CN1564904A - 用于单井溶解采矿的装置、方法和系统 - Google Patents

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    • E21B43/28—Dissolving minerals other than hydrocarbons, e.g. by an alkaline or acid leaching agent

Abstract

本发明涉及一种用于对地下材料进行溶解开采的方法、系统和装置，而地下材料例如可以是天然碱、苏打石、水碱、钙水碱、泡碱、碳钠铝石、碳氢钠石、单斜钠钙石、碳钠钙石、岩盐和其它盐类、矿物等。该方法包括：将一种流体注入到一个肘形井筒内，该流体与地下材料形成了一种地下混合物，将肘形井筒内的地下混合物收集起来。该系统包括一个用于将一种流体注入到一个肘形井筒内的装置，该流体与地下材料形成了一种地下混合物，和用于将肘形井筒内的地下混合物收集起来的装置。该装置还包括一个生产套管，该生产套管的内径要足够大，以能够在注射管的外表面与生产套管的内表面之间生产出由流体与地下材料组成的地下混合物。

Description

用于单井溶解采矿的装置、方法和系统
技术领域
本发明涉及地下材料的溶解采矿。下面对所述应用于开采天然碱的溶解采矿发明进行论述，但是本溶解采矿发明可应用于所有地下材料的开采中。
背景技术
地下材料天然碱，也称为天然纯碱，就是碳酸钠和碳酸氢钠的结晶体形式，也被叫做碳酸氢三纳，其分子式为Na2CO3·NaHCO3·2H2O。在世界范围内，天然碱矿床非常稀少，但是，世界上已知的最大矿床位于美国怀俄明州西南部的Green River Basin内。在埃及的孟菲斯和尼罗河峡谷下游(Lower Nile Valley)附近和非洲、美洲及伊朗的所有碱湖、以及蒙古和西藏的碱性沙漠内发现了规模较小的天然碱矿床。天然碱的主要最终产品就是纯碱。实际上，怀俄明州处理过的纯碱占美国总产量的90％，占世界供应量的30％。天然碱的其它最终产品包括碳酸氢钠、苛性钠、亚硫酸钠、氰化钠和磷酸钠。需要提供一种用于从天然矿床中开采天然碱的改进型和低成本的方法。
采矿是一种用于分离地下材料的古老方法，例如天然碱、苏打石、碳钠铝石、碳氢钠石、水碱、钙水碱、泡碱、单斜纳钙石、碳钠钙石、岩盐和其它盐类、矿物等。但是，许多地下材料的矿床不能进行商业回采，而只能通过地下机械式开采或溶解式开采。例如，不足10％的已知天然碱矿床能够进行商业化的地下机械式开采，并且天然碱的溶解开采不经济。
地下机械式开采需要开掘出多条深井，这样才能够将地下材料取出，如果需要开采更多的材料，那么就需要挖掘更深的矿井。此外，机械式开采的劳动强度很大。而且，机械式开采的操作环境也很危险。
在将材料提升到地面后，需要对材料进行煅炼处理，以除去易挥发的成分，例如二氧化碳。煅炼是一种能耗高的处理工序，这种处理工序影响着机械式开采的经济性。煅炼后，经过煅炼的材料在水溶液中进行再结晶，并将其收集在一起、进行烘干，以备对其进一步处理或运输。
溶解开采是机械式开采的替代方法，但是已经证明：溶解开采并不具有所需的经济性。地下材料的溶解开采，尤其是天然碱的溶解开采可以利用热水或碱性溶液。例如，美国专利No.2388009(Pike)公开了将热水或热的碳酸盐溶液用作开采流体。也可参见美国专利No.2625384(Pike等人)、2847202(Pullen)、2979315(Bays)、3018095(Redlinger)、3050290(Caldwell等人)、3086760(Bays)以及美国专利No.3184287(Gancy)、3405974(Handley等人)、美国专利No.3952073(Kube)、美国专利No.4283372(Frint等人)、4288419(Copenhafer等人)和美国专利No.4344650(Pinsky等人)，这些文献的内容作为参考引用到本文中。这些内容和其它文献公开的溶解开采方法披露了采用下列两种或更多种影响商业可行性的经济耗费因素：高温高压煅烧、高压水砂破裂法(“压裂法”)和两个井口，其中一个井口用于注射，另一井口用于生产，参见授权给Rosar等人的美国专利No.4815790；授权给Pinsky等人的美国专利No.4344650；授权给Fujita等人的美国专利No.4252781；授权给Poncha等人的美国专利No.4022868；授权给Gancy等人的美国专利No.4021526；和授权给Poncha等人的美国专利No.4021525，这些文献的内容作为参考引用到本文中来。压裂法在很少的情况下仅仅将需要开采的材料压碎，要注射热水或碱性溶液来溶解其它材料，包括盐和污染物，并且污染在生产井口收集的地下材料产品。将已被污染的地下材料收集起来是另一个影响溶解开采法的商业可行性的经济耗费。
除了可利用溶解开采法来开采天然碱之外，一些美国专利还公开了利用溶解开采法开采苏打石(主要成分为NaHCO3)的方法。例如，美国专利No.3779602(Beard等人)、美国专利No.3792902(Towell等人)、美国专利No.3952073(Cube)和美国专利No.4283372(Frint等人)均公开了利用碱性溶解开采法开采苏打石和碳氢钠石(主要成分为Na2CO3·3NaHCO3)，这些文献作为参考引用到本文中来。但是，与天然碱的溶解开采法一样，这些苏打石和碳氢钠石的溶解回采方法也具有商业可行性的经济耗费。
因此，就需要利用改进的、更加有效的方法和系统来对地下材料进行改进的溶解开采。
发明内容
本发明是一种对地下材料进行溶解开采的方法、系统和装置。根据本发明的第一方面，提供一种用于对地下材料进行溶解开采的方法，该方法包括：将流体注射到一个肘形井筒内，流体与地下材料形成了一种地下混合物，将肘形井筒内的地下混合物收集起来。根据本发明的另一方面，提供一种用于对地下材料进行溶解开采的系统，该系统包括：一个用于将一种流体注入到一个肘形井筒内的装置，该流体与地下材料形成了一种地下混合物，和一个用于将肘形井筒内的地下材料收集起来的装置。根据本发明的又一方面，提供一种用于对地下材料进行溶解开采的装置，该装置包括：一个注射管，其中该注射管具有足够大的内径，以能够注射开采地下材料所用的流体。该装置还包括一个生产套管，其中该生产套管具有足够大的内径，以能够在注射管的外表面与生产套管的内表面之间生产出流体与地下材料的地下混合物。
附图说明
图1为钻入地下材料岩层中的肘形下套管井筒的示意图，其中肘形井筒包括一个注射管、一个生产套管和一个与一泵相连接的生产套管，以利于将空腔内的地下混合物提升到一个收集位置，在本文中，该收集位置就是地面。
图2为肘形井筒内的初始空腔的剖视图。
图3为肘形井筒内的空腔的剖视图，其中该空腔大于图2所示的空腔。
图4为肘形井筒内的空腔的剖视图，其中该空腔大于图3所示的空腔。
对本发明实施例的详细说明
本发明所公开的溶解开采是一种用于对地下材料进行溶解开采的装置、方法和系统，地下材料例如可以是天然碱、苏打石、碳钠铝石、碳氢钠石、水碱、钙水碱、泡碱、单斜纳钙石、碳钠钙石、岩盐和其它盐类、矿物等。尽管这些详细的说明主要是针对地下材料的天然碱进行的，但应该理解：所述用于溶解开采的装置、方法和系统适用于所有可溶解开采的地下材料。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，在正被开采的地下材料25的矿床30上钻有一个肘形井筒15。肘形井筒15是一个起始于地面70的井筒，该井筒在沿水平方向钻孔前首先沿垂直方向钻孔。尽管肘形井筒15不必与人类的肘部形状相类似，但有一个垂直部分最终转向水平部分。对于天然碱而言，估算出的开采深度160为地面70以下2000英尺。注射管45和成品管60a设置在肘形井筒15内，其中在注射管45的一个实例中采用了 J55型管道，但在不偏离本发明的范围内，本领域的技术人员也可以采用其它尺寸和型号的管道。一种流体10被注入到注射管45内，其中流体10与地下材料25发生反应，生成了一种混合物55(例如一种溶液)和一个空腔50。混合物55在注射管45与生产套管60b之间流动。在另一实施例中，一个泵140与成品管60a相连接，以利于将混合物55提升到收集点65(在这里，收集位置就是地面70)。
在本发明的许多实施例中无需采用压裂处理，因为注射管45、生产套管60b和成品管60a位于同一井筒15内。在某些实施例中，肘形井筒15在地下材料25的矿床30内的直线长度155大于3000英尺。
根据本发明的另一实施例，见图2-4，当将更多的流体10注入到井筒15内，从而使更多的地下材料25产生溶解时，空腔50会逐渐扩展。该空腔50从肘形井筒15的端部向外扩展，这样，空腔50就会朝井筒15反向扩展。如果空腔50的崩塌或其它障碍物降低了混合物55的流量，那么在某些实施例中，就需要在注射管45上打孔，以能够收集到更多的混合物55。或者，不是用打孔，而是将注射管45部分抽出，直到将坍塌处的岩屑清理干净，而且混合物55的流量提高到允许的水平。
高压操作可能使混合物55中的材料25在被收集到地下材料混合物55中之前就已经排出。但是，低压操作又会降低地下材料25的总收集量，因为空腔50可能过早地坍塌。为避免出现这些问题，就需要对井筒压力的选择进行观测。目前，除了试验和误差之外，没有任何已知的经验方法能够作出这种选择。但是，可以相信：下面的压力和流速至少对于天然碱是可接受的：深度为2000英尺，空腔50内的压力为800-900磅/英寸(psi)，流速为200-300加仑/分钟(gal/min)。
在本发明的又一实施例中，地下材料25可从主要包括下述成分的材料中选取：天然碱、碳钠铝石、碳氢钠石、苏打石、水碱、钙水碱、泡碱、单斜纳钙石、碳钠钙石、岩盐和其它盐类、矿物等。
在不同的实施例中，流体10可从主要包括下述成分的物质中选取：水、腐蚀性混合物、碳酸钠溶液，或其它任何能够与待开采的地下材料25发生机械和/或化学反应、从而生产出能够通过成品管60a从生产套管60b内取出的混合物55的流体10。这样的流体10对于本领域的技术人员而言是显而易见的。在某些实施例中，该流体10是加热的。
在又一实施例中，混合物55例如可通过与生产套管60a连接在一起的泵140的泵送作用而被提升出来，而且将混合物55输送至收集位置65，例如输送至地面70。根据一个实施例，合格的泵140包括电动潜水离心泵，例如由Baker Hughes Centrilift公司制造的泵140。此外，泵140被安装在地下材料25的矿床30上方，即设置在开采区上方。例如，对于天然碱而言，泵140在某些实施例中可被安装位于地面70下方约1100英尺处的肘形井筒15内。其它可应用于本发明中的泵140包括由地面70上的泵杆驱动的活塞/气缸泵。本领域的技术人员也可以采用其它可应用于本发明中的泵140。
上面已经对本发明的实施例作出了说明，但是应该清楚：本领域的技术人员可对本发明作出各种变形、修改和改进。虽然没有在上文中加以详细说明，但是这些变形、修改和改进仍然落入本发明的保护范围内。因此，上述内容仅仅是说明性的，并非是限制性的；本发明仅由所附的权利要求书及其等同物来限制和限定。

Claims (39)

1、一种对地下材料进行溶解开采的方法，该方法包括：
将一种流体注射到一个肘形井筒内，该流体与地下材料形成了一种地下混合物；和
将肘形井筒内的地下混合物收集起来。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述地下材料包括天然碱。
3、根据权利要求1的方法，还包括：制造一个肘形井筒。
4、根据权利要求3的方法，其特征在于：所述制造肘形井筒的步骤包括在一个包括地下材料的矿床内钻出一个肘形井筒。
5、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述方法包括对所述肘形井筒下套管的步骤。
6、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述注射流体的步骤还包括将该流体注射到一个位于肘形井筒内的注射管内。
7、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述方法还包括形成一个空腔的步骤，其中所述空腔包含地下材料。
8、根据权利要求7的方法，其特征在于：在完成所述注射流体的步骤后，所述空腔包含地下材料的混合物。
9、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述地下混合物包括一种地下溶液。
10、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述流体包括水。
11、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述流体包括一种腐蚀性混合物。
12、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述方法还包括对流体进行加热的步骤。
13、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述收集地下混合物的步骤还包括通过一个设置在肘形井筒内的成品管收集地下混合物。
14、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述收集地下混合物的步骤包括对地下混合物进行泵送。
15、根据权利要求14的方法，其特征在于：所述对地下混合物进行泵送的步骤包括通过成品管提升所述地下混合物。
16、根据权利要求15的方法，其特征在于：所述方法还包括将所述地下混合物输送至一个收集位置。
17、根据权利要求16的方法，其特征在于：所述收集位置包括地面。
18、根据权利要求14的方法，其特征在于：所述方法还包括将一个泵安置在肘形井筒内。
19、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述方法在环境井压的条件下实施。
20、根据权利要求1的方法，其特征在于：所述方法还包括：在收集所述地下材料后对地下混合物进行处理。
21、一种用于对地下材料进行溶解开采的系统，该系统包括：
用于将一种流体注入到一个肘形井筒内的装置，该流体与地下材料形成了一种地下混合物；和
用于收集肘形井筒内的地下混合物的装置。
22、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述地下材料包括天然碱。
23、根据权利要求21的系统，还包括用于制造所述肘形井筒的装置。
24、根据权利要求23的系统，其特征在于：所述用于制造肘形井筒的装置包括用于将所述肘形井筒钻入一个包括地下材料的矿床内的装置。
25、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述系统包括用于对所述肘形井筒下套管的装置。
26、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述用于注射流体的装置还包括一个设置在所述肘形井筒内的注射管。
27、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述地下混合物包括一种地下溶液。
28、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述流体包括水。
29、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述流体包括一种腐蚀性混合物。
30、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述系统还包括用于对所述流体进行加热的装置。
31、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述用于收集地下混合物的装置包括用于泵送所述地下混合物的装置。
32、根据权利要求31的系统，其特征在于：所述系统还包括用于将一个泵安置在所述肘形井筒内的装置。
33、根据权利要求31的系统，其特征在于：所述系统还包括用于将地下混合物输送到一个收集位置上的装置。
34、根据权利要求33的系统，其特征在于：所述收集位置包括地面。
35、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述系统是在环境井压的条件下实施的。
36、根据权利要求21的系统，其特征在于：所述系统还包括在所述用于收集地下混合物的装置之后对地下混合物进行处理的装置。
37、一种用于对地下材料进入溶解开采的装置，该装置包括：
一个注射管，其中该注射管的内径尺寸足够大，以能够注射一种开采地下材料所用的流体；和
一个生产套管，其中该生产套管的内径尺寸足够大，以能够在注射管的外表面与生产套管的内表面之间生产出由所述流体与地下材料组成的地下混合物。
38、根据权利要求37的装置，还包括：一个用于收集地下混合物的成品管。
39、根据权利要求38的装置，还包括：一个与所述生产通道相连接的泵。
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