原位改性流体化采矿科学、技术与工程

赵阳升梁卫国冯子军冯增朝杨 栋

(1.太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024;2.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室,山西 太原 030024)

原位改性流体化采矿是指在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法[1],它是与传统固体矿床井工开采、流体矿床钻井抽采方法并列的一类地质资源与能源开采的方法。

伴随着社会高速持续发展,人类赖以生存与发展的煤炭、石油、天然气、金属、非金属矿产等常规地质资源与能源因大规模开发而日益短缺,或易开发且优质的高能量密度资源大幅减少,迫切需要开发新型的、非常规的、深层的地质资源与能源,如干热岩地热、油页岩、煤层气、深层煤炭资源、深层铜金铀、天然气水合物等资源能源。而这类资源能源矿体致密,矿物或以固态、或以热能形式、或以吸附态形式赋存,埋藏深度大,能量密度低,难以采用传统方法有效开采。原位改性流体化采矿方法就是伴随着这类新型的、非常规的地质资源与能源开发而提出与发展的。

原位改性流体化采矿的雏形最早可追溯到1 400多年前的中国和欧洲进行的盐矿水溶开采。20世纪20年代,前苏联开始煤炭地下气化。20世纪60年代我国和美国开始了铜矿、铀矿的原位溶浸开采。20世纪80年代,美国进行了干热岩地热开采等等。自20世纪80年代后期起,章梦涛最早关注这一具有重大应用前景的科学问题[2],在章梦涛先生指导下,笔者团队最先系统地开展了原位改性流体化采矿的基础研究,即演变多孔介质固流热化学耦合方面的试验与理论研究[3-4]。2006年笔者提出了“固体矿物流体化开采”的新型研究方向[5],2010年太原理工大学矿业工程学科申报并获批原位改性采矿教育部重点实验室,2018年国家油页岩注热开采研发中心落户太原理工大学。自2000年起,笔者团队广泛深入地进行了盐矿水溶开采、低渗透煤层煤层气改性开采、油页岩原位热解开采、干热岩地热开采、天然气水合物开采等领域的科学与工程研究,并于2005年和2014年分别获盐类矿床控制水溶开采、煤层气改性开采的两项国家技术发明二等奖。针对深部煤炭资源开采难题,谢和平院士提出了“煤炭资源流态化开采的构想”[6]。

原位改性流体化采矿所涉及的工程领域众多,但它们均具有共同的科学,即变形-渗流-传热传质-化学耦合作用的演变多孔介质传输,伴随着科学研究的深入,发明了系列方法与技术,带动了广泛的工业与工程发展。

1 原位改性流体化采矿概念的内涵

原位改性流体化采矿这一全新的采矿方法概念,包含了丰富的内涵。

(1)原位。原位指矿体及围岩处于地下天然的三维应力和地下水气热、甚至包括化学与放射性等作用的状态,矿体及围岩是含有孔隙裂隙、裂缝、甚至断层的复杂介质体。

(2)物理、化学方法改造矿体与矿物。如为了开采干热岩体中的地热能,采用多种方法在干热岩储层中建造人工储留层,或利用天然的裂缝与断层,通过注水换热的方式,将岩体中的热转移给水携带到地面,供人类使用,这就是一种典型的物理改性的例子。铀矿是一种丰度极低的固体放射性矿物,近年来,我国和美国等国家采用溶浸采矿方法开采的铀产量已占总产量的一半以上,其关键开采步骤就是采用原位注入强酸或强碱,通过化学反应使铀矿物变成流体铀化合物,排采到地面后经过湿法冶金方法精练出纯铀矿物,这就是一个典型的化学改性的例子。

(3)改造矿体与矿物的物理、化学性态。包含3个方面的内涵:①矿物流体化。固体矿床开采最大的难点是矿石的输运,因为固体矿石无法采用连续方式输运,即使采用胶带或机械式搬运仍然效率低下,工序复杂。因此,矿物流体化是实现固体矿物高效输运的前提。概念中特别指出的是矿物的流体化,而非矿体的流体化,也就是说,这种采矿方法仅把人类需要的矿物变成流体,开采出来,而其他矿体部分仍然维持固态,滞留于地下原位,可实现洁净开采。如固体盐矿通过水溶的方式,转化为盐的水溶液,可实现高效开采和输运;又如煤炭地下气化是通过地下煤的氧化还原反应,使煤燃烧生成气体,实现固体煤炭的开采和输运。②矿物提质改性。有许多矿物在自然状态时,其品质较差,通过原位改性流体化采矿方法可在地下原位同步实现矿物的提质改性,提高矿物品质。如油页岩中的有机矿物干络根,在自然状态下,是一种未成熟的固态成油矿物,通过高温绝氧干馏的化学反应,使其变成液态的油和烃类气体,这就是提质改性的过程;又如笔者团队对褐煤采用高温蒸汽绝氧热解,可以脱除褐煤中的结晶水和挥发分,450 ℃以上的高温蒸汽还可以使褐煤变成焦煤、贫瘦煤,甚至无烟煤,这是对低变质煤的提质改性过程。③矿体多孔化。矿体物理化学改造中,同步使矿体产生大量的空洞、孔隙、裂隙、裂缝,为流体化的矿物连续输运采出提供传输通道,这也是该方法的重要内涵。如煤炭地下气化、纯的盐矿水溶开采,因矿物在矿体中的占比大,气化或水溶过程中,同步形成了连续的巨大空洞,作为传输通道。而矿物含量占比较小的绝大部分矿床,如钙芒硝矿、油页岩矿、铀矿、铜矿等,当用物理化学方法把矿物变成流体时,形成的孔隙、裂隙和裂缝空间较小,这些孔隙、裂隙构成的通道的连通性和导流能力,就成为该方法实施成败的关键。

(4)矿物流体化开采。当矿体与矿物被改造后,流体化的矿物就可以沿改造形成的空洞-孔隙-裂隙-裂缝通道输运,从生产井排采到地面。而流体化改造的物理化学剂可以源源不断地输入到地下矿层,经过已开采区域,流体化开采未开采区域的矿物。

2 固-流-热-化学耦合作用下矿体特性演变规律

原位改性流体化采矿在科学层面的一个主要研究内容就是矿体固体在温度(T)、应力(M)、渗流(H)及化学耦合(C)作用下,固体骨架的变形、强度、渗流、传热传质等特性的演化规律,和固体破裂、孔隙裂隙发生发展的演化规律,以及固-流-热-化学耦合作用下物理化学反应产物的性态演变及相关规律。这是一个多因素同时耦合作用的动态演变过程,该过程和相关规律,必须采用同步在线的实验仪器和实验方法方可研究与揭示。这是目前国际学术界的热门课题,也是十分艰难的课题,而所需要的试验设备在当时,乃至今天也几乎没有。笔者团队30 多年来攻克相关技术难题,研制了系列实验设备,代表性设备有:600 ℃,20 MN 高温高压岩体三轴试验机[7]、流体传压高温高压三轴THMC 耦合作用试验机、液体传压高温真三轴试验机、高精度显微CT 试验机、高温三轴-CT 在线微型三轴试验机[1],以此为基础,发现了系列的矿岩原位改性的新规律。

2.1 有效应力原理

1923年,TERZAGHI 在研究饱和土的固结、水与土壤相互作用的基础上,提出了著名的有效应力原理,奠定了土力学的基础。1941年,Biot 在三维固结情况下,发展了TERZAGHI 有效应力原理,即

其中,σ′ij为有效应力张量;σij为总应力张量;α为有效应力系数,也称为比奥系数;p为孔隙压力;δij为Kronecker 符号。在岩土力学中如何确定该值也是人们长期关注的问题。

工程岩土介质一般为孔隙和裂隙的双重介质,被化学流体如甲烷、二氧化碳、石油等浸透,并受很多因素的影响。如何选择有效应力系数,影响它的因素有哪些,是如何影响的,这些都是科学上困难的课题。20世纪90年代笔者团队曾采用实验方法,研究了气煤、肥煤、瘦煤、焦煤、贫煤和无烟煤等各类煤有效应力系数受体积应力和孔隙压的影响规律。并发现有效应力系数随体积应力和孔隙压力呈双线性变化规律[8]:

式中,ai(i=1,2,3,4)为常数;θ为总体积应力。

2.2 THM 耦合作用下岩石渗透特征

图1为高温三轴应力下,砂岩的渗透性演变规律,其中,Pg为气体孔隙压力。由图1可知,砂岩在150 ℃之前,其渗透率非常小,与原始状态无异,但当温度达到150 ℃以后,其渗透率急剧升高,在200～250 ℃达到峰值区域,之后随着温度继续升高,其渗透率反而下降,400 ℃达到了最低点,在400～450 ℃一段,渗透率维持不变,但较原始状态其渗透率依然高出10 倍左右。从450 ℃开始,随着温度继续升高,渗透率又继续升高,到600 ℃试验终止。渗透率这种变化规律,其本质是由砂岩的热破裂特征决定的。

2.3 THMC 耦合作用下煤的孔隙和渗流演变规律

利用600 ℃,20 MN 高温高压岩体三轴试验机,对不同三轴应力和不同温度条件下气煤的渗透率与热解特征进行测量,发现气煤煤体渗透率在室温至600 ℃内随温度变化分为3 个特征阶段(图2)[9]:①室温～300 ℃的低温段,煤体的渗透率随温度的增加,呈现一种波动状态,但波动幅度很小,说明煤体在热的作用下,内部水分蒸发,其孔隙裂隙大小,连通情况在不断调整,但并无实质性的变化;②300～400 ℃的中温段,渗透率增加幅度较大,且呈指数规律增加,在400 ℃后近似成线性增加,这是煤体热解过程中发生质变的一个阶段;③400～600 ℃高温段,由于高温作用,煤体发生了较为剧烈的热解化学变化,产生大量的气体和部分煤焦油,使煤体的孔隙体积增加,从而导致渗透率的快速增加。

图1 永城长石砂岩渗透率随温度的变化曲线[4]Fig.1 Permeability change with temperature of Yongcheng arkose[4]

图2 不同热解温度下气煤的渗透率演化规律(围压18.75 MPa,轴压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 耦合作用下油页岩孔隙与渗透演变规律

图3为采用压汞法测定的大庆和抚顺油页岩不同温度时孔隙率变化曲线[10-11],大庆油页岩测试温度点相对稀疏,但基本可以看到,室温～400 ℃,孔隙率仅略有增加,而400 ℃开始急剧增加,到500 ℃孔隙率达到约33%,说明油页岩热解的阈值温度在400～500 ℃。抚顺油页岩测试温度从300 ℃开始加密,间隔25 ℃测试一次,从孔隙率变化曲线可以清晰看到,其阈值温度区间为400～425 ℃,425 ℃之后,抚顺油页岩孔隙率不再增加,仅呈波动变化。

热解的同时,油页岩渗透率也与孔隙率和裂隙数量呈同步变化,从室温～350 ℃,抚顺油页岩由几乎不渗透,非常缓慢地增加,渗透系数达到0.1 ×10-3cm/s。渗透性从400 ℃开始剧烈增加,450 ℃达到1.75×10-3cm/s,与350 ℃的渗透系数相比,增加17.5 倍,这正是油页岩热解渗透的阈值温度区间。阈值温度段之后,油页岩渗透性随温度增加仅呈缓慢增加的趋势(图4)。

图3 油页岩热解孔隙率随温度的变化曲线Fig.3 Process of oil shale pyrolysis,porosity along with the change of temperature

图4 油页岩渗透率随温度的变化曲线Fig.4 Oil shale permeability changing curve with the temperature

3 矿层原位改性的技术原理

矿层原位改性包括2 个重要的技术内容,即矿物流体化和矿体多孔化。

矿体多孔化是在实施矿层中矿物的物理化学改性的同时,使矿体性态同步发生的变化,这种变化包括2 个方面:①矿物被流体化以后,原矿物固体所占据的空间形成了孔隙与孔洞;②由于固体应力变化、孔隙压变化、物理与化学作用、热作用,导致矿体产生各种破裂,形成大小不等形态各异的裂隙。上述2 种变化,产生2 个结果:①当矿体中矿物含量高或很高时,比如50%以上时,残留的矿体不再构成多孔骨架,而变成一些松散的不溶物沉积于开采区域的底部,使得原位改性流体化开采十分方便地持续进行,如水溶开采氯化钠矿层和纯硫酸钠矿层,以及煤地下气化,把这类问题称为无残留骨架的原位改性流体化采矿问题;②当矿体中矿物含量低或较低,比如低于25%,残留的矿体就构成了孔隙裂隙多孔骨架,在科学层面将其简化为演变多孔介质,这种演变多孔介质中流体的传输特性,决定了原位改性流体化采矿的持续进行的难易程度,决定了开采工艺和各种具体的技术参数,如铀矿物质量分数0.05%的铀矿层采用强酸或强碱的原位溶浸开采,Na2SO4质量分数30%的钙芒硝矿的原位溶解开采,含干馏油气仅8%的油页岩的原位热解开采等,把这类问题称为残留骨架的原位改性流体化采矿问题。

3.1 原位改性流体化采矿可行性判据

逾渗是用概率论的理论与方法研究与表征一类随机介质由量变到质变的临界条件与临界现象的物理与数学理论,从1957年提出至今50 余年中,逾渗在物理学、数学、自然、工程科学等极为广泛的领域受到高度重视和应用。逾渗(percolation)与渗流(seepage)有着本质的区别。就多孔介质理论而言,逾渗是研究多孔介质由完全不渗透到渗透的临界条件和临界状态的连通团的结构形状及相关现象的科学。而渗流则是研究流体在渗透介质中的流动规律与现象的科学。

物理和数学科学中的逾渗仅研究点(又称为座逾渗)的问题,很少研究线的逾渗问题。而孔隙和裂隙是岩土介质不可忽视的两大缺陷,在很多情况下,裂隙占有重要的地位。2007年,冯增朝和笔者等最早开展了孔隙裂隙双重介质的逾渗研究[12],亦即点线复合的逾渗科学问题,并由此形成了残留骨架的原位改性流体化采矿可行性的判别理论。将矿体裂缝采用分形方法表述,裂隙分布采用初值N0和分形维数D表示,结合矿体孔隙率,通过大量的数值试验研究,获得三维孔隙裂隙双重介质临界逾渗公式[13]:

其中,N0为裂隙分布初值;D为裂隙分形维数;npc 为三维单纯孔隙介质逾渗阈值,为0.311 6;n为孔隙率。根据式(3)即可得到不同条件下的逾渗阈值。当f(n,N0,D)≥0 时,孔隙裂隙双重介质不会发生逾渗转变,原位改性流体化采矿方法不适用;当f(n,N0,D)<0 时,孔隙裂隙双重介质发生逾渗转变,原位改性流体化采矿方法适用。

3.2 矿层压裂改性、卸压破裂改性技术原理

3.2.1 矿层压裂改性原理

石油、天然气、煤层气、页岩气等许多流体矿藏开采中,由于储层渗透率低,或储层渗透性极不均匀,为了高效地开采这类流体矿产资源,工程界普遍采用了储层压裂改造技术,对储层进行改造。在几十年的工程研究中,形成了水平钻孔分段压裂、脉冲压裂、泡沫压裂、树枝状压裂等技术。矿层压裂改性的定量衡量指标就是矿层渗透率的提高,特别是矿层内每个子单元的渗透率的普遍提高,才能真正提高矿层的产能。矿层压裂改造在国内外已有非常多的研究和工程,这些技术的可行性及其生命完全取决于其技术经济性,客观的技术经济指标是支撑一个科学技术与工业盈亏的基础,它直接决定了该工艺与技术能否生存。

3.2.2 矿层卸压破裂改性原理

1999年,笔者通过大量的三轴应力作用下连续岩体与裂隙岩体的渗透系数变化规律的实验研究,发现三轴应力对岩体渗透性影响很大,其渗透系数随体积应力呈负指数规律衰减,即

式中,k为渗透率;a,b,c均为拟合系数。

特别是对那些弹性模量相对低的岩体影响更为显著。基于这些实验结果,笔者开拓了卸压改造低渗透煤层,强化煤层气开采的新的技术方向[14]。持续研发水力割缝成套技术与装备13 a 之久,形成了定型的水力割缝成套装备和技术,在许多煤矿使用。

3.3 热破裂增透改性技术原理

岩石热破裂在很多工程领域的技术环节中,有重要的作用,它使得岩体裂隙进一步发育,形成了更好的孔隙裂隙通道,如注热开采油气。由于热破裂的作用,岩石更加破碎,块度进一步减小,比表面积进一步增加,更易于低成本达到实施工程的目的。

由于岩石的组成复杂,各种晶体颗粒热膨胀系数、强度、熔点差异很大,岩石表现出热破裂发生的间断性、多期性,但各种岩石的热破裂还是相对集中在几个温度段。如细砂岩的热破裂主要集中在180～230 ℃,以及500 ℃以上均十分活跃。鲁灰花岗岩在400 ℃之前则有3 个大的热破裂剧烈段[15],即125～175,250～275,340～375 ℃。从同步测定的各温度段岩石渗透率可知,在岩石热破裂的剧烈段,其渗透率均相应呈现1 个峰值区间,在热破裂平静期,渗透率缓慢降低大约5 倍,此时岩石的渗透率较峰值渗透率降低,但却维持了较高的渗透率水平。当另一个热破裂高峰出现时,渗透率又增大,如此经历了一次又一次热破裂的积累后,岩石的更加破裂,也同步伴随着岩石渗透率愈来愈大。

3.4 矿层溶解改性技术原理

钙芒硝矿的主要成分是Na2SO4·CaSO4的化合物及其他成分,其中硫酸钠和硫酸钙占70%左右,是一类重要的硫酸钠矿床,硫酸钠是一种重要的化工原料。钙芒硝矿在天然状态下是一种致密的,几乎完全不渗透的盐类矿床。可以通过水溶的办法浸出钙芒硝矿中的硫酸钠,但它的溶解过程与纯氯化钠、纯硫酸钠矿床完全不同,区别是钙芒硝矿的溶解始终存在一个残留多孔骨架。其物理过程与物理机制为:当钙芒硝矿在水的作用下,使Na2SO4·CaSO4矿物发生水化反应,Na2SO4·CaSO4分离,Na2SO4生成Na2SO4·10H2O,完全溶于水,形成盐溶液。同时,CaSO4重新结晶形成CaSO4·2H2O 晶体,几乎在原位与残留的不溶物胶结形成新的多孔骨架或多孔介质(图5),其多孔骨架的性态直接决定了溶解过程中水的侵入和溶质传质的进行。溶解过程中,由溶解界面向外,残留多孔骨架区可以划分为3 个区域,即溶解与结晶发展区、结晶过渡区、结晶完成区。

图5 钙芒硝矿溶解过程的CT 剖面[16]Fig.5 CT image of glauberite at different dissolved time[16]

3.5 矿层热解改性技术原理

3.5.1 油页岩热解改性技术原理

油页岩是一种含丰富有机质的页岩,天然状态下是致密的、不渗透的,孔隙裂隙极少。有机质以一种干络根矿物的形式在微纳米尺度较均匀地分布于油页岩地层中,油页岩地层中也同时含有极少量的其他多种金属元素,这些特征因矿床成矿条件而有一定差异,但世界各地油页岩的上述特征均没有本质的区别。

(1)油页岩热破裂特征。康志勤与笔者等采用太原理工大学μCT225kvFCB 型高精度CT 分析系统,研究了大庆油页岩从常温加热到600 ℃的过程中,热破裂裂缝的孕育、发生和发展[10-11]。在室温～300 ℃,因未达到油页岩干络根矿物的临界热解温度,油页岩不发生热解反应。但由于油页岩的不均质性,在100 ℃时,可观测到在油页岩试样中硬质的石英矿物颗粒处有2 条微裂纹起裂,并扩展形成了长度3～4 mm 的裂纹。在200 ℃时,形成了10 条裂纹,300 ℃时形成了15 条裂纹(图6)。同步伴随着油页岩渗透率的增加,由室温时的不渗透,至350 ℃时,渗透率增加到1.75×10-18m2,这一大小的渗透率足以使得原位开采油页岩时注入的载热流体进入矿层内部,从而实施油页岩热解开采。

(2)油页岩热解孔隙裂隙演化规律。当油页岩加热温度达到临界热解温度时,油页岩中的干络根发生热解反应,生成油气。油页岩固体骨架内产生大量孔隙裂隙,新生孔隙裂隙的形成为油页岩快速加热热解,特别是载热流体的注入提供了通道,也为热解产生的油气排出提供了通道,这是油页岩热解过程中最积极、最重要的一个环节。

康志勤和笔者通过研究发现[10-11]:300～400 ℃是油页岩内部裂隙数量急剧增加的温度段,在该温度段存在一个热破裂阈值温度。并通过高温三轴应力状态下在线渗透性测量实验,发现渗透率急剧变化发生在350～400 ℃。如抚顺油页岩350 ℃时的渗透率为1.75×10-18m2,400 ℃达到13×10-18m2,450 ℃上升到30×10-18m2。笔者团队在对油页岩岩芯进行过热水蒸气热解试验中,也发现油页岩热解后层理裂隙剧烈发育,非常类似于野外长期演化的情况。总之,油页岩热解过程的试验结果清晰说明:油页岩由于热破裂与热解作用,从细观的微纳米尺度到宏观尺度均产生了大量孔隙与裂隙,并由不渗透介质演变为渗透性很好的介质,从而为油页岩地面干馏与原位干馏的实施提供了科学依据与技术支撑。

图6 不同温度下油页岩热破裂CT 剖面[10]Fig.6 CT image of thermally cracked oil shale under different temperatures[10]

3.5.2 煤热解改性技术原理

煤的热解是指煤在隔绝空气或惰性气氛中持续加热升温且无催化作用的条件下发生的一系列化学和物理变化。煤在热解过程中,挥发分不断析出,煤的孔隙结构不断变化。笔者团队利用显微CT 试验机系统,进行了大量室温～600 ℃煤热解过程中细观结构演化的研究,以褐煤为例进行说明。如图7所示,从室温～600 ℃热解过程中,褐煤孔隙结构变化具有明显的阶段性:①室温～100 ℃为第1 阶段,总比表面积增加,孔隙率增加,说明由于游离水的脱除,孔隙增加;②100～200 ℃为第2 阶段,孔隙率与逾渗概率大幅增加,孔隙比表面积略有变化;③200～500 ℃为第3 阶段,孔隙率缓慢增加,比表面积缓慢减少,其他参数几乎没有变化,该阶段孔隙相互连通,孔隙率在400 ℃时已经达到31.075%。根据逾渗理论可知,此时的煤体已经完全渗透。另外,在400～500 ℃,CT 的平均衰减系数增加而总比表面积减少,说明在该温度段内有新物质产生;④500～600 ℃为第4 阶段,此阶段内只有总比表面积减少,其他参数都以较快的速度增加。

3.6 矿层改造开采井网建造方法

原位改性流体化采矿工程实施的关键技术之一是如何通过若干地面钻井,在待开采矿层中原位建造改性与开采通道,利于地面注入钻井注入改造流体和生产井排采流体产物,进而实现高效开采的可靠控制。目前适用的技术分为2 种,即群井调控压裂连通技术、定向井连通-水平井分段压裂建造裂缝网技术。根据矿层赋存地质条件及性态、地层应力场特征,以及矿层原位改性的物理与化学反应条件,两种技术适用性各有优劣,根据工程的要求进行合理选择。

(1)群井调控压裂连通建造巨型水平裂缝网技术。许多重要的矿产资源赋存于巨厚的泥/页岩类沉积岩地层中,如页岩气、油页岩、油砂、部分铀矿等放射性矿产、盐类矿产等。利用沉积岩地层沿层理与垂直于层理抗拉强度的差异,采用群井调控压裂建造水平裂缝的技术,有效地在待开采矿层中建造出巨型沿层理的裂缝网,从而低成本高效实施矿物的原位改性流体化开采工程。

图7 褐煤在不同温度下的孔隙裂隙结构Fig.7 Pore and fissure structure of lignite at different temperatures

(2)定向井连通-水平井分段压裂建造裂缝网技术。近20 a 来,对接水平井技术被用来开采可溶性盐矿。即地面相距几百米的两口或多口井在地下待开采矿层内通过定向对接连通,进而构建矿层溶采通道,实现矿层的控制溶采。该技术基于油气开采的定向钻井技术。随着大位移定向井技术的发展与完善,测量仪器精度的提高以及定向井计算及设计软件的发展,可以精确实施和调控钻入矿层的开采目标层位和目标井的对接方位,实施矿层的高效溶采。传统的定向井、水平井技术开采效率低,回采率低,又发展了分支井及水平井分段压裂技术,这些在油气开采中得到广泛的应用,尤其是在美国的页岩气和页岩油开采中得到广泛应用,且取得了很好的效果。但这种技术的致命缺点是工程施工难度大、施工周期长、开采成本高。

4 原位改性流体化采矿理论——演变多孔介质传输

4.1 残留骨架的原位改性流体化采矿理论问题

一类固体矿物,例如:油页岩、油砂、煤等,在常温状态是固体,采用原位加热热解开采的技术,可将其中的矿物全部热解采出,其残留的固体部分仍然是完好的多孔骨架,热解所产生的液态、气态产物在热解产生的孔隙和裂隙中传输,固体作为整体依然存在,仅表现在力学参数的变化。这类问题所遵循的各类规律依然是多孔介质的质量、动量、热量传输和变形,因此笔者将这类问题称为残留骨架的问题。

在残留骨架问题的工程与科学分析中,必须考虑以下几个方面:无论以何种方式加热,始终存在传导与对流2 种热量传输方式,只不过是何种为主的问题;随着固体中有用组分被热解,要考虑相变潜热和固体热传导系数的变化、固体性态的变化、固体力学参数的变化、渗透系数随热解的变化;流体中由于热解产物的溶混与不溶混,还必须考虑多孔介质中流体的性态与质量变化;考虑随温度变化流体的相态转变和对应的控制方程的变化。

基于大量研究,笔者建立了残留骨架的热解改性采矿问题的热-流-固耦合控制方程。式(5)～(8)为原位注水蒸汽开采油页岩的热-流-固耦合数学模型。其中,式(5),(6)分别为岩体变形控制方程和岩体热传导方程,式(7),(8)分别为气体传热和气体渗流方程。

式中,λ(T),μ(T)为固体弹性常数;βT为热膨胀系数;α为有效应力系数;ρr和ρg分别为岩体和气体密度;Cpr和Cpg分别为岩体和气体的定压比热容;Tr和Tg分别为岩体和气体的温度;λr和λg分别为岩体和气体的热传导系数;Uj,ji和Ui,jj均为位移张量;Fi为固体应力张量;T,i为固体温度张量;pg,i为孔隙压力张量;Tr,ii和Tg,ii分别为岩石和气体温度张量;下角“,”为对方程组的求偏导;ki为渗透张量;e为体积变形;Ws,Wg,W0分别为固体和气体的热源汇项和气体质量源汇项。

上述数学模型辅以必要的初始、边界条件,就构成了完整的残留骨架的热解改性开采的热-流-固耦合数学模型。以上模型是非常复杂的非线性方程,而且其系数中也含有非线性项,对于这样复杂的微分方程,一般无法直接求得其解析解,只能采用数值方法求解,寻求其近似解。

4.2 无残留骨架的原位改性流体化采矿理论问题

另一类固体矿物,如氯化钠、硫酸钠、硫酸钾等,采用水或其他化学流体溶解矿物固体实施开采时,除去极少量的不溶物以外,其余全部被溶解,变成化学溶液。这种情况下,矿体固体骨架完全被溶解掉,仅剩余少量不溶物残留于通道底部。与无残留骨架溶浸开采对比,煤的地下气化是无残留骨架高温化学反应开采的范例。此类问题统称为无残留骨架问题。考虑煤的地下气化过程,若忽略由于应力场导致的气化空间变形,乃至垮塌,则气化空间的形状与大小可以唯一看作受气化反应的控制,其气化反应的完整过程可以用对流传热、传质与质量传输的热-流-化学耦合控制方程(9)描述。章梦涛于1999年提出了该类问题的粗略数学模型。

式中,xi,xj分别为i和j方向的坐标;t为时间;ρ为流体密度;C为质量浓度;Dij为扩散系数;CVw和Cpw为定容和定压比热;Tw为流体温度;Vi,Vj分别为i和j方向的流体流速;λw为流体的热传导系数;Is为固体煤和氧气的化学反应生成了新的气体物质的量;Id为新的气体物质的量;Q(x,y)为氧化反应产生的新的热量。

式(9)的第1 个方程主要描述析空区、燃烧区和松动区的煤块空隙与裂隙区域中流体的渗流传输;第2 个方程表示气化空间中的自由空间中流体的流动传输;第3 个方程表示不同气体组分间气体的质量传输;第4 个方程表示气化空间中热量的传输。

事实上,上述反应传输主要发生在氧化区,当氧气消耗殆尽后,进入还原区,该区域中,随着气体的流动,温度逐渐降低,而发生缓慢的还原反应,气化空间在该区域中变化很小。干馏区主要是利用高温气体加热气化通道周围的煤体,使其发生绝氧状态的热解,或称干馏,部分干馏气体通过渗流排入气化通道而混入气化气中排到地面,作为气体产品。无论是残留骨架问题还是无残留骨架问题,问题所描述的对象——矿体,是多孔介质。在原位改性过程中该多孔介质不断发生变化,如残留骨架问题中的油页岩,随着温度不断升高,油页岩中的孔隙裂隙数量和尺寸都不断增加,而不是一成不变。因此,多孔介质在改性过程中不断演变,该问题即是演变多孔介质问题[16]。

5 工业与工程实践

原位改性流体化采矿工程的系统组成包括:①地面钻井形成开采井网;②矿层溶解、热解改性输运通道;③高压流体注入系统;④生产井控制排采系统;⑤地面溶浸、热解流体制备与发生系统;⑥产物流体分离、萃取及高质量矿物产品制备、储存和销售系统;⑦产物流体热能利用系统。根据具体工程对象,各子系统的具体内涵有所区别,特别是子系统⑤⑥⑦差异较大,但大的系统结构是相近的。

在演变多孔介质传输理论指导下,研究构思各类具体工程的原位改性流体化开采的新的技术原理,进而发明新技术、新装备、新工艺,并在工业与工程中实施,从而实现非常规资源能源的开发,这些资源能源涵盖了许多领域。因此,原位改性流体化采矿工业与工程覆盖了众多领域,各类工业与工程所依据的技术原理、技术、工业与工程现状见表1。

6 结语与展望

总结和深入分析原位改性流体化采矿的相关工业与工程的技术发展与应用情况,可以大致给出各类工业与工程的现状、问题与发展前景展望。干热岩地热开发从概念到工业实践,经历40 余年的发展[23],逐渐形成了超深钻井与人工储层的水循环换热开采系统,人工储层、天然裂缝与断层储层[24]的工业模式正在多国实际运行,近岩浆囊地热开发已在冰岛实践。近30 多年来全世界一直探寻油页岩的原位开发技术,并已形成了ICP,IMT 等几项技术,工业开发指日可待[24-26]。低渗透储层煤层气开发一直困扰着全世界的科学与技术界,各种原位增透技术、强化解吸技术在持续研发。盐类矿床原位溶浸开采技术在纯硫酸钠、氯化钠矿床广泛使用,而难溶的钙芒硝矿、光卤石矿从井工开采变革为原位改性流体化开采还需时日。砂型铀矿资源的原位溶浸开采经历60 余年的发展,在我国已有50%的工业分额,其他类型的铀、镭、钍等放射性矿产资源的原位溶浸开发技术还待深入研发,其工业实践的那天将会为人类提供大量的洁净能源。优质的便于井工开采的铜、银、金等贵金属资源日益短缺,原位溶浸开采将为人类提供新的可开发的贵金属资源与产品。但地面湿法冶金的实践表明,贵金属资源的原位溶浸开采还会经历漫长历程。天然气水合物的开发是国际能源开发角逐的热点,缺乏封闭空间的深海原位开采的连续实施与可能诱发因水合物大面积释放导致的灾难,一直困扰着国际科学与技术界。

表1 原位改性流体化采矿相关工业与工程的技术现状Table 1 Current technical situation of in-situ modified mining by fluidization (IMMF)industry and engineering

在全新的科学理念指导下,构建原位改性流体化采矿统一的科学与技术体系,进而审视和指导改进诸如盐矿水溶开采、煤炭地下气化传统工业与工程,特别是推进干热岩地热、铜金铀等金属及放射性矿物溶浸开采、天然气水合物开采、油页岩开采等极为广泛的新型的下一代非常规地质资源能源开发,无疑具有重大意义和重大作用。对人类赖以生存的地质资源能源开发,维系人类永续发展,无疑具有更深远的价值。