基于砂巖型鈾礦原狀巖心的滲流特性試驗研究

賈明濤 ,姚鑫 ,陳梅芳 ,蘇學(xué)斌

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083;2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司,新疆 伊寧 835000;3.中國鈾業(yè)有限公司,北京 100010)

原地浸出技術(shù)已經(jīng)成為砂巖型鈾礦床首選的開采方法,這使得原有的不經(jīng)濟、品質(zhì)差的礦體轉(zhuǎn)化為可采鈾礦[1--2]。礦層滲透性能是影響地浸開采的關(guān)鍵因素,受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造演化的影響,砂巖鈾礦層的品位與巖性在空間上的分布均呈現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性,這嚴(yán)重影響了鈾礦層的浸出率[3--4]。因此,開展多場耦合作用下砂巖鈾礦滲透特性研究是當(dāng)前該領(lǐng)域一個亟待解決的基礎(chǔ)性問題,對提高砂巖鈾礦浸出率具有極其重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

目前,眾多學(xué)者針對不同類型的巖石進(jìn)行滲透性能方面的研究,分析在不同圍壓作用下的滲流特征。張培森等[5]采用Rock Top多場耦合試驗儀,進(jìn)行不同條件下紅砂巖水--力耦合試驗研究,確定了在30～60 MPa圍壓范圍內(nèi),壓力條件是影響滲透率的主要原因。薛維培等[6]以玄武巖纖維混凝土為試驗樣品進(jìn)行變圍壓作用下滲透率測試,發(fā)現(xiàn)變圍壓作用下滲透率呈負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減;王恒陽等[7]以致密砂巖巖心為試驗樣品研究不同圍壓下滲透率的變化規(guī)律,結(jié)果表明:圍壓對致密砂巖滲透率的影響特征相較于指數(shù)函數(shù),更符合冪指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律;代嘉惠[8]在探討煤體滲透率的影響因素時,發(fā)現(xiàn)在軸壓相同的條件下,煤樣滲透率與圍壓的關(guān)系符合冪函數(shù)。

不同于致密砂巖,原地砂巖鈾礦床砂體黏結(jié)程度差,難以采用標(biāo)準(zhǔn)的硬巖試樣制作技術(shù)進(jìn)行制樣,因此,以往的室內(nèi)試驗中,研究人員多是基于原始巖樣破碎之后重塑制成砂巖鈾礦試樣開展試驗。張青林等[9]利用重塑的砂巖鈾礦樣進(jìn)行CO2＋O2浸出工藝的柱浸試驗;姜巖等[10]采用破碎后的試樣開展浸出工藝的試驗室研究。原始巖樣經(jīng)破碎重塑后,物理和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,導(dǎo)致室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗的結(jié)果偏差較大,不能有效地指導(dǎo)實際的礦山生產(chǎn)活動。

綜上,鮮有基于原狀巖心開展加壓條件下含鈾疏松砂巖的滲透特性研究。本文采用冷凍取心法制作的標(biāo)準(zhǔn)巖心柱,進(jìn)行梯度圍壓與不同巖性組合條件下試樣的滲透性能研究,通過設(shè)定不同的圍壓模擬不同的埋深,測試梯度圍壓下的滲透率值,探討滲透率隨圍壓的變化規(guī)律;通過改變不同組合試樣中目標(biāo)巖性試樣的長度占比,模擬混合砂巖區(qū)域,測定組合試樣的整體滲透率,研究砂巖非均質(zhì)性對整體滲透率的影響。研究成果為進(jìn)一步的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ),并對地浸礦山的優(yōu)化開采具有一定的參考價值。

1 滲流試驗原理及方案

1.1 巖樣及其物理性質(zhì)

砂巖是地浸采鈾溶質(zhì)運移中諸多過程進(jìn)行的主要場所。本文所采用的巖樣取自新疆某砂巖型鈾礦床,巖石呈灰色,砂巖包括細(xì)砂巖、中砂巖和粗砂巖,另有部分黑色泥巖。現(xiàn)場取回的巖心經(jīng)冷凍后,鉆取柱狀巖心,切割打磨后得到的巖心試樣如圖1 所示,巖心直徑(5±0.2)cm,長度為5 cm。

圖1 柱狀巖心試樣Fig.1 Columnar core sample

塊狀巖樣按照細(xì)砂巖、中砂巖和粗砂巖進(jìn)行分組,破碎至自然粒級后利用振動篩完成篩分工作,篩分的粒級范圍為:－10～＋200目。粗砂巖中粒徑大于0.425 mm 的顆粒質(zhì)量占比達(dá)到50.47%,以粗粒為主;中砂巖中粒徑在＜0.125 mm、0.125～0.25 mm、0.25～0.425 mm范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量占比分別達(dá)到24.70%、26.99%和25.39%,微粒、中粒和細(xì)粒分布均勻;細(xì)砂巖中粒徑在0.125～0.25 mm范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量占比達(dá)到57.31%,以細(xì)粒為主。

選取不同巖性的試樣進(jìn)行孔隙度及成像測試[11],試驗采用的儀器為高溫高壓核磁共振檢測系統(tǒng)(Macro MR12-150 H-I),所用磁體為永磁體,主頻率12.75 MHz,氫測試探頭線圈為70 mm。由測試結(jié)果可知:粗砂巖孔隙尺寸最大,孔徑主要在1.6～6.3μm 之間;中砂巖孔徑主要在1.6～4μm 之間;細(xì)砂巖孔徑主要在0.63～1.6μm 之間。

1.2 儀器

HKY--1型長巖心滲流監(jiān)測試驗系統(tǒng)可用于有一定孔隙和裂隙發(fā)育的巖石試樣進(jìn)行溫度--應(yīng)力--滲流耦合試驗研究。該試驗系統(tǒng)由長巖心夾持子系統(tǒng)、溶浸液注入子系統(tǒng)、壓力自適應(yīng)調(diào)控子系統(tǒng)(圍壓)、溫度控制子系統(tǒng)和滲流壓力與流量檢測子系統(tǒng)等部分組成,可對不同空間位置的滲流壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測與收集,并能夠同步繪制滲流壓力--時間、流量--時間和滲透率--時間曲線。長巖心夾持器適用于直徑5 cm,長度0～30 cm 的巖石試樣;注入流量可控制在0.01～100 m L/min,工作壓力為0～40 MPa;圍壓可控制在0～30 MPa,誤差控制在0.25 MPa;壓力傳感器的精度為0.25級,工作壓力為0～40 MPa;滲流壓力和流量值每間隔1 s記錄一次。

1.3 原理

為了研究室溫條件下,不同圍壓和不同巖性組合條件下試樣的滲透演化規(guī)律。本次試驗采用定流量法測定砂巖的滲透率[12]。定流量法是通過提供穩(wěn)定的注入流量,監(jiān)測試樣兩端滲流壓力變化完成滲透率測定的方法,室內(nèi)常用裝置見圖2。

定流量法測試的基本原理一般是經(jīng)典的達(dá)西定律[13],此次用于計算砂巖試樣滲透率的表達(dá)式如下:

圖2 室內(nèi)常用定流量法測滲透率裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of a device for measuring permeability by constant flow method commonly used in laboratories

式中:k—被測試樣的滲透率,m2;μ—流體黏度系數(shù),取μ＝1×10－3Pa·s;Q—通過試樣的滲流液體流量個試樣串聯(lián)后的總長度,個試樣串聯(lián)后的等效橫截面積,m2;Pi—試樣上游滲流壓力值,Pa;Po—試樣下游滲流壓力值,Pa。

已知換算關(guān)系:1 m2＝1×1012μm2;經(jīng)換算,下文將選取μm2作為滲透率的單位。

1.4 方案及步驟

為縮短砂巖試樣達(dá)到滲流平衡的時間,試驗開展前對試樣進(jìn)行預(yù)飽和,并在滲流試驗初始階段將注入流量穩(wěn)定在較高的水平,待液體穿透砂巖試樣后調(diào)至試驗所需注入流量值。以試驗所在地區(qū)的自來水作為滲流液體,參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),水的黏度取1×10－3Pa·s,水的密度取1×103kg/m3。飽水砂巖試樣取出后,按照試驗方案進(jìn)行串聯(lián)組合。試驗時,注入流量控制在0.25 m L/min,圍壓設(shè)定為2 MPa、3 MPa、4 MPa和5 MPa。試驗步驟如下:

1)不同巖性的砂巖試樣串聯(lián)組合,放入長巖心夾持器中,然后注入水溶液,確保試驗系統(tǒng)的氣密性良好;

2)初始注入流量值設(shè)置在0.35 m L/min,待試樣達(dá)到滲流平衡后,調(diào)整至0.25 m L/min,初始圍壓設(shè)置在2 MPa;

3)在設(shè)定圍壓下,待數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的滲流流量--時間曲線趨于穩(wěn)定,表明試樣內(nèi)部的滲流已達(dá)平衡,改變圍壓大小,測量不同圍壓梯度下的試樣上、下游滲流壓力值、和通過砂巖試樣的滲流液體流量;

4)改變不同巖性試樣的組合方式,重復(fù)進(jìn)行步驟2)～3);

5)滲流試驗過程中,試驗機間隔1 s自動采集試樣上、下游滲流壓力值、和滲流液體流量,并利用式(1)計算砂巖試樣的實時滲透率k。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 圍壓對整體滲透率的影響

2.1.1 梯度圍壓下滲透率的變化規(guī)律

本節(jié)試驗采用兩段巖心進(jìn)行組合,測定組合在2 MPa、3 MPa、4 MPa和5 MPa下的整體滲透率值,整理后的滲透率變化曲線見圖3。數(shù)據(jù)點處的值為多組試驗整體滲透率的平均值,垂直線為整體滲透率的取值范圍。

采用二次多項式對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,粗砂巖組的整體滲透率隨圍壓的變化曲線為:y＝0.007 03x2－0.112 1x＋2.252 72;中砂巖組的變化曲線為:y＝0.013 5x2－0.001 32x＋0.857 19;細(xì)砂巖組的變化曲線為:y＝0.004 61x2－0.050 05x＋0.182 72。粗--中砂巖組等其他幾組試驗數(shù)據(jù)的擬合曲線見圖3c、d、f。

由圖3可以看出,隨著圍壓的遞增,兩段巖心組合后的整體滲透率整體上呈下降趨勢,且滲透率下降的速度隨圍壓的增大不斷減小,逐漸趨于穩(wěn)定。圍壓的施加使得試樣內(nèi)部的顆粒發(fā)生位移,改變了喉道的分布,而喉道的形態(tài)、半徑和連通性等特征的改變都將造成滲流通道的收縮與閉合,引起試樣滲透率的變化[14--15]。原始狀態(tài)下,砂巖試樣內(nèi)部存在眾多喉道半徑較大并且連通性良好的孔隙,初始加壓階段,由于外荷載的壓實作用,導(dǎo)致內(nèi)部大量喉道的尺寸減小,只剩下少部分喉道半徑較小、連通性較差的孔隙,故而在此階段中,試樣的滲透率迅速降低。進(jìn)一步增大圍壓后,由于初始加壓階段的壓實作用,可被壓實的孔隙較少,試樣滲透率的下降也隨之變緩。試樣內(nèi)部顆粒不發(fā)生破壞的前提下,當(dāng)圍壓加載到更高水平后,試樣內(nèi)部孔隙相對穩(wěn)定,其滲透率將穩(wěn)定在某一水平[16--17]。

圖3 滲透率隨圍壓變化曲線Fig.3 Permeability curve with confining pressure

2.1.2 試樣排列次序?qū)φw滲透率的影響

為研究試樣在不同的排列次序下整體滲透率的變化規(guī)律,試驗采用四塊試樣,包括粗砂巖一段、中砂巖兩段和細(xì)砂巖一段,粗砂巖試樣和中砂巖試樣的順序固定,以細(xì)砂巖試樣在組合中的位置作為分組依據(jù),梯度圍壓下完成兩組滲流試驗,試驗結(jié)果見表1。

2 MPa、3 MPa和4 MPa時,兩組的整體滲透率有些許差異;5 MPa圍壓下,兩者穩(wěn)定在同一水平。由核磁共振檢測的結(jié)果可知:粗砂巖內(nèi)部孔隙容許通過的顆粒粒徑最大,中砂巖次之,細(xì)砂巖最小。較低圍壓條件下,不同巖性的孔徑尺寸差異較大,在滲透率由高變低突變的區(qū)域易形成堵塞,改變整體滲透率[18]。圍壓的加載會改變試樣內(nèi)部孔隙的尺寸與連通情況,不同圍壓下的試樣整體滲透率的變化情況見表2,數(shù)據(jù)表明:等梯度的圍壓變化,粗--中砂巖組的滲透率變化量最大,細(xì)--細(xì)砂巖組的滲透率變化量最小,說明粗砂巖相較于中砂巖和細(xì)砂巖,內(nèi)部的孔隙被壓實的程度更大,不同巖性試樣內(nèi)部的孔隙尺寸差異逐漸縮小,斷面位置產(chǎn)生大顆粒積聚現(xiàn)象的概率降低。

表1 不同次序排列條件下整體滲透率試驗值/μm2Table 1 Test values of overall permeability under different arrangement conditions/μm2

表2 梯度圍壓下的組合試樣整體滲透率的變化量Table 2 Changes of overall permeability of samples under different confining pressures

在理想條件下,整體滲透率的大小取決于試樣本身的滲透率大小及其在組合中的長度占比。室內(nèi)試驗依據(jù)單一變量原則,控制試樣的滲透率以及長度占比不變,以細(xì)砂巖在組合中的次序作為研究對象。梯度圍壓遞增條件下,室內(nèi)試驗測試數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出的整體滲透率變化規(guī)律愈加符合理想條件下的整體滲透率變化規(guī)律[19],試樣排列的次序?qū)φw滲透率的影響逐漸降低。

2.2 長度占比對整體滲透率的影響

張東等[19]通過理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬的方法,構(gòu)建出理想條件下的非均勻介質(zhì)等效滲透率普適表達(dá)式,見式(2)。

本節(jié)采用室內(nèi)試驗的方法研究目標(biāo)巖性長度占比對整體滲透率的影響,從粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖試樣中分別選取若干塊長度約5 cm 的標(biāo)準(zhǔn)柱狀巖心,在兩段不同巖性試樣長度占比1∶1組合的基礎(chǔ)上,第三種巖性的試樣作為目標(biāo)巖性試樣,通過控制目標(biāo)巖性試樣的數(shù)量使得目標(biāo)巖性試樣在三種巖性試樣組合中的長度占比達(dá)到0%、33%、50%和100%四種標(biāo)準(zhǔn),5 MPa圍壓條件下開展應(yīng)力--滲流耦合試驗研究,結(jié)合本文中相關(guān)試驗的測試結(jié)果,分析目標(biāo)試樣長度占比對整體滲透率的影響。

兩種巖性試樣長度1∶1條件下,整體滲透率隨目標(biāo)巖性試樣長度占比的變化趨勢采用式(3)擬合,試驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果見圖4中的擬合曲線。

式中:k—整體滲透率;x—目標(biāo)巖心的長度占比;C1、C2—擬合系數(shù)。

式(3)經(jīng)過修正后,各組試驗擬合函數(shù)中的C1、C2值取決于試樣的滲透率值,C1取值為兩段巖心組合后的整體滲透率k1,目標(biāo)巖心的滲透率為k2,則C2取值為k2與k1比值的自然對數(shù)。

將相關(guān)參數(shù)帶入修正后的函數(shù)表達(dá)式,繪制以目標(biāo)巖心長度占比為自變量的整體滲透率變化曲線,結(jié)果如圖4中的修正函數(shù)曲線所示,圖4a、c中的函數(shù)曲線具有明顯的下凹特征,圖4b中的函數(shù)曲線近似線性。長度占比在0%～50%內(nèi)變化,粗砂巖組的整體滲透率變化率的21%,細(xì)砂巖為93%,此時細(xì)砂巖對整體滲透率的影響較大;長度占比在50%～100%內(nèi)變化,粗砂巖的長度占比對整體滲透率的影響較大。故地質(zhì)模型中即使存在少量滲透率較低的砂體,也不可將其忽略。

在以往的滲透性能評價中,已明確巖性區(qū)域的滲透性能可采用室內(nèi)試驗測定的滲透率替代,但仍存在部分規(guī)模較小的非均質(zhì)區(qū)域無法明確巖性。工作人員將多種巖性混合的區(qū)域看作是均質(zhì)的,并采用不同巖性加權(quán)平均的方法估算該區(qū)域的滲透性,這種方法并不準(zhǔn)確。修正后的經(jīng)驗公式根據(jù)勘探數(shù)據(jù)中不同巖性的占比估算混合巖性區(qū)域的整體滲透率,更符合原地情況,為進(jìn)一步的數(shù)值模擬工作提供必要的參數(shù)。

圖4 整體滲透率與目標(biāo)巖性長度占比關(guān)系曲線Fig.4 The relation curve between overall permeability and target lithology length

3 結(jié)論

1)設(shè)計一種研究標(biāo)準(zhǔn)柱狀巖心在不同條件(圍壓、溫度、注入流量等)下滲流特征的室內(nèi)試驗方法,包括標(biāo)準(zhǔn)巖心的制作與試驗方案的設(shè)計。

2)初始加壓階段,試樣內(nèi)部大量的大尺寸孔隙向小尺寸孔隙轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步增大圍壓,由于可壓縮的孔隙大幅減少,滲透率降低的速度減緩;經(jīng)擬合,滲透率隨圍壓的變化規(guī)律符合二次多項式分布,粗砂巖組為:y＝0.007 03x2－0.112 1x＋2.252 72,中 砂 巖 組 為:y＝0.013 5x2－0.001 32x＋0.857 19;細(xì)砂巖組為:y＝0.004 61x2－0.050 05x＋0.182 72;圍壓增大過程中,各種巖性試樣內(nèi)部的孔隙尺寸之間的差異逐漸縮小,試樣排列的次序?qū)φw滲透率的影響逐漸減小。

3)室內(nèi)試驗條件下,當(dāng)兩種巖性長度占比為1∶1時,通過對不同目標(biāo)巖性長度占比下整體滲透率的試驗數(shù)據(jù)分析,給出了此條件下目標(biāo)巖性長度對整體滲透率的經(jīng)驗公式:k＝C1·,式中C1、C2取值于試樣的滲透率。

4)受限于標(biāo)準(zhǔn)柱狀試樣的制作難度,試樣數(shù)量不足以完成更多的組合形式,本文僅開展兩種巖性長度占比為1∶1條件下的滲流試驗研究;之后的研究將以此為基礎(chǔ),針對滲透率的影響因素進(jìn)行更加深入的研究。