水溶法开采吴城天然碱矿的模拟试验.pdf

水溶法开采吴城天然碱矿的模拟试验 第六图书馆 水溶法采盐 碱矿床 模拟 实验石油大学学报自然科学版李怀录 周汝忠不详1992第六图书馆 第六图书馆 1 9 9 2 年第 1 6卷 第 5期 石 油 大 学 学 报 自然 科 学 版 J o “ n a t o ，z e n e r ￡ o f Pe t r o l e n m Ch i n a ．j 6Ⅳo ．5 0cZ ．j 992 水 溶法开采吴城天然碱矿 的模拟试验 7 李 怀 录周 汝 忠 炼制 系 摘要吴城 天然碱矿水溶 开采模 拟试 验证 明 ，采用双井对流 采矿 ，孔 道位 置是 影响 总碱 采 出率的主要 目素．孔 道在碱层 下部时 ，总碱采 出率最 高． 若 在 碱层 中 、 上部 形 成水 的 通道 ，或 天然 碱 层 之 上 覆盖 盐 岩 层 时 ，采 用注 气控 制 顶溶 ， 以 防 顶扳 过早坍塌． 既可提 高总碱采 出率 ，Y , ． E r 达 到盐碱分层 采 出，为采 出液 的分 离加 工提 供 万 便 - 、／ } v 辜 茎 T D 8 7 嚣‘ 业 些T p 7 ／ 、 f 中 图 法 分 类 号 1 ． 1 ’ ’ ， 一r n 7 』 、 1 0 引言 我 国近几年在 石油勘探 中，陆续 发现 了一些有 价值 的化学矿 ，为 油田发展 无机 盐工 业奠 定了基础．河南 油田探 区发现的吴 城和安栅天然碱矿 ，是近几年的重大发 现之 一． 利用油 田 的人力 、物力和技 术 ，加速开发天然碱矿 ，既可缓解我 国纯碱 供应紧张局面 ，又可获得较高 的经济效益 天然碱矿是典 型的化学矿床之一．天然碱呈层状分布 ，有价值 成分 的溶解性 较好 ，适于 溶解法采矿．这种 采矿 新技术 已日趋 完善 ，将 逐步取代传统 的采矿方法．吴城 天然 碱矿 ，近 几年采用钻井水溶 法试 采 ，已取 得了单井吞吐和压裂连通双井对流 开采 的初步 成效 ．但是吴 城天 然碱矿的上矿段 ，由于天然碱层 地质构造 和化学组成的特殊 性 ，目前 尚无较 好的开 采和 加工 方案．本文主要研 究吴 城天 然碱 矿的开采 方法 问题 ． 1 吴城天然碱矿的地质构造 吴 城天然碱矿位于河南 省桐柏县 城东北 2 0 k m处的吴城 乡 ，分 布于 吴 城盆 地 中心 偏北 ． 天然碱 矿系贮存于下第三系五里堆组 下段 的中 、下部．含碱 盐系剖面结构简单而规律． 含矿 区的上 、下段是粉砂质泥岩 ，含粉砂 白云岩与 油页岩 一中部盐碱 层一上部 含粉砂质 白云 岩或 白云 质泥岩 的基 本韵律层如 图 1 ． 在含碱 段上 部的天然碱层之上出现石盐岩 ，组成含天然碱石盐岩 或石 盐质 天然碱 层 ，韵 律 层序变为 油页 岩一天然碱 一石盐岩 一白云质泥岩层． 天然碱层 一 般 厚 0 ． 5 ～2 m，最厚 4 ． 5 6 m， 全 区最 多有 3 6层 ．矿 层 埋 深在 6 4 2 ． 7 6～ 9 7 3 - 7 8 m．大部分在 6 5 0 8 5 0 m， 分 布面 积为 4 6 6 k m ． 收 穑时 间 1 9 9 1 1 1 1 5 95 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 天然碱岩 的主要成 分是天然碱 、碳钠钙石 、石盐 、含少 量氯碳钠 镁石、方 沸石 、重碳钠 石、白云石、菱镁矿、磁黄铁矿、黄铁矿等．石盐岩层厚度在 l ～1 ． 5 IT I ， 少数大于 2 m ．大 多数分布在天然碱 层之上 ，和天然碱一起组成含天然碱石盐岩 、或 含石 盐的天然碱层． 吴城天然碱 矿储量丰 富 ，品 位较 高． 上 矿段 N a O。 平 均 品位 为 3 3 ． 9 ， N a C I 含量为 d 5 ． 5 5 ．下矿段 Na C Os 平 均 品位 为 5 4 ． 9 ， Na C I含 量 一般 小于 0 ． 3 ％．已探 明储量 为 纯碱 3 6 4 8 6 ． 7 k t ， 氯化钠 l 7 6 9 4 ． 5 k t ． 2 水 溶法 开采模 拟 试验 吴城天然 碱矿呈屠状 分 布 ， 品位较高 ．所 含 № O， 和 N a C 1 的溶解性较 好 ，适用于水 溶法 开 采 ．根 据 天 然碱 矿 的 品位 和组 成 ，配制不 同的 岩心 ，并在 地层温度 下进 行水 溶法 开 采模拟 试验． 2 ． 1 下矿段天然碱的溶采模拟试验 试验条件为 ，岩心规 格 b 3 4I T I I T I 2 3 0t r i m；岩 心质 量 组 成 N a C O； 为 1 5 9 ， N a H C O 为 9 ，自云 石 为 l 8 ，砂土 为 l 1 4 ， 水 为 l 0 0 ； 试验 温度 为 4 5 C j 注入水 速度为 5 ． 5 mL ／r a i n ． 首先将固体物捏合均 匀， ，加水调 台后装入岩心茼 ，并 留 一 个 b 5IT I IT I 的孔 道 ． 由于 N a HC Oa 的 存 在 ，它 与 溶 解 的 Na C O； 结合成 针状 的倍 半碳酸钠 ，形成一个 网状结构． 小颗 粒 的 Na , C O。 再继续与 水结 合成 水台 盐 ，经 1 2 h固化 后成 为 坚 硬的岩心．经 4 5 ℃ 恒 温预热 3 0 mi n后 ，进行 溶采 试验 ． 定时测定采 出液 的体积和 总碱含量 ，计算出总碱的采 出率和 采 出速度． 1 总碱 采出率． 以时间为横坐标 ，以累计 采 出率 为 纵坐 标作出图 2 ．由图 2可 以看 出，尽管试 验条 件 相 同 ， 由 于孔道 位置 不同 ，总碱 的采出率差 别较大． 孔道 在 下部 时 ． 岩 心的总碱采出率要高得 多．从 岩心经溶采后的截面图 图 3 来看 ，由于溶采面 以孔道为起 点呈扇面 向上发 展 ，孔道 愈靠上 部 ，被沉积的不溶性泥 砂覆 盖的 岩 心愈 多 ， 碱 的采出率 就愈低．这说 明，在 采用 双井对流开采 天然碱 时 ．无论注水井或 采液 井 ，应在 碱层 下部 射善 孔 ，这样 或以提高碱的采 出率． 壁 试验证明t在上述条件下， 8 h内总碱的累计 垡 采 出率均在 蚰％ 左右．采 出率 低 的原 因 ，一方 面 是采注 比不 可能达 到 】 0 0 ． 有 较 多 高浓度 溶 液 留 在采后 的孔 穴 中 ；另 一 方 面 ，有 相 当一 部 分岩 心 包括塌落下来 的部分岩 心被沉积的泥砂 、白云 石 等不溶物覆盖 ，未被溶 出． 96 地层 成 - } 花 岩 时代 盐 系 统 麓 l l 粉砂质圮岩 回 矗 疆 抽页岩 匠2 盈 天然碱矿层 上 中 皿Ⅲ Ⅲ Ⅲ 台盐无然碱 第 新 三 幕 统 { 大 要 舞 张 I 组 黉 2 惭 | 。一 皿 嚣 新 缝 下 矿 [ C 上 段 五 _ i 里 始 第 新 堆 含 JJ z ／ , g 组 盐 三 觋 天 然 勰 碱 天 霎 系 拣 古 l 碱 翌 强 h 新 基 境 。 ● 围 1 吴城嘴桐 1 7 ． 3 8 孔含 盐系 地层柱 状剖面圉 I ／h 围 2 总碱 采出率与时间的 关系 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 2 总碱采 出速 度．在溶 采 过 程 中 ，总 碱 的 采出速度．前期与后期有明显的差别．由于前期水 和碱 层直接接 艘 ，在温度和接触时 间相 同时 ．接 艘 面积大 小决 定溶出速度．在前期 ．不 溶物 附着 在岩 心表面 或沉积在 下部岩心表面之上 ，使含碱岩 心与 水接触面积迅速减小 ，溶 出速度降低较快．到后 圉3 溶采后岩 心的 截面圉 期 ，由于 水的密度小 ，在岩心 简内液面之上形成水的通路． 由下部 浓碱 液向水 中扩散后被溶 出．但 由于浓度 梯度变 化不大 ，采 出液浓度小 ，总碱采 出速度低 ．且随时 间变化不大 由图 可 以看 出，在 采液过程中 ，由于上部的岩心发生几次塌落 ．既 可排 出下 部 的高 浓度 碱 液 ， 又暂 时增加 了岩 心与水 的接触面积 ，因此 ，总碱 的采 出率 出现 几个突跃点．一般来说 岩 心 塌落 量有限 ，采 出速度会很快恢复到正常的变化规律． 2 ． 2 含盐夭然碱 的溶采模拟试验 吴城天然碱 矿上 矿段 属于含盐天然碱．除天然碱 3 中含有 Na C ] 外 ，在天然碱层 之上 还存 在盐 岩层 ． 对 这种天 然碱矿层 ，分别进行如下试验 ． 】混有 N a C ] 的天 然碱 模拟 试 验 根 据上 矿段 天然 碱矿的平均 品位制备岩心 ．试验条 件为 岩 心规 壁 格为 中3 4 r l3 1T l X 2 3 0 m m； 岩心质量组成 N a C O ， 为 鬈1 9 6 ， Na H C O， 为 9 ， N a C I为 1 3 8 ，白云石 为 1 8 ， 砂 土 为 3 9 ，水 为 8 0；试 验 温 度 为 4 5 ℃；注 入 水 速 度 为 5 ， 5mL／rai n ． 按此配 比，将 固体 粉 末混 合均 匀 ，j } ] 水 调和后装入岩 心 筒 ，并 在 岩 心下 部 留 一个 q 5 mm 的孔道 ，经 1 2 h固化 后 ，在水 浴 中预热 3 0rai n ，进注 行溶 采试验 ，测定每小时 内采 出液 中 Na C I 和 Na O 的含量 ，结果列于附表． } ／h 圉 4 总碱采出速度与时间 的关系 ①～② 为第一至五次坍塌 时采出率 的变化 附 表含盐 碱采 出液 的组 成 比 ’ 时 间 h j I N l 采 置 g j 4 7 ． 2 5 1 2 5 1 3 ． 髓 1 2 ． 8 6 ； 2 ． 3 2 1 2 ， 0 1 1 】 _ 8 0 J 1 ． 7 l 怠碱采出量 B l 3 0 5 6 l 7 l 5 l 2 3 4 f l 8 0 J 1 ． 4 3 } 1 3 4 l 】 ． I 2 f】 _ 0 6 G N 。 口／G2 ． a l l I ． 5 4 6 l I ． 5 4 6 l 1．5 6 4 l 1 5 8 9 l 1 ． 6 2 2 l I ． S 0 0 I I ． 6 0 7 l l 6 1 3 * 岩 芯 m N a C l 总 碱 之 比 为 1 ． 3 5 7 可以看出 ，采 出液 中 N a C I 和总碱的质量 比高于岩 心 中 N a C ] 和 总 碱 的质 量 比 ，而 且 呈 上升 趋势．这就说明 ， N a C I 的溶采速度高于碱的溶采速度．这种差距随 时 间的 延 长还 有 加 大趋 势．在生产中必然造成采 出液 中 Na C I 含量越来越多 ，增加分离的 困难． 2覆 盖有 盐 岩 层 的天 然碱 的溶 采 模拟 试 验 ．试 验 条件 为 岩 心 规 格 q 3 4 r c L t f l 2 3 0 mm； 岩心 质 量组 成 Na 2 C O， 碱 层 为 l 0 6 ，盐碱 层 为 l 0 ； Na H C O， 碱 层 为 6 ． 盐 碱层 为 6 ； N a C] 盐 碱 层 为 6 4 ；白云 石 碱 层 为 6 ，盐 碱 层 为 1 ． 5 ；砂 土 碱 层 为 8 2 ，盐 碱 层 为 1 8 ． 5 ； 水 碱层为 9 O ， 盐 碱层 为 3 5 ．试验温度 5 C， 注入水速度 5 ． 5mL／rai n ． 将 固体粉末 混合后用水调和 ，分别装入岩心 简 ，并使 含碱盐装在岩心筒的上部 ，形成 盐 碱层 - 留一个 q 5mm的 L 道 ，孔道位置如 图 5所示． 经 1 2 h固化后 预 热 3 0 rai n， 然 后 进 行 溶 采试验．定时 测量采出液体积 ，分析采 出液 中 N a t ] 和 总 碱 的含 量 ．分 别 计 算 Na C I 和总 9 7 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 碱的采 出率 ，结 果如 图 6 ． 由 I ， Ⅱ ， I 岩 心 的试 验 结 果对 比可 以看 出 ，孔道 位置不 同时 ，盐和碱 的 采 出率 变 化很 大 ． 就 I 岩 心来 说 ， 孔道 位置 在岩心下部边沿 由于溶采面 呈 扇 形 向上发展 ，碱 的采出率 较高 ；而盐 碱 层在扇形面之 内，盐 的 采 出率 很 高 ． 8 h内的采出率接 近 9 0 ．孔道 位置 靠 ⑤ ⑧ ④ 围 5 三种岩心中孔道位置示意围 上 部 ，盐碱的采 出率 降低 ．碱的采出率降低得更多． 如 I 岩 心 ，孔道 位置在碱层 上部 ， 8 h 内盐的采 出率下 降近 5 O ， 而总碱的采 出率 为 9 ． 1 4 。 下 降 7 2 ． 6 ．如果盐层中的碱的采 出 率也按 d 7 ． 7 4 计算 ，碱层 中碱的采 出率 只有 4 ． 1 3 ． 下 降近 9 0 ．可见用天然碱 的溶解法 开采 ，压裂连通 时 ，孔道位置对采出率的影 响是 至关重要 的因素． 对覆 盖有盐层的上矿段来 说 ，孔道位置显 得尤其重要．若孔道位置在碱层 之上 ．甚至 在 盐层 之 内 ，不 仅碱 的 采 出率 低 ，而且采盐 时沉积的泥砂覆盖碱层 ，形成死矿而 无法开采． 这种 破坏 性开采应当避免． 3 注气保护顶层 的溶 采模 拟实 验 ． 当开 采 天然 碱矿 时 ．如果压裂后裂缝呈纵 向时 ．注入 水进 行溶 采 ，由于水的密度小 ，必然 沿 裂缝 上 都通 过 ． 如 同孔道在碱层 上部一样 ，则使天然碱 的采 出率 降 低．若裂 缝之 上 还 有盐 层 ．必 然是 只采 盐 而不 采 碱 ，并使 碱层 被泥砂覆盖而造成死矿． 因此 ，注入 气 体形 成气层 ，保护上部不 被溶采 ，并迫 使水从下 部通 过 ，对提高碱 的采 出率是一个有 效的措 施． 采 用 I 岩 心 的试 验条 件 进 行溶 采 试 验 ． 当 c I 离子 浓度升高时 注入 气 体 ，并不断 补 充气体 ． 测 定采出液的体积 、 N a C ] 和总碱 含量． 分别 计 算 N a C I 和 总碱 的采 出率结果 ．见 图 7 ． 由图 6中的 曲线 I可 以看 出 ，在 注 气条 件下 ， 由于气层将盐层与水 隔开 ，使 盐的采出率大 大降 低 ，而碱的采出率基本上 不变 ．如 果 注 气再 提 前 ， 可能 会使盐的采 出率 降低 得更 多． 当碱采完之后 ，再采取 适当措施把 气体释放 出 来 ，可继 续 溶采 N a C I ．这样 不 但 使含 盐 天 然碱 得 到 合理 开采 ，而且 为采 出液 的分离加 工创造了 良好 的 条 件 ． 3 结论 将 五 士 嘛 V 脊 田 士 蕊 I ／ b 图 6 累计采 出宰与时间的关 系 c ／ h 1吴城天然 碱矿 ，无 论下矿段 的天 然 碱 或图 7 注气条件下的盐碱采出牢与时间的关系 是上 矿段 含盐天然碱 ，由于 N a C O， 和 Na C I的溶 解性 较好 ，适于 以水 为溶 剂 的溶 解法 开采 宜用 压裂 连通 双井对流法开采． - 2采用双井对流开采 时 ，注水 井和采液井的射孔位置对 天然 碱 的采 出率 影 响很 大 9 8 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 在天然碱层 下部 射孔 ，并 保持孔道 处在碱层下部 ，从 下部开 始溶 采 ．可提高采 出率 ． 3对上矿段 含盐天然碱 的开 采 ．注气可防止盐岩层过早 坍 塌 ，避 免 Na C 1 被 早 期溶 采 ，有利 于采 出液 的分 离加工． d采用溶解 法开采上矿段 的舍盐 天然碱矿 ，采出液 为 N a C O， 、 Na HC Ot 、 N a C I的混 合 溶液． 参考文献 1 刘群 ，陈郁华． 中国中、新生代琦源屑化 学岩型盐类沉积．北京 ；科学技术 出版社 ， 1 9 8 7 2 张志 洒．溶浸采矿与化工矿 产资源 的开 发．化工进 展， 1 9 8 7 ， | t 1 1 1 5 3李鹤 廷河南吴城天然 碱苛化法加工过 程中主要技 术方 案的选择．纯碱 工业 ．1 0 8 8 ， 6 1 5 2 1 SIMULATED EXPERI M EN T 0N W ATER DI SS0LUT1 0N M ETH 0D F0R PR0DUCI NG N ATI VE S0D A D EP0SI TS I N W UCH EN G Li H u a i l n Zh ou Rn z h o n 9 De p t ． of Che mi c al Eng i ne e r i ng Abs t r a c t The r e s ul t s of a s i m ul a t e d t e s t of w a t e r di s s ol u t i o n m e t h od f o r pr o du c i ng na t i ve s o da de po s i t s i n W uc h e ng He na n pr o vi nc e h a ve p r ove d t ha t t h e po s i t i o n of dr i l l h ol e i s a ma j o r f a c t o r i nf l u e n c i n g t h e r e c o v e r y o f s o d a ．wh e n i t i s mi n e d b y c o n v e c t i o n f l o w b e t we e n t wo w e l l s ． The r e co ve r y of s o da i s g r e a t e s t w h e n t h e dr i l l ho l e i s l o c a t e d be l ow t h e s o da l a ye r ． I f t h e c ha nne l of wa t e r i s f o r m e d i n t he m i d dl e o r u pp er pa r t of t he s od a l a ye r ． or t he na t i ve s o da l a ye r i s c o ve r e d wi t h a s a l t l a ye r ． t o p- di sso] ut i o n c a l l h e c ont r ol l e d by a i r i nj e c t i o n t o p r o t e c t t h e t o p p l a t e f r o m e arl y c o l l a p s i n g ．Th e t o t a l s o d a r e c o v e r y c a n be r a i s e d a nd ,s e p ar at e p r o duc t i o n of r oc k s a l t a nd s o da c a n be a c h i e v e d ． whi ch mak e s e a s y t h e l a t e r p r o c e s s i ng o f t he r e c ove r e d s o】 ut j on． S ub j e c t wo r d s W a t e r d i s s o l u t i o n me t h o d f o r s a l t p r o d u c t i o nNa t i v e s o d a d e p o s i t s ；Al k a l i de po s i t s Si m ul at i on Exp e r i m e nt 作 者简介李怀 录 ，男 ，副教授． 1 9 5 9年毕业 于兰州大学．现在石油大学炼制 系从 事无机 盐 的合成与分离研究． 99 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆