盐矿水溶开采固-液-热-传质耦合数学模型与数值模拟.pdf

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盐矿水溶开采固!液!热!传质耦合
数学模型与数值模拟!

梁卫国徐素国李志萍赵阳升

太原理工大学采矿研究所，太原!"!!#$

摘要由于盐类矿物易溶于水的特性，对盐类矿床的开采普遍采用水溶开采的方法:盐矿水溶
开采过程是一个固体变形、流体运移、矿物溶解、传质传热的复杂的物理化学过程:文中在对上
述复杂过程进行理论分析的基础上，建立了盐矿水溶开采的固、流、热、传质耦合数学模型:利
用此模型，采用有限元方法，对盐矿双井对流水溶开采过程进行了数值模拟:模拟结果表明，该
模型科学合理，对指导工程实践具有一定的实际意义和应用价值:

关键词盐矿水溶开采固!液!热!传质耦合数学模型数值模拟

盐矿床是一种特殊的矿床，其矿物是一种重要形，甚至破坏，溶腔形状大小不断改变等!对这一
的化工原料，由于其特殊的地质条件和物理力学特复杂过程的研究，通常采用理论分析和数值模拟相
性，被认为是石油天然气储备和废物处置的理想场结合的研究方法!本文在对盐矿水溶开采物理化学
所!自#!世纪以来，在德国、美国等一些国家，水过程进行理论分析的基础上，建立了盐矿水溶开采
［，］
溶开采后的岩盐溶腔，已被大量用作油气储库(#!固"液"热"传质耦合的数学模型，并对双井对流水溶
因此，为加强对盐矿资源的综合开发利用，在水溶开采进行了相应的数值模拟!
开采的过程中建造合理形状尺寸的岩盐溶腔，为日
［］
后作为油气储库或废物处置空间奠定基础，对岩盐"盐矿水溶开采数学模型’=>
矿床开采以及岩盐溶腔建造过程的研究具有十分重
"#"溶液运动方程
要的意义!
在水溶开采的初期，由于裂缝状溶腔高度较
由于盐类矿物易溶于水的特性，对岩盐矿床的
［，］小，水流速度较低，裂缝中水的流动可视为不可压
开采普遍采用水溶开采法"$!它将水作为溶剂注
缩层流，可以用平面渗流模型模拟裂缝中水的运
入岩盐矿床，对矿床中的盐类矿物就地溶解，固体
动
的岩盐矿物转变为流动状态的盐溶液，然后将盐溶!
水在裂缝中的运动可以用连续性方程表述，即
液采集、输运至地面进行加工利用!盐类矿床水溶
开采过程，是一个水运移"矿物溶解、传热传质"矿
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层及其溶腔变形的复杂的物理化学、力学的相互作?-（@#）$!，（(）
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用过程!具体地讲，涉及水在岩盐溶腔中运移溶解
矿床，盐类矿物溶解，并在水中对流、扩散、传热式中为溶液密度（"）；为单位时间流体体积
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传质，溶液浓度和温度不断变化，矿层不断溶解变通量（;+"A/）；%为孔隙率（裂缝取(）；&为时

#!!"%!&%#’收稿，#!!$%!(%(’收修改稿
"国家自然科学基金资助项目（批准号：’!()$!$!，’!"!$!((）
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第卷第期年月
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间（!）!质量守恒定律，可以得到盐类矿床溶液在水流中的
在平面二维状态下，取自然坐标，沿裂缝面其对流扩散方程，
渗流本构方程为
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方程右端第一项为扩散造成溶液的运移；第二项为
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"$#$#$对流产生的溶液运移，称为对流扩散项（，
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&%2，5）称为浓度源汇项，它取决于单位固体矿物的
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#"$溶解度，溶液浓度和温度，此规律通过实验获
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（’）’&得
!"#!)’!"#!)&!"，（%）!
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!!!!!对流扩散中的扩散系数：在?(.63!2(@坐标系中
对各向同性的裂隙介质，其流体扩散系数为
将（$）（%）两式代入（"）式得
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式中，为坐标方向的分速度，，为横向
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式中为裂缝中的水压（）；为溶液密度及纵向的扩散度，为D.7@383.单位矩阵!
*’("!-/
（%）；为裂缝张开度（）；为裂缝渗透系数
)*+,&+,$#溶腔中溶液的热传输方程
（沟槽流模型）；与为裂缝切向自然坐标!"$
%"%$!由于岩盐的溶解过程是一个吸放热的过程，渗
随注水量的增加，初始裂缝状溶腔的通道上，
流扩散场同时也是一个温度场在温度场内，存在
岩盐不断溶解，使得裂缝状溶腔高度逐渐增大当!
!着热量的传输，温度的变化服从温度场方程
溶腔高度达到一定值时，溶腔内的溶液流动不再服

从定律，而应用方程来求解水流
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运动规律