原位改性流体化采矿科学、技术与工程.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭 学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ．2 0 2 1 原位改性流体化采矿科学、技术与工程 赵阳升1 一，梁卫国1 ”，冯子军1 ’- ，冯增朝2 ，杨栋2 1 ．太原理工大学矿业工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 ；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0 3 0 0 2 4 摘要为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题，提出了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，系统介 绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与关键技术、工程应用领域等核心内容。 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。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。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。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。建立的三维孔隙裂隙双重介质逾渗理论是该方法适用性 确定的主要依据。概括介绍了覆盖的工业与工程领域及其相应的原位改性流体化采矿技术、工程 的发展现状及其展望，这些工业与工程领域包括煤层气、盐矿、油页岩、放射性及有色金属矿产、天 然气水合物、低变质煤、干热岩地热等。原位改性流体化采矿方法将有力推动极为广泛的、新型的、 下一代非常规地质资源能源的清洁高效开发。 关键词采矿工程；流体化开采；原位改性；非常规地质资源能源；矿体 中图分类号T D 8 2 1文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 O 卜0 0 2 5 1 1 S c i e n c e ，t e c h n o I o g ya n de n g i n e e r i n go fi n - s i t um o d i 6 e dm i n i n gb yn u i d i z a t i o n Z H A 0Y a n g s h e n 9 1 一，L I A N GW e i g u 0 1 一，F E N GZ i j u n l ”，F E N GZ e n g c h a 0 2 ，Y A N GD o n 9 2 1 ．∞z z 譬可肘z n z 帽E 愕i 聊e “昭，弛咿M 肌“m 钾糟l ‘y 巧7 奢砒肋Z o ∥，死0 w 帆0 3 0 0 2 4 ，劬i n o ；2 ．K 町如6 0 m 加∥∥』n 一5 池P ，叩叭i e s ’肘D d 扣d 肘溉昭Q ， 胧n 如何旷尉Ⅷ踟n ，％咖m n ‰池”毋妒‰ ，l D 切，死哆“n n0 3 0 0 2 4 ，c i n n A b s t m c t I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a t t r a d i t i o n a lm i n i n gm e t h o dc a n n o te f f i c i e n t l ye x t r a c tu n c o n v e n t i o n a lg e o - r e - s o u r c e sa n dg e o e n e r g y ，t h ei n s i t um o d i 6 e dm i n i n gm e t h o db yn u i d i z a t i o n I M M F w a sp r e s e n t e d ．T h eI M M Fm e t h o d i sd e 6 n e da san e wm i n i n gt e c h n o l o g yt h a tn u i d i z e sa n dm i n e sv a l u a b l em i n e r a l sf m m d e p o s i tb yi n s i t um o d i f y i n gt h e p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fd e p o s i t ．T h ec o n c e p ta n dc o n n o t a t i o no ft h eI M M Fm e t h o dw a si n t m d u c e di nd e - t a i l ．S o m ec o r ec o n t e n t s ，i n c l u d i n gf h n d a m e n t a lt h e o r i e s ，t e c h n i c a lp r i n c i p l e s ，a n di n d u s t r ya n c y o re n g i n e e d n ga p p l i e d ， w e r es y s t e m a t i c a l l ye l a b o r a t e d ．T h ep r o m i n e n tc o n n o t a t i o n sa r er e n e c t e di nt h a tu s i n gp h y s i c a la n d ／o rc h e m i c a lm e t h o d st om o d i f yt h ep I ．o p e r t i e so fd e p o s i ta n dm i n e m lu n d e ri n - s i t uc o n d i t i o n s ，t h a tt h em o d i f i e dd e p o s i tb e c o m i n gm o r e p o r o u s ，m i n e r a lb e c o m i n gn u i d i z e da n di m p r o v e d ，a n dt h a tf i n a U yr e a l i z i n gt om i n ev a l u a b l em i n e r a lb yf l u i d i z a t i o n ． B a s e do nt h ee v o l v e dc h a m c t e r i s t i c so fd e p o s i t ’sp r o p e r t i e s ，t h eI M M F ’ss c i e n t i f i ci s s u e sc o v e rr e s i d u a ls k e l e t o na n d n o n r e s i d u a ls k e l e t o n ．H e n c e ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e sm a i n l yi n c l u d et h ee v o l u t i o nl a w so fo r e m a s sp r o p e n i e sc o u p l e db yt h e 珊o T - h y d r o H 一m e c h a n o M 一c h e m i c a l C e f ．f e c t ，a n dn o n - 1 i n e a rt h e o r e t i c a lm o d e l si nt h ea b o v et w o 收稿日期2 0 2 0 1 l 一2 4修回日期2 0 2 卜O 卜0 4责任编辑郭晓炜D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．Y G 2 0 ．1 8 2 6 基金项目国家自然科学基金资助项目 1 1 7 7 2 2 1 3 ，u 1 8 1 0 1 0 4 ；山西省高等学校创新人才支持计划资助项目 1 8 3 0 1 0 1 4 8 一S 作者简介赵阳升 1 9 5 5 一 ，男，山西太原人，中国科学院院士。E m a i l y s z h a o 2 6 3 ．n e t 引用格式赵阳升，梁卫国，冯子军，等．原位改性流体化采矿科学、技术与工程[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 1 2 5 3 5 ． Z H A 0Y a n g s h e n g ，U A N GW e i g u o ，F E N GZ 玎u n ，e ta 1 ．S c i e n c e ，t e c h n o l o g ya n de n 矛n e e r i n go fi n s i t um o d m e dm i n i n gb yn u i d i z a t i o n [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a lS o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 1 2 5 3 5 ． 移动阅读 万方数据 2 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 i s s u e si n v o l v i n gt h eT H M C c o u p l i n g ．T h et e c h n i c a lp r i n c i p l e si n v o l v ei nt h ec r i t e r i o no ft h eI M M Fa p p l i c a t i o n ，p h y s i c a l a n d ／o rc h e m i c a li n s i t um o d i f i c a t i o n ．T h ec r i t e r i o ni sb u i l tb yt h ep e r c o l a t i o nt h e o r yo ft h r e e d i m e n s i o n a lp o r e f i s s u r e d u a lm e d i a ．T h ei n d u s t r ya n c 沙o re n g i n e e r i n ga p p l i e d ，a n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t so ft h ec o n ．e s p o n d i n gI M M Ft e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n gw e r ef 1 】r t h e re l a b o r a t e d ．T h ei n d u s t r ya n d ／o re n g i n e e 而n gi n c l u d e sc o a l b e d m e t h a n e ，r o c k s a l to r e ，o i ls h a l e ，r a d i o a c t i v ea n dn o n - f e r r o u sm e t a lo r e s ，n a t u r a lg a sh y d r a t e ，l o w m e t a m o r p h i cc o a la n d h o td r yr o c kg e o t h e 硼a 1e n e r g y ．T h eI M M Fm e t h o dw i l lp o w e I f u l l yp I ．o m o t et h ee m c i e n ta n dc l e a nm i n i n go nt h en e w a n de x t e n s i v en e x t g e n e r a t i o nu n c o n v e n t i o n a lg e o - r e s o u r c e sa n dg e o e n e r g y ． K e yw o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；m i n i n gb yn u i d i z a t i o n ；i n s i t um o d i f i c a t i o n ；u n c o n v e n t i o n a lg e o r e s o u r c e sa n dg e o - e n e 理了；d e p o s i t 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⋯，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14 0 0 多年前的中国和欧洲进行的盐矿水溶开采。2 0 世纪 2 0 年代，前苏联开始煤炭地下气化。2 0 世纪6 0 年代 我国和美国开始了铜矿、铀矿的原位溶浸开采。2 0 世纪8 0 年代，美国进行了干热岩地热开采等等。自 2 0 世纪8 0 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忙J ，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 与理论研究旧。4J 。2 0 0 6 年笔者提出了“固体矿物流体 化开采”的新型研究方向∞o ，2 0 1 0 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，2 0 1 8 年国家油页岩注热开采研发中心落户太 原理工大学。自2 0 0 0 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2 0 0 5 年和2 0 1 4 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 相，，[ 6 ] L no 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，即变形一渗流一传热传质一化 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 万方数据 第1 期赵阳升等原位改性流体化采矿科学、技术与工程 2 7 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，4 5 0 ℃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 孑L 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洞一孔隙一裂 隙一裂缝通道输运，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人到地下矿层， 经过已开采区域，流体化开采未开采区域的矿物。 2 固一流一热一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，以及固一流一热一化学 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3 0 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6 0 0 ℃，2 0M N 高温高压岩体三轴试验机“ J 、 流体传压高温高压三轴T H M c 耦合作用试验机、液 体传压高温真三轴试验机、高精度显微c T 试验机、 高温三轴一C T 在线微型三轴试验机⋯，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 1 9 2 3 年，T E R z A G H I 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。1 9 4 1 年，B i o t 在三维固结 情况下，发展了T E R Z A G H I 有效应力原理，即 矿； ％一叩6 i o 仅 1 1 其中，一为有效应力张量；仉i 为总应力张量；“为有 效应力系数，也称为比奥系数；p 为孔隙压力；6 i i 为 K m n e c k e r 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。 2 0 世纪9 0 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孑L 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 | d 口l n 2 日 口3 p 0 4 印 2 式中，n ， 扛1 ，2 ，3 ，4 为常数；p 为总体积应力。 2 ．2 T H M 耦合作用下岩石渗透特征 图l 为高温三轴应力下，砂岩的渗透性演变规 律，其中，P 。为气体孔隙压力。由图l 可知，砂岩在 1 5 0 ℃之前，其渗透率非常小，与原始状态无异，但当 温度达到1 5 0 ℃以后，其渗透率急剧升高，在2 0 0 一 2 5 0 ℃达到峰值区域，之后随着温度继续升高，其渗 透率反而下降，4 0 0 ℃达到了最低点，在4 0 0 ～4 5 0 ℃ 一段，渗透率维持不变，但较原始状态其渗透率依然 高出1 0 倍左右。从4 5 0 ℃开始，随着温度继续升高， 渗透率又继续升高，到6 0 0 ℃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 T I m C 耦合作用下煤的孔隙和渗流演变规律 利用6 0 0 ℃，2 0M N 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 6 0 0 ℃内随温度变化分为3 个特征阶段 图2 一J ① 室温一3 0 0 ℃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；②3 0 0 ～4 0 0 ℃ 的中温段，渗透率增加幅度较大，且呈指数规律增加， 万方数据 2 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 图l永城长石砂岩渗透率随温度的变化曲线4 F 培IP e I l l l P a l i l i t yc 1 1 a n 舻w i t hI ㈤1 e r a l L 胛 fY Ⅲ则㈣g a r k o s e 4 在4 0 0 ℃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；③4 0 0 ～6 0 0 ℃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2 不同热解温度下气煤的渗透率演化规律 围压1 8 ．7 5M P a ，轴压1 2 ．5M 1 a F 嘻2 G a sc o a lI ㈣T l e a l i l i y ‘h a l 嚼n gw i t hp y m l ’s i sl ㈨1 l Ⅲa f L l r P c o n “n i n gp l ‘e s 吼l I e18 ．7 5M P a ，a x i a lp I ’e s s u l ’e 12 ．5M1 a 2 ．4 T H M C 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贞岩不 同温度时孑L 隙率变化曲线。1 0 ‘。1J ，大庆油页岩测试温 度点相对稀疏，但基本可以看到，室温～4 0 0 ℃，孔隙 率仅略有增加，而4 0 0 ℃开始急剧增加，到5 0 0 ℃孔 隙率达到约3 3 ％，说明油页岩热解的阈值温度在 4 0 0 ～5 0 0 ℃。抚顺油页岩测试温度从3 0 0c C 开始加 密，间隔2 5 ℃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4 0 0 ～4 2 5 ℃，4 2 5 ℃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～3 5 0q C ，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 1 0 ～c n l ／s 。渗透性从4 0 0 ℃开始剧烈增加，4 5 0 ℃达 到1 ．7 5 1 0 一c r n ／s ，与3 5 0q C 的渗透系数相比，增加 1 7 ．5 倍，这正是油页岩热解渗透的阈值温度区问 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 F 碡3 I ’m ’e s s f ’i ls 1 1 a l 。l Ⅳo l 小，p o l ’ 商 ’a l 1 1 ”v n h t h Pt ’h a n g en ft e n l p e l a fL l r P 图4 油页岩渗透率随温度的变化曲线 F i g ．4 i ls h a l ep e I l l l e a b i l i t yc h a n g i l l gcurvew i “1f h P t e m I P I ．a l u r e 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 流体化和矿体多孑L 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5 0 ％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F 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 万方数据 第1 期赵阳升等原位改性流体化采矿科学、技术与工程 2 5 ％，残留的矿体就构成了孑L 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 ．0 5 ％的铀矿层采用强 酸或强碱的原位溶浸开采，N a S O 。质量分数3 0 ％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1 9 5 7 年提出至今5 0 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 p e r c o l a t i o n 与渗流 s e e p a g e 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。2 0 0 7 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2 | ，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Ⅳ0 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‘1 3 1 厂 n ，Ⅳ0 ，D 凡一n 一Ⅳ0 e 4 Ⅲ3 D - 1 2 7 1 3 3 其中，Ⅳ0 为裂隙分布初值；D 为裂隙分形维数；n 为 三维单纯孔隙介质逾渗阈值，为o ．3 1 16 ；n 为孔隙 率。根据式 3 即可得到不同条件下的逾渗阈值。 当以n ，Ⅳ0 ，D ≥O 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 八n ，Ⅳo ，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 1 9 9 9 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 后 Ⅱe 一的 叩 4 式中，后为渗透率；o ，6 ，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4 | 。持续研发 水力割缝成套技术与装备1 3a 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1 8 0 2 3 0 ℃，以及5 0 0 ℃以上均十分活跃。鲁灰花岗岩在 4 0 0 ℃之前则有3 个大的热破裂剧烈段5 | ，即1 2 5 1 7 5 ，2 5 0 ～2 7 5 ，3 4 0 3 7 5 ℃。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N a S O 。C a S O 。的化 合物及其他成分，其中硫酸钠和硫酸钙占7 0 ％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 万方数据 煤炭学报 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 N a S O 。C a S 0 。矿物发生水化反应，N a ，S 0 。 C a S 0 4 分离，N a ，S 0 4 生成N a2 S 0 4 1 0 H 2 0 ，完全溶 于水，形成盐溶液。同时，C a S 0 。重新结晶形成 C a S 0 。2 H ，0 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孑L 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c T 剖面” F i g ．5 C Ti n l a g eo fg l a u b e r i t ea t 1 i m r e n td i s s o I v e dt i n 刊1 6 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“c T 2 2 5 k v F c B 型高精度c T 分析系 统，研究了大庆油页岩从常温加热到6 0 0c c 的过程 中，热破裂裂缝的孕育、发生和发展0 ‘j 。在室温～ 3 0 0 ℃，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1 0 0 ℃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 ～4m m 的裂纹。在2 0 0 ℃时，形成了1 0 条裂纹， 3 0 0 ℃时形成了1 5 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3 5 0 ℃时，渗 透率增加到1 ．7 5 1 0 。1 8 m 2 ，这一大小的渗透率足以 使得原位开采油页岩时注人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、1 0 “川3 0 0 ～4 0 0c c 是油页岩内部裂隙数量急剧增加的温度段，在陔温度 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3 5 0 ～4 0 0 ℃。如抚顺油页岩3 5 0c | C 时的渗透率 为1 ．7 5 1 0 。8m 2 ，4 0 0 ℃达到1 3 1 0 1 8n 1 2 ，4 5 0 ℃上 升到3 0 1 0 ‘。8m 2 。笔者团队在对油页岩岩j 占进行过 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 万方数据 第l 期赵1 5 f | 升等原位改性流体化采矿科学、技术与j [ 程 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