CN101126309B - 水平裂隙波动溶浸采矿法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平裂隙波动溶浸采矿法，涉及一种溶浸采矿法。本发明包括下列步骤：①形成注入井(1)和采收井(9)，并在矿层(3)中制造水平裂隙面(2)；②将混合形成的高压缩性流体经过注入井(1)注入矿层(3)；③不断波动矿层(3)中的流体压力；④在采收井(9)或者注入井(1)中收取含有矿藏的溶浸液；⑤直到溶浸获取的矿藏浓度低于经济开采浓度为止。本发明本发明简单、有效，有利于提高矿物的采收率、采收速度和采收范围，降低采矿成本，适用于铀、铜、金、稀土等矿物的溶浸开采领域。

Description

水平裂隙波动溶浸采矿法

技术领域

本发明涉及一种采矿法，尤其涉及一种基于水平裂隙与压力波动的波动溶浸采矿法，广泛应用于铀、铜、金、稀土、锌等矿物的溶浸开采领域。

背景技术

传统的原地溶浸采矿法是在注入井施加一定的恒定压力注入溶浸剂，溶浸剂在矿层中与某些矿物发生物理、化学反应生成溶浸液，并在采收井中直接抽取溶浸液，通过溶浸液获取有用矿物。采收率和采收速度是溶浸采矿的重要指标，是衡量提高资源利用率的指标，也是衡量溶浸开采状况的一个重要依据。注入井和采收井的相对位置直接影响到溶浸剂的溶浸范围和溶浸强度，钻井的分布位置不同导致不同的溶浸范围和溶浸强度；同时岩土体为非均匀的材料，由于裂隙、溶洞等切割岩体形成各种非均匀的岩体和岩块，导致了各样的优势流动区域和优势流动通道。传统方法注入的溶浸剂主要通过优势流动区域和优势流动通道直接进入采收井。溶浸剂影响矿层的范围有限，而矿层中的相对小渗透区域，溶浸剂流动缓慢或者不流动，形成“溶浸死区”或“死角”。

如图1，在有优势流动通道的情况下，溶浸流体主要沿裂隙(6)、溶洞(8)等优势流动面或流动通道中流动，而溶浸剂无法同优势流动面(通道)周围的矿层(7)充分流动、接触、反应获取矿物，从而该区域的矿体无法充分采收。

如图2，在有低渗区域情况下，溶浸剂主要通过高渗区域(5)流动，很少或者无溶浸剂通过低渗区域(4)流动。

图1、2显示常规的原地溶浸开采方法的溶浸范围(影响范围)非常有限，降低了矿物溶浸开采的范围和矿藏的采收率和采收速度。

综上所述，传统的原地溶浸采矿有以下缺点：

①传统的原地溶浸开采方法需要很多注入井和采收井，而钻井在整个溶浸开采中的成本比重是很大的，非常昂贵；同时溶浸影响范围受注入井和采收井的相对位置影响，溶浸范围和溶浸强度会受到钻孔布置的影响，有溶浸死角；

②由于矿层岩土介质性质的非均匀性和变异性导致溶浸剂优势流动，溶浸开采过程对矿层的影响有限；

③低渗区域的溶浸开采主要依靠分子扩散而不是对流、弥散来完成溶浸开采过程，因此低渗区域的开采速度慢，影响矿藏的采收率和采收速度。

如何降低溶浸的成本，减少钻孔使用量，提高溶浸范围，如何解决由于矿层的非均匀性导致的溶浸困难，如何提高溶浸开采的采收率、采收范围和采收速度？均是需要重点解决的问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述问题和不足，扩大现有技术的使用范围，提供一种水平裂隙波动溶浸采矿法，即一种基于矿层水平裂隙、矿层流体压力波动和气液混合物高压缩性的波动溶浸采矿法。本发明简单、有效，有利于提高矿物的采收率、采收速度和采收范围，降低采矿成本。

本发明的目的是这样实现的：

原地溶浸采矿法经过半个多世纪的发展，已经成为一种已被广泛应用于铀、铜、金、稀土、锌、钍等矿藏的溶浸开采领域。本发明是对原地溶浸采矿法的改进，场地布置如图3所示，包括下列步骤：

①形成注入井(1)和采收井(9)，或者将注入井(1)和采收井(9)合并为一种钻井，通过压力交替实现溶浸剂的注入和溶浸液的采收；并在矿层(3)中制造水平裂隙面(2)；

②通过高压注入设备将混合形成的高压缩性流体经过注入井(1)注入矿层(3)，或者采用气体和溶浸剂交替注入的方法在矿层(3)中形成高压缩性流体；

③不断波动矿层(3)中的流体压力，即通过不断升高或降低注入井(1)和采收井(9)的压力来实现矿层中混合流体压力的波动变化；

④在采收井(9)或者注入井(1)中收取含有矿藏的溶浸液；

⑤重复以上步骤①②③，直到溶浸获取的矿藏浓度低于经济开采浓度为止。

本发明的工作原理：

如图3，在矿层(3)中形成水平裂隙面(2)；在一定压力下形成溶浸剂和气体的混溶(或混合)流体，增大流体的胀缩性质，形成高压缩性混合流体；将混合流体通过注入井(1)和水平裂隙面(2)注入矿层(3)，然后不断降低和提高注入井(1)的压力，导致矿层(3)的混合流体的压力不断变化波动，形成混合流体的膨缩变形，使得混合流体不断在矿层(3)和水平裂隙面(2)之间流动，同时增加矿层中优势流动和非优势流动区域的流动，然后在采收井(9)获取溶浸液。

本发明具有下列优点和积极效果：

①大幅度减少整个原地溶浸的钻孔数量，大幅度降低溶浸开采的成本；同时降低注入井(1)和采收井(9)布井位置对采收率和采收范围的影响；减少溶浸死角。

②削弱因矿层非均匀区域(高渗、裂隙、洞穴、指进严重等)导致流体的优势流动，增加溶浸液在低渗区域和非优势流动区域的流动速度、流动机会和时间；变低渗和优势流动周边区域以分子扩散为主的溶质迁移过程为对流和弥散为主的迁移过程，加速整个溶浸开采过程，削弱优势流动现象对溶浸的负面影响。

③在压力波动作用下，砂岩或者岩体中的水力梯度是动态变化的，每个压力波动都会对岩石颗粒表面的结合水产生扰动，降低弱结合水对流体流动和溶浸化学反应的阻滞作用，加快流动过程和化学反应速度。

本发明适用于铀、铜、金、稀土等矿物的溶浸开采领域。该方法适用于任何能够进行原地溶浸开采的矿层，也适用于由于矿层非均匀性强烈而不适合进行传统溶浸开采方法开采的矿层，主要针对后者，大大突破传统溶浸开采方法的范围和提高矿物的采收率。

附图说明

图1是在有优势流动情况下的开采流体流动示意图；

图2是在有低渗区域情况下的开采流体流动示意图；

图3是本发明的场地布置示意图；

图4是本发明裂隙与矿层之间的流体流动示意图；

图5是升压过程中流体在矿层中的流动示意图；

图6是降压过程中流体在矿层中的流动示意图；

图7是升、降压过程中流体在有优势流动矿层中的流动示意图；

图8是注入井压力随时间变化关系示意图；

图9是溶浸场地钻井水平布置示意图。

其中：

1-注入井；

2-水平裂隙面；

3-矿层；

4-低渗区域；

5-高渗区域；

6-裂隙面；

7-开采死区；

8-溶洞(或溶腔)；

9-采收井。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

1、关于准备工作

通过一些已有的处理措施(如：真空法、充气法、气体驱替等方法)将矿层(3)中的部分水分排出形成非饱和岩体(岩体孔隙中不全为液体)，以便于包含溶浸剂的高压缩混合流体进入低渗区域。

2、关于步骤①

能够产生水平裂隙面(2)的前提条件为整个矿层具有良好的封闭条件(渗透性相对矿层较小的帽岩和底板岩层)；同时帽岩和底板相对于矿层具有较高的强度，减少水平裂隙从帽岩或底板开展的几率，保障水平裂隙只从矿层中产生。一般水平裂隙产生的条件要求矿层的水平地应力大于垂直地应力，或者采用一般水平裂隙产生的条件确定能否产生水平裂隙(参见公式1、2)，其中产生水平应力的矿层水平应力和垂直应力条件为：

σ_h＞K₀σ_v+σ_t    (1)

$K_0=\frac{v}{1-v}---\left(2\right)$

σ_h-有效水平地应力；

σ_v-有效垂直地应力；

σ_t-矿层岩体抗拉强度(或劈裂强度)；

v-岩层岩土体的泊松比。

采用矿层水平裂隙产生方法(如：水压致裂、气压压裂等压力致裂方法)手段形成矿层(3)中的水平裂隙面(2)。

2、关于步骤②

通过液气混合方法(如喷雾法、气泡法等)将包含溶浸剂的液体和气体在注入井(1)中或通过其它设备中混合，混合形成高压缩性的混合流体；气体成分为对溶浸中化学反应为惰性或不影响混合流体膨胀收缩性质的气体(如：氧气、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷、氨气等及其混合气体)，气体的体积为溶浸液体积的0.01～1000倍范围内；不同的比例可以获得不同压缩性的混合流体。

通过高压注入设备(如泵、压力机、高压容器等)将高压缩性的气液混合流体(包含溶浸剂)经注入井(1)注入矿层(3)。

或者采用气体和液体交替注入矿层，在矿层(3)中混合形成高压缩性混合流体，也可以达到步骤②目的。

3、关于步骤③

通过高压注入设备(如水泵、高压泵等)不断降低或增加注入井(1)的压力实现矿层(3)中的混合流体压力波动变化，其核心目的为实现高压缩性的混合流体在矿层中不断膨胀和收缩变形。其压力波动变化随时间变化可以为任意关系，如图8中便是其中一种变化关系。其矿层的流体压力升高上限以不压裂矿层为准；流体压力降低的上限是注入矿层后形成的气液混和流体能够依靠气体膨胀而实现混合流体的膨胀，下限以压力不能降低到损伤矿层岩土体为控制标准，岩土体不能产生破碎岩体或粉细化现象。其核心目的是：流体压力升降中，混合流体能够呈现体积剧烈膨胀和收缩，从而实现溶浸剂和溶浸液在非优势流动区域内快速流动的目的。

*在升压过程中，混溶(混合)流体收缩，通过高渗区域(5)流入低渗区域(4)，如图5所示。

*在降压过程中，流体在低渗区域(4)膨胀，并流出低渗区域(4)，进入高渗区域(5)，如图6所示。

*在有优势流动面(通道)的情况下的流体流动方式如图7所示，混溶(混合)流体不断在非优势流动区域的开采死区(7)和优势流动面或通道的裂隙面(6)、溶洞(8)之间往复交换，改变了传统方法溶浸剂不能到达非优势流动区域的局限。步骤①形成的水平裂隙面(2)为整个矿层中最主要的优势流动面，本专利主要利用水平裂隙面(2)作为传输通道进行波动溶浸。

4、关于步骤④

在注入井(1)中收取含有矿藏的溶浸液；具体实施方法为一般获取地下流体的方法，形式多种多样：可以采用在注入井(1)利用高压泵抽取矿层流体；也可以通过释放注入井(1)的压力，利用矿层流体的高压缩性(高膨胀性)自动流出；或者在压力波动过程中获取(亦可与步骤③同时开展，即在波动过程中的压力降低过程中获取溶浸液)。

5、关于多钻井溶浸开采

多个钻井同时工作时，可以控制注入井(1)中的压力稍大，采收井(9)的压力稍小(例如图9所示，也可以采用其它的布孔形式)，这样可以保证溶浸液流动的范围更大，增加波动过程中钻井与钻井之间中间区域的溶浸液流动机会。

当注入井(1)和采收井(9)合并后，可使采区其中一些钻井的平均压力较大，另外一部分钻井的平均压力较小(也可以采用如图9相似的方式)，这样可以达到同以上一样的效果。

Claims (1)

1.一种水平裂隙波动溶浸采矿法，其特征在于包括下列步骤：

①形成注入井(1)和采收井(9)，或者将注入井(1)和采收井(9)合并为一种钻井，并在矿层(3)中制造水平裂隙面(2)；

②通过高压注入设备将混合形成的高压缩性流体经过注入井(1)注入矿层(3)，或者采用气体和溶浸剂交替注入的方法在矿层(3)中形成高压缩性流体；

③不断波动矿层(3)中的流体压力，即通过不断升高或降低注入井(1)和采收井(9)的压力来实现矿层中混合流体压力的波动变化；

④在采收井(9)或者注入井(1)中收取含有矿藏的溶浸液；

⑤重复以上步骤①②③，直到溶浸获取的矿藏浓度低于经济开采浓度为止；

产生水平裂隙面(2)的前提条件要求：

矿层的水平地应力大于垂直地应力；

采用矿层水平裂隙产生方法形成矿层(3)中的水平裂隙面(2)；

步骤②中：

气体的体积为溶浸液体积的0.01～1000倍范围内；

通过高压注入设备将高压缩性的气液混合流体经注入井(1)注入矿层(3)，或者采用气体和液体交替注入矿层，在矿层(3)中混合形成高压缩性混合流体；

步骤③中：

通过高压注入设备不断降低或增加注入井(1)的压力实现矿层(3)中的混合流体压力波动变化；

以实现高压缩性的混合流体在矿层中不断膨胀和收缩变形；

在升压过程中，混溶或混合流体收缩，通过高渗区域(5)流入低渗区域(4)；在降压过程中，流体在低渗区域(4)膨胀，并流出低渗区域(4)，进入高渗区域(5)促进非优势流动区域和低渗区域之间的流动；

在有优势流动面或通道的情况下的流体流动方式，混溶或混合流体不断在非优势流动区域的开采死区(7)和优势流动面或通道的裂隙面(6)、溶洞(8)之间往复交换；

步骤①形成的水平裂隙面(2)为整个矿层中最主要的优势流动面，主要利用水平裂隙面(2)作为传输通道进行波动溶浸。

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