvFCB 型高精度CT 分析系統,研究了大慶油頁巖從常溫加熱到600 ℃的過程中,熱破裂裂縫的孕育、發生和發展[10-11]。在室溫～300 ℃,因未達到油頁巖干絡根礦物的臨界熱解溫度,油頁巖不發生熱解反應。但由于油頁巖的不均質性,在100 ℃時,可觀測到在油頁巖試樣中硬質的石英礦物顆粒處有2 條微裂紋起裂,并擴展形成了長度3～4 mm 的裂紋。在200 ℃時,形成了10 條裂紋,300 ℃時形成了15 條裂紋(圖6)。同步伴隨著油頁巖滲透率的增加,由室溫時的不滲透,至350 ℃時,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巖時注入的載熱流體進入礦層內部,從而實施油頁巖熱解開采。

(2)油頁巖熱解孔隙裂隙演化規律。當油頁巖加熱溫度達到臨界熱解溫度時,油頁巖中的干絡根發生熱解反應,生成油氣。油頁巖固體骨架內產生大量孔隙裂隙,新生孔隙裂隙的形成為油頁巖快速加熱熱解,特別是載熱流體的注入提供了通道,也為熱解產生的油氣排出提供了通道,這是油頁巖熱解過程中最積極、最重要的一個環節。

康志勤和筆者通過研究發現[10-11]:300～400 ℃是油頁巖內部裂隙數量急劇增加的溫度段,在該溫度段存在一個熱破裂閾值溫度。并通過高溫三軸應力狀態下在線滲透性測量實驗,發現滲透率急劇變化發生在350～400 ℃。如撫順油頁巖350 ℃時的滲透率為1.75×10-18m2,400 ℃達到13×10-18m2,450 ℃上升到30×10-18m2。筆者團隊在對油頁巖巖芯進行過熱水蒸氣熱解試驗中,也發現油頁巖熱解后層理裂隙劇烈發育,非常類似于野外長期演化的情況。總之,油頁巖熱解過程的試驗結果清晰說明:油頁巖由于熱破裂與熱解作用,從細觀的微納米尺度到宏觀尺度均產生了大量孔隙與裂隙,并由不滲透介質演變為滲透性很好的介質,從而為油頁巖地面干餾與原位干餾的實施提供了科學依據與技術支撐。

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

3.5.2 煤熱解改性技術原理

煤的熱解是指煤在隔絕空氣或惰性氣氛中持續加熱升溫且無催化作用的條件下發生的一系列化學和物理變化。煤在熱解過程中,揮發分不斷析出,煤的孔隙結構不斷變化。筆者團隊利用顯微CT 試驗機系統,進行了大量室溫～600 ℃煤熱解過程中細觀結構演化的研究,以褐煤為例進行說明。如圖7所示,從室溫～600 ℃熱解過程中,褐煤孔隙結構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,其他參數幾乎沒有變化,該階段孔隙相互連通,孔隙率在400 ℃時已經達到31.075%。根據逾滲理論可知,此時的煤體已經完全滲透。另外,在400～500 ℃,CT 的平均衰減系數增加而總比表面積減少,說明在該溫度段內有新物質產生;④500～600 ℃為第4 階段,此階段內只有總比表面積減少,其他參數都以較快的速度增加。

3.6 礦層改造開采井網建造方法

原位改性流體化采礦工程實施的關鍵技術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井排采流體產物,進而實現高效開采的可靠控制。目前適用的技術分為2 種,即群井調控壓裂連通技術、定向井連通-水平井分段壓裂建造裂縫網技術。根據礦層賦存地質條件及性態、地層應力場特征,以及礦層原位改性的物理與化學反應條件,兩種技術適用性各有優劣,根據工程的要求進行合理選擇。

(1)群井調控壓裂連通建造巨型水平裂縫網技術。許多重要的礦產資源賦存于巨厚的泥/頁巖類沉積巖地層中,如頁巖氣、油頁巖、油砂、部分鈾礦等放射性礦產、鹽類礦產等。利用沉積巖地層沿層理與垂直于層理抗拉強度的差異,采用群井調控壓裂建造水平裂縫的技術,有效地在待開采礦層中建造出巨型沿層理的裂縫網,從而低成本高效實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構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技術。近20 a 來,對接水平井技術被用來開采可溶性鹽礦。即地面相距幾百米的兩口或多口井在地下待開采礦層內通過定向對接連通,進而構建礦層溶采通道,實現礦層的控制溶采。該技術基于油氣開采的定向鉆井技術。隨著大位移定向井技術的發展與完善,測量儀器精度的提高以及定向井計算及設計軟件的發展,可以精確實施和調控鉆入礦層的開采目標層位和目標井的對接方位,實施礦層的高效溶采。傳統的定向井、水平井技術開采效率低,回采率低,又發展了分支井及水平井分段壓裂技術,這些在油氣開采中得到廣泛的應用,尤其是在美國的頁巖氣和頁巖油開采中得到廣泛應用,且取得了很好的效果。但這種技術的致命缺點是工程施工難度大、施工周期長、開采成本高。

4 原位改性流體化采礦理論——演變多孔介質傳輸

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:油頁巖、油砂、煤等,在常溫狀態是固體,采用原位加熱熱解開采的技術,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,熱解所產生的液態、氣態產物在熱解產生的孔隙和裂隙中傳輸,固體作為整體依然存在,僅表現在力學參數的變化。這類問題所遵循的各類規律依然是多孔介質的質量、動量、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分析中,必須考慮以下幾個方面:無論以何種方式加熱,始終存在傳導與對流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系數的變化、固體性態的變化、固體力學參數的變化、滲透系數隨熱解的變化;流體中由于熱解產物的溶混與不溶混,還必須考慮多孔介質中流體的性態與質量變化;考慮隨溫度變化流體的相態轉變和對應的控制方程的變化。

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巖的熱-流-固耦合數學模型。其中,式(5),(6)分別為巖體變形控制方程和巖體熱傳導方程,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;βT為熱膨脹系數;α為有效應力系數;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系數;Uj,ji和Ui,jj均為位移張量;Fi為固體應力張量;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“,”為對方程組的求偏導;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和氣體質量源匯項。

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

4.2 無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,采用水或其他化學流體溶解礦物固體實施開采時,除去極少量的不溶物以外,其余全部被溶解,變成化學溶液。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。與無殘留骨架溶浸開采對比,煤的地下氣化是無殘留骨架高溫化學反應開采的范例。此類問題統稱為無殘留骨架問題。考慮煤的地下氣化過程,若忽略由于應力場導致的氣化空間變形,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的控制,其氣化反應的完整過程可以用對流傳熱、傳質與質量傳輸的熱-流-化學耦合控制方程(9)描述。章夢濤于1999年提出了該類問題的粗略數學模型。

式中,xi,xj分別為i和j方向的坐標;t為時間;ρ為流體密度;C為質量濃度;Dij為擴散系數;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為流體的熱傳導系數;Is為固體煤和氧氣的化學反應生成了新的氣體物質的量;Id為新的氣體物質的量;Q(x,y)為氧化反應產生的新的熱量。

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

事實上,上述反應傳輸主要發生在氧化區,當氧氣消耗殆盡后,進入還原區,該區域中,隨著氣體的流動,溫度逐漸降低,而發生緩慢的還原反應,氣化空間在該區域中變化很小。干餾區主要是利用高溫氣體加熱氣化通道周圍的煤體,使其發生絕氧狀態的熱解,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,作為氣體產品。無論是殘留骨架問題還是無殘留骨架問題,問題所描述的對象——礦體,是多孔介質。在原位改性過程中該多孔介質不斷發生變化,如殘留骨架問題中的油頁巖,隨著溫度不斷升高,油頁巖中的孔隙裂隙數量和尺寸都不斷增加,而不是一成不變。因此,多孔介質在改性過程中不斷演變,該問題即是演變多孔介質問題[16]。

5 工業與工程實踐

原位改性流體化采礦工程的系統組成包括:①地面鉆井形成開采井網;②礦層溶解、熱解改性輸運通道;③高壓流體注入系統;④生產井控制排采系統;⑤地面溶浸、熱解流體制備與發生系統;⑥產物流體分離、萃取及高質量礦物產品制備、儲存和銷售系統;⑦產物流體熱能利用系統。根據具體工程對象,各子系統的具體內涵有所區別,特別是子系統⑤⑥⑦差異較大,但大的系統結構是相近的。

在演變多孔介質傳輸理論指導下,研究構思各類具體工程的原位改性流體化開采的新的技術原理,進而發明新技術、新裝備、新工藝,并在工業與工程中實施,從而實現非常規資源能源的開發,這些資源能源涵蓋了許多領域。因此,原位改性流體化采礦工業與工程覆蓋了眾多領域,各類工業與工程所依據的技術原理、技術、工業與工程現狀見表1。

6 結語與展望

總結和深入分析原位改性流體化采礦的相關工業與工程的技術發展與應用情況,可以大致給出各類工業與工程的現狀、問題與發展前景展望。干熱巖地熱開發從概念到工業實踐,經歷40 余年的發展[23],逐漸形成了超深鉆井與人工儲層的水循環換熱開采系統,人工儲層、天然裂縫與斷層儲層[24]的工業模式正在多國實際運行,近巖漿囊地熱開發已在冰島實踐。近30 多年來全世界一直探尋油頁巖的原位開發技術,并已形成了ICP,IMT 等幾項技術,工業開發指日可待[24-26]。低滲透儲層煤層氣開發一直困擾著全世界的科學與技術界,各種原位增透技術、強化解吸技術在持續研發。鹽類礦床原位溶浸開采技術在純硫酸鈉、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日。砂型鈾礦資源的原位溶浸開采經歷60 余年的發展,在我國已有50%的工業分額,其他類型的鈾、鐳、釷等放射性礦產資源的原位溶浸開發技術還待深入研發,其工業實踐的那天將會為人類提供大量的潔凈能源。優質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的貴金屬資源與產品。但地面濕法冶金的實踐表明,貴金屬資源的原位溶浸開采還會經歷漫長歷程。天然氣水合物的開發是國際能源開發角逐的熱點,缺乏封閉空間的深海原位開采的連續實施與可能誘發因水合物大面積釋放導致的災難,一直困擾著國際科學與技術界。

表1 原位改性流體化采礦相關工業與工程的技術現狀Table 1 Current technical situation of in-situ modified mining by fluidization (IMMF)industry and engineering

在全新的科學理念指導下,構建原位改性流體化采礦統一的科學與技術體系,進而審視和指導改進諸如鹽礦水溶開采、煤炭地下氣化傳統工業與工程,特別是推進干熱巖地熱、銅金鈾等金屬及放射性礦物溶浸開采、天然氣水合物開采、油頁巖開采等極為廣泛的新型的下一代非常規地質資源能源開發,無疑具有重大意義和重大作用。對人類賴以生存的地質資源能源開發,維系人類永續發展,無疑具有更深遠的價值。