原位改性流體化采礦概念的內涵

原位改性流體化采礦方法,即在原位對礦體進行物理、化學性態(tài)改造,實施礦物的流體化開采的一種新型采礦方法。其突出內涵是在原位,采用物理與化學方法改造礦體與礦物,改造后的礦體多孔化、礦物流體化、礦物提質改性,實現礦物流體化開采。同時指出根據礦體性態(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理論

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

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(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-化學耦合作用下物理化學反應產物的性態(tài)演變及相關規(guī)律。

原位改性流體化采礦技術原理包括原位改性流體化采礦的適用性判據、物理改性原理和化學改性原理。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(tài)同步發(fā)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(tài)各異的裂隙。

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

原位改性流體化采礦可行性判據

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,馮增朝和趙陽升等最早開展了孔隙裂隙雙重介質的逾滲研究,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。

原位改性流體化采礦理論———演變多孔介質傳輸

（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,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(tài)、氣態(tài)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(guī)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(tài)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(tài)與質量變化;考慮隨溫度變化流體的相態(tài)轉變和對應的控制方程的變化。

（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?？紤]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。

文章最后給出了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(fā)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(qū)別,特別是子系統⑤⑥⑦差異較大,但大的系統結構是相近的。

原位改性流體化采礦相關工業(yè)與工程的技術現狀

總結和深入分析原位改性流體化采礦的相關工業(yè)與工程的技術發(fā)展與應用情況,可以大致給出各類工業(yè)與工程的現狀、問題與發(fā)展前景展望。干熱巖地熱開發(fā)從概念到工業(yè)實踐,經歷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,人工儲層、天然裂縫與斷層儲層的工業(yè)模式正在多國實際運行,近巖漿囊地熱開發(fā)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(fā)技術,并已形成了ICP,IMT等幾項技術,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與技術界,各種原位增透技術、強化解吸技術在持續(xù)研發(fā)。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(fā)展,在我國已有50%的工業(yè)分額,其他類型的鈾、鐳、釷等放射性礦產資源的原位溶浸開發(fā)技術還待深入研發(fā),其工業(yè)實踐的那天將會為人類提供大量的潔凈能源。優(yōu)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(fā)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(fā)是國際能源開發(fā)角逐的熱點,缺乏封閉空間的深海原位開采的連續(xù)實施與可能誘發(fā)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。

來源：煤炭學報