多因素综合作用下卤水盐结晶实验研究

张传达,梁卫国,李 宁

(太原理工大学 采矿工艺研究所,原位改性采矿教育部重点实验室,太原 030024)



多因素综合作用下卤水盐结晶实验研究

张传达,梁卫国,李 宁

(太原理工大学 采矿工艺研究所,原位改性采矿教育部重点实验室,太原 030024)

针对盐矿水溶开采过程中盐结晶析出附着在采卤管道上，使采卤效率降低或采卤管堵塞的问题,综合考虑了卤水温度、盐含量和流速等因素在开采过程中的变化情况,根据相似模拟准则,在实验室内搭建的物理模拟试验平台上进行了多因素综合作用下盐结晶析出规律的研究。试验结果表明,由Na2SO4-NaCl-H2O三元水盐体系相图可知,Na2SO4质量浓度最大为20 g/L时,卤水中只有NaCl结晶析出;多因素综合作用下,影响盐结晶的主要敏感因素为卤水温度和盐含量;当卤水中各组分质量浓度之和为318 g/L,温度降为20 ℃时,卤水中才有结晶析出。本研究为盐矿开采预防结晶堵管提供一定的理论指导。

卤水;盐结晶;多因素;采卤管堵塞

根据盐类矿物易溶于水的特性,对其开发利用常运用水溶开采的方法。水溶开采方法是将盐类矿床中的可溶性盐类矿物被水原位溶解,转变成流动状态的卤水,并通过采卤管被输送到地表。水溶开采方法随着科学技术的进步而革新改进。目前，我国采用较多的有单井对流法、双井压裂连通法、定向对接连通法，以及组合连通法等方法[1-2]。在采卤过程中,由于盐结晶使采卤管道堵塞,致使出卤量减少或生产停顿,严重影响生产计划和经济效益。我国已有学者研究了盐结晶井堵及解堵方法。李文魁等[3]指出，盐结晶堵管的主要原因是出卤盐含量过高, 卤水含膏量大。杨敏官等[4]针对管路结盐的诱导期进行了研究,结果表明，过饱和度是结盐诱导期的主要影响因素。由于溶液过饱和度提高,管壁上结盐成核速率增大,诱导期持续时间随卤水盐含量升高而减短。盐类埋藏深度较大,水溶开采时卤水盐含量近于饱和,当卤水水温较高,卤水上升至近地表时,由于温度降低,卤水中的NaCl(或Na2SO4)就会结晶析出堵管[5-8]。许云[9]结合输卤泵内部和输送管道有结晶垢的情况,采样先分析其成分；然后将自制的有机膦酸水溶液、聚天冬氨酸粉末按5∶1的摩尔比进行配比,做成阻垢剂；按5 g/L的阻垢剂加入输卤系统后,除垢效果良好。罗安民等[10]对采卤井卤水结晶的原理进行了探讨,给出了预防盐结晶的措施。到目前为止，利用模拟试验台研究盐结晶规律的文献鲜见报道。笔者通过在实验室搭建的物理模拟试验台上研究多因素综合作用下盐结晶规律,为现场预防结晶堵管提供一定的理论指导。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

为计算现场采卤管中卤水流速v,根据v=Q/S可知,只要有现场出卤量Q和采卤管道横截面面积S等参数,就可知道v。因此,对现场采卤工况进行了调研。现场注水量为100 m3/h,由于注采比为0.97,则出卤量Q为97 m3/h;地下采卤管内径76 mm,地面采卤管内径159 mm,则可计算出地下采卤管截面面积为：

S=πr2=3.14×382=4 534mm2=0.004 534m2.

现场采卤流速:v=Q/S=

97/(3 600×0.004 534)=5.94 m/s .

1.1.1 试验台模型管径及运行参数

实验相似模拟需要满足以下3条相似率:几何相似、动力相似、运动相似。由相似理论可知:

几何相似比xr=dm/dp;面积相似比yr=xr2;

式中:几何相似比xr,面积相似比yr,速度相似比zr，流量相似比nr,均为无量纲量;dm为模型采卤管内径,m;dp为现场采卤管内径,m。

1) 几何相似比xr=dm/dp.实验台选取内径为40mm的有机玻璃管作为采卤管,即dm=40mm；现场采卤管管径为76mm,则xr=dm/dp=40/76=0.53. 与现场地面管相对应的实验台中的管径为:

dm=dp×xr=159×40/76=83.4 mm .

式中:Qm为模型流量,m3/h;Qp为现场流量,m3/h.

式中:vm为模型流速,m/s;vp为现场流速,m/s。

经计算得出,模型中泵的排量为19.49 m3/h,有机玻璃管中卤水流速为4.31 m/s。此时,模型中的排量和流速分别符合由几何相似推导出的流量相似和速度相似的关系式。

1.1.2 试验台搭建及数据监测

在实验室自行设计并搭建了物理模拟试验平台,材质为有机玻璃管,如图1所示。有机玻璃管长为20.5 m,壁厚为5 mm,管上布有12个监测点,每个监测点利用温度计和水龙头分别采集管中卤水温度及盐含量。需要说明的是,物理模拟试验台分为水平放置和垂直放置,其中水平放置时有机玻璃管内径均为0.04 m,垂直放置时出卤口段(最后一个弯管到出卤口)换为内径为0.08 m的玻璃管。开泵后,离心泵将卤水池中的卤水泵入有机玻璃管,卤水经玻璃管后回到卤水池,如此反复循环直至试验停止。

图1 卤水结晶物理模拟试验台示意图(水平放置)Fig.1 Schematic diagram of physical simulation test-bed on brine crystallization (horizontal placement)

1.2 试验方法

一般而言,温度和压力对盐类矿物的溶解度均有影响，NaCl溶解度随温度的升高而增大。结合现场监测，埋深为1 700 m时,卤水由井底采出到地面的温度区间10～55 ℃,对应的NaCl溶解度为357.2～369.2 g/L[5];而压力变化对NaCl的溶解度影响较小,由0 MPa的359.1 g/L，变为25 MPa的362.2 g/L[5],溶解度变化了仅3.1 g/L,可以暂不考虑压力对溶解度的影响。在实验室内配比NaCl和Na2SO4不同比例的卤水,其中各组分配比质量浓度分别为:

ρ(NaCl)=300.5,307.5,313.5,320g/L;

ρ(Na2SO4)=13,17.5g/L.

2 盐结晶影响因素分析

2.1 流速对盐结晶的影响分析

宝娣[11]研究了在不同结晶器中NaCl溶液结晶的流速范围,指出玻璃、硬橡胶和硬聚氯乙烯塑料等作为结晶器(内径为10mm)时,NaCl结晶时的流速范围为3～12m/s。由于本实验中选用有机玻璃管作为卤水管道,所以研究了318g/L(30 ℃时NaCl饱和质量浓度)的NaCl溶液在不同温度、不同流速下的盐结晶动态实验结果(持续5min),如表1所示。

表1 NaCl溶液结晶实验参数

在卤水循环过程中,有机玻璃管壁上无盐结晶现象,这主要是由于运行过程中卤水池与有机玻璃管中卤水温差较小,一般为0.5～1 ℃,卤水并没有被冷却，达不到盐结晶析出的条件。因此,卤水温差较小时,改变流速对盐结晶无影响。在随后的试验中,当卤水循环一段时间后停止循环,对静态条件下采卤管中卤水的盐结晶现象规律进行研究。

2.2 卤水盐含量对盐结晶的影响分析

利用Origin和相图作图原则[12-13],根据文献[14]可以得到不同温度下,NaCl-Na2SO4-H2O三元水盐体系相图,如图2所示；卤水温度分别为10.2,15,20,25,30，50 ℃。其中：F点为NaCl、Na2SO4与两个固相平衡的饱和溶液,两盐共饱和点；D点为Na2SO4-H2O二元体系中Na2SO4的溶解度；E点为NaCl-H2O二元体系中NaCl的溶解度；两相平衡线DF为溶有NaCl的Na2SO4溶解度曲线,EF为溶有Na2SO4的NaCl溶解度曲线。ADFE区域为单相区,是NaCl和Na2SO4的不饱和溶液区；CEF区域为NaCl结晶和饱和NaCl与Na2SO4溶液区；BCF为固体NaCl、固体Na2SO4与NaCl和Na2SO4的共饱和溶液区。图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)中,F点Na2SO4的质量分数分别为3.39%,5.41%,7.36%,7.06%,6.68%,5.55%。根据现场卤水盐含量,当取NaCl最小质量浓度为290 g/L,Na2SO4最大质量浓度为20 g/L时,可得到卤水中Na2SO4的最大质量分数为1.53%。由三元体系相图可知,结晶区域为CEF(1#),只有NaCl结晶析出。需要说明的是,相图中各区域的结晶成分如下:1#为NaCl;2#为Na2SO4·10H2O;3#为NaCl,Na2SO4·10H2O;4#为Na2SO4,Na2SO4·10H2O;5#为NaCl,Na2SO4;6#为Na2SO4。

结合现场卤水中盐含量,研究了NaCl、Na2SO4混合溶液在不同含量下，水平放置和垂直放置试验台的盐结晶规律,实验方案及结果如表2、表3所示。

表2 水平放置试验台混合溶液盐结晶方案及结果

由表2可知,同一温度下,卤水中Na2SO4含量一定时,NaCl质量浓度越低,结晶量越少；且,307.5g/L的NaCl,17.5g/L的Na2SO4混合溶液的盐结晶析出量随温度的升高而增多。

由表3可知,对于卤水原温度为30，45 ℃,静置后管中卤水温度较高,范围分别为29.5～30 ℃,33.5～39 ℃,管道中仅在试验台下部细弯管处有沉积结晶析出,粗弯管及其他部位未见结晶析出。其中,卤水温度为45 ℃条件下NaCl质量浓度为307.5g/L,Na2SO4质量浓度为17.5g/L时,卤水静置1 h后,卤水温度由45 ℃降为33.5 ℃,并无结晶析出。这是由于温度对盐结晶的影响较大,当管道中卤水温度降低到20 ℃以下时,卤水变为过饱和溶液,进而才有NaCl结晶析出。在随后的温度对盐结晶的影响的研究中充分证明了这一关键温度点。

图2 NaCl-Na2SO4-H2O三元体系相图Fig.2 Phase diagram of Na2SO4-NaCl-H2O ternary salt-water system

卤 水温度/℃ρ(NaCl)/(g·L-1)ρ(Na2SO4)/(g·L-1)盐结晶宽/mm静置时间/h静置后管中卤水温度/℃密度/(kg·L-1)303075313．5320175175175850530119871205291198858052951198453075313．5320175175175010335119849410341198337805391198

由图3可知,当Na2SO4质量浓度恒定为17.5 g/L时,随着NaCl质量浓度的增大,混合溶液初始温度的升高,当温度降到结晶温度时，盐结晶析出量越大。这是由于温度降低后,过饱和NaCl溶液中NaCl析出结晶,其质量浓度越高,析出量越大。

图3 混合溶液中盐结晶随NaCl质量浓度变化曲线Fig.3 Curve of crystallization with NaCl mass concentration in mixed solution

2.3 温度对盐结晶的影响分析

将卤水池中卤水分别加热到45,50，55 ℃后,进行卤水循环,静置后观察卤水结晶现象。具体方案及结果如表4所示。

由表4可知,卤水温度为45,50，55 ℃,混合溶液中只有NaCl质量浓度为300.5 g/L，Na2SO4质量浓度为13 g/L时,静置管中无盐结晶析出。静置后,管中卤水温度降低到20 ℃以下后,变为过饱和NaCl溶液,此时有NaCl结晶析出。高温卤水经过降温,特别是50，55 ℃的卤水经过降温至20 ℃后,变为过饱和溶液,更加容易盐结晶析出,充分说明了温度起着关键性作用。当Na2SO4质量浓度为17.5g/L时,NaCl大于300.5g/L就有NaCl结晶析出。因此,对于高温卤水,当NaCl 和Na2SO4两种溶质的质量浓度之和≥318 g/L时,易于NaCl结晶的析出。

表4 垂直实验台高温下盐结晶实验方案及结果

3 结论

根据相似模拟准则,在实验室内自行设计并搭建的物理模拟试验台上进行了不同温度、不同组分含量和不同流速条件下的NaCl和 Na2SO4混合溶液盐结晶析出现象的研究,卤水过饱和是盐结晶析出的动力,得出具体结论如下:

1) 在饱和溶液中,卤水温度不变的情况下,流速的改变不会对盐结晶产生影响。

2) 由不同温度条件下的Na2SO4-NaCl-H2O三元水盐体系相图可知,当NaCl质量浓度大于290 g/L,Na2SO4最大质量浓度为20 g/L时,NaCl和Na2SO4的混合溶液中只有NaCl结晶析出。

3) 多因素综合作用下,影响盐结晶的主要敏感因素为卤水温度和各组分含量;卤水温度越高,卤水中各组分质量浓度之和≥318 g/L时,结晶更加容易析出。

4) 当卤水中各组分质量浓度之和为318 g/L,高温卤水温度降到20 ℃时,卤水变为过饱和溶液并析出结晶。随时间推移,温度降低,已有结晶为进一步结晶的析出提供了场所,使结晶生长。

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(编辑：庞富祥)

Study on Brine Crystallization under Multiple Factors

ZHANG Chuanda,LIANG Weiguo,LI Ning

(College of Mining Engineering,Key Laboratory of In-situ Property-improving Mining of Ministry of Education,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

According to the recovery efficiency reduction and pipe plugging due to crystallization during the solution mining process in salt mine, changes of temperature,concentration and flow velocity were comprehensively considered. Physical simulation experimental platform was built on the basis of similarity criteria of similar simulation in the laboratory. The laws of crystallization were investigated under the multiple factors including temperature,mass concentration and flow velocity on the physical simulation experimental platform. The experimental results show that only NaCl crystal forms according to the phase diagram of Na2SO4-NaCl-H2O ternary salt-water system when the maximum mass concentration of sodium sulfate is 20 g/L. Under the action of multiple factors, the main factors influencing the crystal are the temperature and concentration of brine. When the brine mass concentration of components is in the sum of 318 g/L, brine temperature is 20℃,crystal forms in brine.

brine;crystallization;multiple factors;pipe plugging

1007-9432(2016)04-0445-05

2016-02-29

国家杰出青年基金资助项目：原位溶浸采矿理论与技术(51225404)；“三晋学者”支持计划资助项目(2013)

张传达(1985-)，男，山西阳泉人，博士生，主要从事原位溶浸采矿及多场耦合作用理论研究，(E-mail)chuanda_zhang@163.com

梁卫国，教授，博导，主要从事岩石力学与采矿工程方面的教学与研究工作，(E-mail)liangweiguo@tyut.edu.cn

TD 871.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.003