原位改性流体化采矿概念的内涵

原位改性流体化采矿方法,即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。其突出内涵是在原位,采用物理与化学方法改造矿体与矿物,改造后的矿体多孔化、矿物流体化、矿物提质改性,实现矿物流体化开采。同时指出根据矿体性态变化特征,原位改性流体化采矿问题可分为残留骨架和无残留骨架两类问题。

原位改性流体化采矿科学理论

主要包括固流热化学耦合作用下矿体物理与力学特性演变规律、两类问题的固流热化学耦合的非线性理论模型。

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。

原位改性流体化采矿技术原理包括原位改性流体化采矿的适用性判据、物理改性原理和化学改性原理。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。

同时介绍了：矿层压裂改性与卸压破裂改性技术原理、热破裂增透改性技术原理、矿层溶矿层解改性技术原理、矿层热解改性技术原理（油页岩热解改性技术原理、煤热解改性技术原理）、矿层改造开采井网建造方法。

原位改性流体化采矿可行性判据

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,冯增朝和赵阳升等最早开展了孔隙裂隙双重介质的逾渗研究,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。

原位改性流体化采矿理论———演变多孔介质传输

（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。

（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。

文章最后给出了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。

原位改性流体化采矿相关工业与工程的技术现状

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,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,工业开发指日可待低渗透储层飞禽走兽老虎机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。

来源：煤炭学报