盐岩溶解的溶液浓度与试件倾角效应试验研究

沈 洵,徐素国

(太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

盐岩溶解的溶液浓度与试件倾角效应试验研究

沈 洵,徐素国

(太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

岩盐的溶解速率是影响岩盐开采与储气库建造效率的关键性因素。通过对金坛NaCl盐岩在恒定浓度溶液内不同溶解角度下的溶解速率研究发现,NaCl盐岩的溶解具有明显的浓度与角度效应:随着溶液浓度的提高,溶解速率发生明显的降低;在一定溶液浓度条件下,随着溶解角度从90°到-90°的变化,盐岩的溶解速率明显加快,溶液质量浓度在1.035 g/mL时,后者是前者的3倍左右。利用MATLAB对数据进行拟合,得到溶解速率与浓度、试件倾角的关系。本研究可为岩盐开采与盐穴储气库建造提供参考。

盐岩;溶解特性;溶蚀角度;溶液浓度

根据国家发改委规划,到2020年,天然气消费量在一次能源消费中的比重达到10%以上。随着“西气东输”工程的不断推进,大量的天然气储库亟待建设。盐岩具有非常低的渗透性和良好的蠕变行为,其力学性能较为稳定,能够保证储存洞库的密闭性,且盐岩溶解于水的特性使盐岩洞库的施工更加容易、经济[1]。所以,盐岩矿床一直以来被世界各国公认为是最理想的能源储存场所。同世界发达国家相比,我国在地下盐穴能源储库建设方面的研究起步相对较晚。近年来,国内学者对相关盐岩的基本性质研究也相继展开。杨春和、梁卫国等[2-3]对盐岩的力学特性进行了大量的理论与试验研究;刘中华、高洪波等[8-9]对钙芒硝盐岩的溶解机理做了一定的研究;徐素国、乔永生等[6-7]对钙芒硝盐岩的溶解特性进行了充分的实验研究,得到了钙芒硝盐岩不同温度条件下的溶解特性;马洪岭等[10]对深部盐岩在不同温度条件下的溶解速率进行了试验研究，得出了其溶解特性的温度效应。

地下盐穴储气库建造成功与否，一个重要的影响因素就是盐岩的溶解速率,这决定着盐穴储气库的建造效率。此外，由于储气库建造过程中的溶腔形态控制较为困难，因此对于地下NaCl盐岩的水溶特性进行进一步的研究具有十分重要的意义。盐岩在不同的溶液浓度以及溶解角度下的溶解速率有所不同,为此,笔者对于恒定溶液浓度下氯化钠盐岩的溶解速率与溶解速度的溶蚀角度效应进行了试验研究,对于岩盐开采与盐穴能源储库建造方面具有一定的参考价值。

1 盐岩溶解机理

盐类物质溶解的内在动力是由于溶液存在的浓度差,其溶解与结晶是同时进行的。当溶剂达到盐类物质的表面时,由于溶质离子的运动以及溶剂分子对离子的吸引作用,溶质会离开固体物质表面,溶解并扩散到溶液中。与此同时,游离在溶液中的溶质会在运动过程中碰到其中还没有溶解的粒子,重新从溶液之中结晶附着到矿物表面。其反应式为：

NaCl盐岩的溶解是一个集溶解与结晶同时进行的双向动态过程。溶液浓度较低时,其溶解速度大于结晶速度,宏观上表现为溶解;溶液浓度接近饱和时,溶解速度与结晶速度相抵,表现为很低的溶解效率。

盐岩水溶开采的相关参数有溶解速度与溶解速率，溶解速度是盐岩在单位时间内某一方向上的溶解距离(cm/h，m/d)；溶解速率是指盐岩在单位时间和单位面积内被溶解的质量，g/(cm2·h)，kg/(m2·h)。

氯化钠在不同时间点的溶解速率为:

(1)

式中:ρ1，ρ2为溶液的质量浓度，g/mL;V1，V2为溶液的体积，mL;St为试件溶蚀面积，cm2;t为溶解的时间，h。

由于试件溶解长度在测量过程中具有一定的不精确性,可以通过溶解质量经过换算得到其在溶解面法面方向上的溶解长度，从而计算得出溶解速度:

(2)

式中:v溶解速度，cm/h;Δm为溶解质量,g;ρ为NaCl盐岩密度,g/cm3;S为溶解试件端面积,cm2;Δt为是溶解时间,h。

2 试验

2.1 试件制备

试件岩样取自江苏金坛盐矿区氯化钠盐岩钻井岩芯。为了让盐岩试件能够在自然状态下进行溶解,将盐岩加工成标准圆柱形试件,用石蜡将试件表面密封,只留一个自然端面进行溶解。盐岩试件与其端面如图1所示。

图1 试件及其端面Fig.1 Test specimen and its end face

2.2 试验设备

盐岩的溶解试验装置见图2所示。主要试验设备有:溶解池,溶液浓度计,天平,可调角度支架,水,烧杯，烘干机等。

2.3 试验方法

研究NaCl盐岩分别在1.035,1.073,1.115,1.160,1.208 g/mL的溶液质量浓度下，以及在0°,45°,90°,-45°,-90°的溶蚀角度下溶解速率与溶解速度。

为了避免溶液浓度随溶解时间的增加而升高会影响到盐岩的正常溶解速率,实验中采取一定措施保证盐岩溶解一定时间后溶解池内溶液浓度仍然保持一定,适时将溶解池内的适量溶液更换成新鲜淡水,将试件置于夹持器上让其自由端面入水溶解,通过旋转装置中的可调角度支架,可以获得需要的溶蚀角度。每次溶解持续2 h,溶解完成后,取出试件烘干,溶解前后分别用天平称其质量,精确到0.01 g,差值即为盐岩溶解的质量。

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

3 结果分析

图3 不同溶解角度下NaCl溶解速率曲线Fig.3 Dissolution rate curve of NaCl under different dissolved angle

图4 不同溶解角度下NaCl溶解速度曲线Fig.4 Dissolution velocity curve of NaCl under different dissolved angle

如图3、图4所示,在不同溶液质量浓度条件下,NaCl盐岩分别在90°,45°,0°,-45°,-90°的溶解角度下的溶解速率(速度)呈逐渐增大趋势。由于从盐岩表面溶解下来的溶质的密度大于水,在重力的作用下自然向下运动。溶解角度为90°时,溶解端面竖直向上,溶解出来的溶质会积聚堆积在溶蚀端表面,在一定程度上阻碍了水溶剂与NaCl离子之间的相互作用,减缓其溶解；45°溶解角度下端面呈倾斜状,端面溶解出来的溶质会在重力作用下沿斜面向下“滑落”,周围低浓度溶液会补充过来继续溶解,因此阻碍溶解作用相对90°时较小,溶解速率也有所提升；当倾角继续向0°，-45°，-90°转变,端面溶解出来的溶质因重力作用自然下落,这种作用在-90°时的表现最为明显,此时向下自由面最大,其溶解速率(速度)也达到最大。因此在正倾角下的溶解(下溶)较慢,而在负倾角下的溶解(上溶)明显加快。

图5、图6是试件在一定溶解角度下,随着溶液质量浓度升高,溶解速率(速度)呈逐渐降低的变化趋势。这是由于，溶液浓度的上升会直接导致溶液中溶质的结晶速度逐渐加快,进而导致盐岩溶解速率(速度)的降低。尤其在1.208 g/mL的溶液中,任何角度下的溶解速率(速度)都很低,此时的溶液浓度已经接近NaCl溶液在常温下的饱和浓度,溶液中的溶解与结晶已接近动态平衡,所以从宏观上表现为极低的溶解速率。

图5 不同溶液浓度下NaCl溶解速率曲线Fig.5 Dissolution rate curve of NaCl under different solution concentration

在较低的溶液质量浓度之下,NaCl盐岩在负倾角的的溶解速率，从90°下的0.983 g/(cm2·h)到-90°下的2.945 g/(cm2·h),后者是前者的3倍之多,这就意味着岩盐开采以及储库溶腔建造时的上溶速度明显大于其向下溶解的速度。随着溶液质量浓度的提高,盐岩的溶解速率出现明显减慢。因此，在采卤建腔的过程中,需要保证腔内卤水的浓度不至于太高。

图6 不同溶液浓度下NaCl溶解速度曲线Fig.6 Dissolution velocity curve of NaCl under different solution concentration

对于试验结果,利用MATLAB对于盐岩的溶解速率与溶蚀角度以及溶液浓度的进行指数拟合,得到如下关系:

(3)

式中：K为溶解速率；x为溶蚀角度拟合值；y为溶液浓度拟合值。

相关系数R2=0.955,相关性较好。相应地,溶解速度与角度、浓度的指数关系为:

(4)

相关系数R2=0.989.

4 结论

1) NaCl盐岩的溶解具有明显的浓度与角度效应。随溶液浓度的提高,溶解速率明显降低,在1.208 g/mL溶液中溶解很慢。随溶解角度从正倾角到负倾角的转变,溶解速率发生成倍加快,在-90°倾角下，最快达到2.945 g/(cm2·h)。

2) 利用MATLAB进行数据拟合,得到NaCl盐岩溶解速率(速度)与溶蚀角度、溶液浓度之间的指数关系,相关性较好,可为工程实践提供依据。

[1] 杨春和,梁卫国,魏东吼,等.中国盐岩能源地下储存可行性研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(24):4409-4416.

[2] 杨春和,李银平,屈丹安,等.层状盐岩力学特性研究进展[J].力学进展,2007,38(4):484-494.

[3] 梁卫国,徐素国,赵阳升,等.盐岩蠕变特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(7):1386-1390.

[4] 刘中华,康殿海,赵阳升.钙芒硝岩盐溶解机理的实验研究[J].化工矿物与加工,2007(2):4-6.

[5] 高洪波,徐素国,韩传磊,等.钙芒硝盐岩溶解机理细观研究[J].地下空间与工程学报,2012,8(4):722-725.

[6] 徐素国,梁卫国,赵阳升.钙芒硝盐岩溶解特性的实验研究[J].太原理工大学学报,2005,36(3):253-255.

[7] 徐素国,梁卫国,赵阳升.钙芒硝盐岩溶解的温度效应[J].矿业研究与开发,2010,30(3):42-44.

[8] 徐素国.层状盐岩矿床油气储库建造及稳定性基础研究[D].太原：太原理工大学,2010.

[9] 乔永生,范彬彬,刘中华,等.复合盐钙芒硝溶解性分析[J].化学矿物与加工,2010(2):24-26.

[10] 马洪岭,陈锋,杨春和,等.深部盐岩溶解速率试验研究[J].矿业研究与开发,2010,30(5):9-13.

(编辑：庞富祥)

Experimental Study on Concentration and Angle Effect of Rock Salt Dissolution

SHEN Xun,XU Suguo

(InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The dissolution rate of rock salt is the key factor affecting the efficiency of rock salt mining and salt cavern gas storage construction,the dissolution rate of rock salt usually decreases with the increase of solution’s concentration.It was found through the experimental study on Jintan NaCl rock salt that the dissolution of NaCl rock salt has obvious concentration and angle effects. The dissolution rate of NaCl rock salt decreases significantly as the solution concentration increases.The dissolution rate increases obviously as the dissolution angle changes from 90° to -90° in constant concentration,and the latter is 3 times the former when the density is 1.035 g/mL.MATLAB was used to get the relationship of dissolution rate with concentration and angle,which can provide reference for rock salt mining and storage construction.

rock salt;dissolution characteristics;dissolution angle;solution concentration;experimental study

1007-9432(2015)04-0410-04

2015-01-19

国家杰出青年基金资助项目：原位溶浸采矿理论与技术(51225404)；国家自然科学基金资助项目：钙芒硝矿原位溶浸开采的溶解-传质-渗透耦合作用机理研究(50804033)

沈洵(1989-)，男，安徽庐江人，硕士生，主要从事特殊采矿方法研究，(E-mail)sx.ah@qq.com，(Tel)15103411259

徐素国，男，讲师，主要从事特殊采矿方法研究工作，(E-mail)452234949@99.com

TD871.1;TD803

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.009