原位改性流體化采礦概念的內(nèi)涵

原位改性流體化采礦方法,即在原位對礦體進(jìn)行物理、化學(xué)性態(tài)改造,實(shí)施礦物的流體化開采的一種新型采礦方法。其突出內(nèi)涵是在原位,采用物理與化學(xué)方法改造礦體與礦物,改造后的礦體多孔化、礦物流體化、礦物提質(zhì)改性,實(shí)現(xiàn)礦物流體化開采。同時(shí)指出根據(jù)礦體性態(tài)變化特征,原位改性流體化采礦問題可分為殘留骨架和無殘留骨架兩類問題。

原位改性流體化采礦科學(xué)理論

主要包括固流熱化學(xué)耦合作用下礦體物理與力學(xué)特性演變規(guī)律、兩類問題的固流熱化學(xué)耦合的非線性理論模型。

原位改性流體化采礦在科學(xué)層面的一個(gè)主要研究內(nèi)容就是礦體固體在溫度( T)、應(yīng)力( M)、滲流(H)及化學(xué)耦合(C)作用下,固體骨架的變形、強(qiáng)度、滲流、傳熱傳質(zhì)等特性的演化規(guī)律,和固體破裂、孔隙裂隙發(fā)生發(fā)展的演化規(guī)律,以及固-流-熱-化學(xué)耦合作用下物理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的性態(tài)演變及相關(guān)規(guī)律。

原位改性流體化采礦技術(shù)原理包括原位改性流體化采礦的適用性判據(jù)、物理改性原理和化學(xué)改性原理。礦層原位改性包括2個(gè)重要的技術(shù)內(nèi)容,即礦物流體化和礦體多孔化。

礦體多孔化是在實(shí)施礦層中礦物的物理化學(xué)改性的同時(shí),使礦體性態(tài)同步發(fā)生的變化,這種變化包括2個(gè)方面:①礦物被流體化以后,原礦物固體所占據(jù)的空間形成了孔隙與孔洞;②由于固體應(yīng)力變化、孔隙壓變化、物理與化學(xué)作用、熱作用,導(dǎo)致礦體產(chǎn)生各種破裂,形成大小不等形態(tài)各異的裂隙。

同時(shí)介紹了：礦層壓裂改性與卸壓破裂改性技術(shù)原理、熱破裂增透改性技術(shù)原理、礦層溶礦層解改性技術(shù)原理、礦層熱解改性技術(shù)原理（油頁巖熱解改性技術(shù)原理、煤熱解改性技術(shù)原理）、礦層改造開采井網(wǎng)建造方法。

原位改性流體化采礦可行性判據(jù)

物理和數(shù)學(xué)科學(xué)中的逾滲僅研究點(diǎn)(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(zhì)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,馮增朝和趙陽升等最早開展了孔隙裂隙雙重介質(zhì)的逾滲研究,亦即點(diǎn)線復(fù)合的逾滲科學(xué)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。

原位改性流體化采礦理論———演變多孔介質(zhì)傳輸

（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(tài)是固體,采用原位加熱熱解開采的技術(shù),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(chǎn)生的液態(tài)、氣態(tài)產(chǎn)物在熱解產(chǎn)生的孔隙和裂隙中傳輸,固體作為整體依然存在,僅表現(xiàn)在力學(xué)參數(shù)的變化。這類問題所遵循的各類規(guī)律依然是多孔介質(zhì)的質(zhì)量、動(dòng)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(xué)分析中,必須考慮以下幾個(gè)方面:無論以何種方式加熱,始終存在傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)的變化、固體性態(tài)的變化、固體力學(xué)參數(shù)的變化、滲透系數(shù)隨熱解的變化;流體中由于熱解產(chǎn)物的溶混與不溶混,還必須考慮多孔介質(zhì)中流體的性態(tài)與質(zhì)量變化;考慮隨溫度變化流體的相態(tài)轉(zhuǎn)變和對應(yīng)的控制方程的變化。

（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(xué)流體溶解礦物固體實(shí)施開采時(shí),除去極少量的不溶物以外,其余全部被溶解,變成化學(xué)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(xué)反應(yīng)開采的范例。此類問題統(tǒng)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(yīng)力場導(dǎo)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(yīng)的控制,其氣化反應(yīng)的完整過程可以用對流傳熱、傳質(zhì)與質(zhì)量傳輸?shù)臒?/span>-流-化學(xué)耦合控制方程(9)描述。

文章最后給出了原位改性流體化采礦工程的系統(tǒng)組成包括:①地面鉆井形成開采井網(wǎng);②礦層溶解、熱解改性輸運(yùn)通道;③高壓流體注入系統(tǒng);④生產(chǎn)井控制排采系統(tǒng);⑤地面溶浸、熱解流體制備與發(fā)生系統(tǒng);⑥產(chǎn)物流體分離、萃取及高質(zhì)量礦物產(chǎn)品制備、儲存和銷售系統(tǒng);⑦產(chǎn)物流體熱能利用系統(tǒng)。根據(jù)具體工程對象,各子系統(tǒng)的具體內(nèi)涵有所區(qū)別,特別是子系統(tǒng)⑤⑥⑦差異較大,但大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相近的。

原位改性流體化采礦相關(guān)工業(yè)與工程的技術(shù)現(xiàn)狀

總結(jié)和深入分析原位改性流體化采礦的相關(guān)工業(yè)與工程的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況,可以大致給出各類工業(yè)與工程的現(xiàn)狀、問題與發(fā)展前景展望。干熱巖地?zé)衢_發(fā)從概念到工業(yè)實(shí)踐,經(jīng)歷40余年的發(fā)展,逐漸形成了超深鉆井與人工儲層的水循環(huán)換熱開采系統(tǒng),人工儲層、天然裂縫與斷層儲層的工業(yè)模式正在多國實(shí)際運(yùn)行,近巖漿囊地?zé)衢_發(fā)已在冰島實(shí)踐。
近30多年來全世界一直探尋油頁巖的原位開發(fā)技術(shù),并已形成了ICP,IMT等幾項(xiàng)技術(shù),工業(yè)開發(fā)指日可待低滲透儲層煤層氣開發(fā)一直困擾著全世界的科學(xué)與技術(shù)界,各種原位增透技術(shù)、強(qiáng)化解吸技術(shù)在持續(xù)研發(fā)。鹽類礦床原位溶浸開采技術(shù)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(shí)日。砂型鈾礦資源的原位溶浸開采經(jīng)歷60余年的發(fā)展,在我國已有50%的工業(yè)分額,其他類型的鈾、鐳、釷等放射性礦產(chǎn)資源的原位溶浸開發(fā)技術(shù)還待深入研發(fā),其工業(yè)實(shí)踐的那天將會為人類提供大量的潔凈能源。優(yōu)質(zhì)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(fā)的貴金屬資源與產(chǎn)品。但地面濕法冶金的實(shí)踐表明,貴金屬資源的原位溶浸開采還會經(jīng)歷漫長歷程。天然氣水合物的開發(fā)是國際能源開發(fā)角逐的熱點(diǎn),缺乏封閉空間的深海原位開采的連續(xù)實(shí)施與可能誘發(fā)因水合物大面積釋放導(dǎo)致的災(zāi)難,一直困擾著國際科學(xué)與技術(shù)界。

來源：煤炭學(xué)報(bào)