“數(shù)字建井”在砂巖型鈾礦地浸開發(fā)中的探索與應(yīng)用

陽奕漢，蘇學(xué)斌，陳梅芳，姚光懷，張傳飛，趙海軍，杜志明，賈明濤

(1.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.中核地浸工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國鈾業(yè)有限公司，北京 100013；4.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；5.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

我國最早在1970年開始地浸采鈾技術(shù)研究，1984年取得了由地浸采鈾探索性試驗(yàn)到條件試驗(yàn)的突破，1998年建成工業(yè)規(guī)模的酸法地浸采鈾礦山[1-2]，2009年突破了CO2+O2浸出工藝建成環(huán)境友好型工業(yè)規(guī)模的中性地浸采鈾礦山[3]，2016年突破了地下水為弱承壓和無承壓、礦體發(fā)育多層等砂巖鈾礦地浸開采技術(shù)，在伊犁盆地建成我國首座綠色千噸級(jí)鈾礦示范基地[4]。至今已有四十余年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和相對完善的地浸采鈾技術(shù)體系，我國地浸采鈾技術(shù)水平已發(fā)展為由當(dāng)初仿效照搬到如今部分技術(shù)國際領(lǐng)先。

隨著我國地浸采鈾技術(shù)的快速發(fā)展，以及我國北方砂巖鈾礦資源勘探成果的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)天然鈾產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由南方硬巖向北方砂巖轉(zhuǎn)移的戰(zhàn)略性調(diào)整，采用地浸采鈾生產(chǎn)的天然鈾總量由2011年的28%增加到2021年的90%[3]。目前，地浸采鈾已然成為我國天然鈾生產(chǎn)的主要方法，并將在未來一段時(shí)期內(nèi)處于主導(dǎo)地位。地浸采鈾是融合地質(zhì)、水文、地球化學(xué)等多學(xué)科的“采選冶”一體化工藝，對于資源稟賦條件好的砂巖鈾礦，資源回收率可達(dá)80%～90%[5]，經(jīng)濟(jì)性顯著；但對于資源稟賦條件差、賦存條件復(fù)雜的砂巖鈾礦，在傳統(tǒng)地浸采鈾成井模式的條件下，即使通過改變井型井距、采取強(qiáng)化浸出、抽注調(diào)控等措施，浸采率低、回收周期長等問題依然存在。目前，新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)(以下簡稱“內(nèi)蒙古”)等地的現(xiàn)役地浸礦山和尚未開發(fā)的新礦點(diǎn)復(fù)雜砂巖鈾資源占70%以上，因此，對于如何切實(shí)提高復(fù)雜鈾礦體開發(fā)效率，真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采，各地礦山都在積極探索和實(shí)踐。近年來，中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司(以下簡稱“中核內(nèi)蒙礦業(yè)”)成立了地浸科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，通過地浸開采理念創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，借鑒國內(nèi)外地浸采鈾、石油開采先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，利用數(shù)字化手段為科研試驗(yàn)、生產(chǎn)建設(shè)賦能，初步探索出一條多學(xué)科融合多技術(shù)集成的地浸采鈾“數(shù)字建井”新思路。

1 地浸采鈾“數(shù)字建井”技術(shù)理念提出的背景

1.1 “數(shù)字建井”理念的提出

砂巖型鈾礦開發(fā)涉及的最主要三大問題為鉆井工程及布置、浸出劑配方、溶浸范圍控制。其中，鉆井工程及布置是影響浸采效率、開采年限和經(jīng)濟(jì)性的最關(guān)鍵因素。鉆井工程及布置包含兩方面內(nèi)容：一是鉆井井網(wǎng)在平面上的布置形式；二是鉆井過濾器的開啟位置和長度。但由于地浸采鈾井網(wǎng)布置需考慮的因素眾多，如巖性巖相的發(fā)育規(guī)律、巖層與礦體的非均質(zhì)特性、礦體形態(tài)及品位分布、礦體厚度和含礦層厚度、含礦層的滲透性強(qiáng)弱和富水性等，井網(wǎng)優(yōu)化研究一直都是地浸采鈾開采設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題之一。國內(nèi)地浸礦山生產(chǎn)采區(qū)的選擇和優(yōu)化，主要依據(jù)勘探和生產(chǎn)補(bǔ)充勘探、現(xiàn)場條件試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并參考借鑒同類型礦體生產(chǎn)采區(qū)的布置方式進(jìn)行；傳統(tǒng)地浸采鈾成井模式為“即時(shí)”成井，鉆井過濾的開啟位置和長度主要是對照單井設(shè)計(jì)書，依據(jù)物探測井?dāng)?shù)據(jù)解釋的見礦參數(shù)、協(xié)同相鄰鉆井見礦情況及過濾器布置情況來確定[6]。因此，針對某個(gè)特定礦體，一旦鉆井工程確定，人工構(gòu)建的地浸滲流場就已基本定型，浸出劑運(yùn)移通道和鈾礦體得以浸出的范圍也即確定。前期鉆井工程的布置是否合理，關(guān)系到鈾礦體能否被浸出劑接觸、有多少鈾礦體能被溶浸、溶浸死角范圍及分布、圍巖對浸出劑的消耗占比以及浸出液的稀釋情況等，若前期鉆井工程布置合理，則能達(dá)到浸出劑覆蓋范圍廣、溶浸死角少、浸出劑在無礦圍巖中的消耗少、浸出率高等效果；否則，后續(xù)通過其他措施來優(yōu)化鈾礦體浸出都收效甚微甚至是徒勞。

進(jìn)入新時(shí)代以來，數(shù)字技術(shù)發(fā)展迅猛，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的加速器和引擎，也是礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必由之路。目前，國內(nèi)地浸礦山在數(shù)字礦山建設(shè)方面已開展了實(shí)質(zhì)性工作，基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動(dòng)化、經(jīng)營管理協(xié)同化，為縱深推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，高質(zhì)量完成內(nèi)蒙古“雙千噸級(jí)鈾礦大基地”建設(shè)目標(biāo)，針對我國復(fù)雜砂巖型鈾礦地浸開發(fā)存在的主要矛盾和問題，中核內(nèi)蒙礦業(yè)在地浸開采數(shù)字化方面進(jìn)行了卓有成效的探索，并率先提出地浸采鈾“數(shù)字建井”理念。

1.2 “數(shù)字建井”技術(shù)的內(nèi)涵

地浸采鈾“數(shù)字建井”是新時(shí)代多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，是新一代信息技術(shù)、先進(jìn)地浸采鈾理念與天然鈾產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展核心要素深度融合的產(chǎn)物，也是在當(dāng)前背景下地浸采鈾尋求高質(zhì)量發(fā)展的一種創(chuàng)新性開發(fā)模式。

地浸采鈾“數(shù)字建井”技術(shù)是依托地浸采鈾礦山已有經(jīng)驗(yàn)和研究基礎(chǔ)，統(tǒng)籌運(yùn)用各階段數(shù)據(jù)，以三維地質(zhì)建模和溶質(zhì)運(yùn)移模擬分析軟件算法算力提升為背景，從地浸開發(fā)源頭進(jìn)行“地浸采礦工程-工藝鉆井及過濾器”的優(yōu)化，以提高鈾資源利用率、推動(dòng)地浸采鈾礦山高質(zhì)量發(fā)展為目的的循序漸進(jìn)、持續(xù)優(yōu)化的復(fù)雜砂巖地浸開采新技術(shù)。

“數(shù)字建井”技術(shù)的核心思想是以砂巖型鈾礦體及含礦含水層巖性的精細(xì)刻畫為基礎(chǔ)，采用三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)手段，進(jìn)行非均質(zhì)地層溶浸采礦滲流場的可視化表達(dá)和過濾器布置(包括開啟位置和長度)的優(yōu)化計(jì)算，構(gòu)建砂巖型鈾礦體地浸開采溶浸通道，將溶浸流場的控制和優(yōu)化由采區(qū)投入生產(chǎn)運(yùn)行之后前移至鉆井過濾器建造之前，利用“統(tǒng)籌全局、量體裁衣”的地浸采礦工程實(shí)現(xiàn)溶浸滲流場的優(yōu)化控制，最終達(dá)到砂巖鈾資源最大化利用和高效開采目的。

2 地浸采鈾“數(shù)字建井”的做法

2.1 地浸開采的一般流程

砂巖型鈾礦地浸開發(fā)的一般流程為：①依據(jù)勘探或生產(chǎn)勘探工作提交的地質(zhì)儲(chǔ)量報(bào)告和現(xiàn)場試驗(yàn)，進(jìn)行生產(chǎn)采區(qū)開拓設(shè)計(jì)(圖1(a))；②在采區(qū)鉆井施工過程中，完成單井施工后實(shí)施物探測井，解釋含礦含水層厚度、巖性、礦層位置及品位等參數(shù)(圖1(b))；③測井完成后，根據(jù)該孔見礦情況和周邊鉆孔見礦情況“即時(shí)”完成過濾器位置和長度設(shè)計(jì)，完井(圖1(c))；采區(qū)完成管線和設(shè)備安裝后，投入生產(chǎn)運(yùn)行，并在生產(chǎn)運(yùn)行過程中視情況進(jìn)行抽注液優(yōu)化調(diào)控(圖1(d))。

圖1 砂巖型鈾礦地浸開發(fā)的一般流程Fig.1 General flow chat for in-situ leaching of sandstone uranium deposit

2.2 “數(shù)字建井”的主要做法及流程

依據(jù)上述地浸采鈾“數(shù)字建井”的內(nèi)涵，結(jié)合內(nèi)蒙古某鈾礦山地浸開發(fā)實(shí)際應(yīng)用情況，梳理了當(dāng)前采用的“數(shù)字建井”的做法及流程如下所述。

1) 收集勘探階段的鉆井資料和測井解釋資料，按照擬采用的三維地質(zhì)建模軟件將地質(zhì)和礦體資料按規(guī)定整理(圖2(a))，常用的三維地質(zhì)建模軟件有EVS、DepthInsight、Leapfrog、GMS等。

2) 選擇上述某款三維地質(zhì)建模軟件，分別構(gòu)建不同巖性的砂體和礦體的三維非均質(zhì)地質(zhì)體模型[7-8](圖2(b))。

3) 將非均質(zhì)三維地質(zhì)模型以一定的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行離散和賦值，形成幾何模型[8]，進(jìn)行地浸采鈾井網(wǎng)的優(yōu)化計(jì)算(圖2(c))，由于是基于勘探階段的地質(zhì)數(shù)據(jù)，控制網(wǎng)度一般為100 m×100～50 m，因此，礦體的控制程度達(dá)不到進(jìn)行過濾器設(shè)計(jì)的程度，在此階段只進(jìn)行鉆井井位優(yōu)化。

4) 依據(jù)優(yōu)化計(jì)算的井位信息，進(jìn)行采區(qū)鉆井施工，物探測井后建立不含過濾器段的盲井(只置PVC套管和固井)，收集和整理測井解譯數(shù)據(jù)(圖2(d))。

5) 將勘探階段鉆井?dāng)?shù)據(jù)和完成采區(qū)鉆井施工后獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維非均質(zhì)精細(xì)化地質(zhì)建模，砂體和礦體建模精度進(jìn)一步提升，控制網(wǎng)度達(dá)20～35 m×30～60 m(圖2(e))。

6) 將步驟5)地質(zhì)模型幾何化后，以室內(nèi)試驗(yàn)獲得不同巖性的物性參數(shù)(主要是滲透系數(shù)、孔隙度等)，并對其進(jìn)行賦值，而后針對采區(qū)開展全域滲流模擬與過濾器定量優(yōu)化計(jì)算(圖2(f))，獲得采區(qū)各鉆井的過濾器優(yōu)化開啟位置和長度等參數(shù)。采用的軟件為GMS或COMSOL，若采用的地質(zhì)建模與滲流場模擬軟件之間沒有商業(yè)化轉(zhuǎn)換接口，可能存在接口開發(fā)問題。

7) 參照計(jì)算結(jié)果，對采區(qū)內(nèi)的各盲井進(jìn)行“二次成井”，建造內(nèi)置過濾器，形成與礦體發(fā)育匹配的“溶浸窗口”(圖2(g))，從而實(shí)現(xiàn)砂巖型鈾礦資源最大化利用和高效開采目的(圖2(h))。因此，地浸采鈾“數(shù)字建井”技術(shù)是從地浸開發(fā)源頭進(jìn)行的“地浸采礦工程-工藝鉆井及過濾器”優(yōu)化技術(shù)。

圖2 地浸采鈾“數(shù)字建井”技術(shù)流程Fig.2 Technical process of “digital well construction” for in-situ leaching of uranium

2.3 “數(shù)字建井”的主要特點(diǎn)

地浸采鈾“數(shù)字建井”技術(shù)理念和做法顛覆了傳統(tǒng)地浸采鈾成井模式[9-11]，改變了投產(chǎn)后“以人為手段”控制溶浸范圍的不利現(xiàn)狀，將浸出流場的控制優(yōu)化由投產(chǎn)之后前移至成井之前，構(gòu)建了與砂巖型鈾礦體發(fā)育特征匹配的溶浸通道，主要從兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)了地浸采鈾工藝的突破。第一個(gè)維度是實(shí)現(xiàn)了地浸采鈾全采區(qū)鉆井過濾器布置定量優(yōu)化。從單孔設(shè)計(jì)開始，通過“數(shù)字孿生”的模擬方式來優(yōu)化全采區(qū)鉆井過濾器開啟的工程設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)礦層更加契合，實(shí)現(xiàn)鉆井過濾器與鈾礦體盡可能達(dá)到“適宜匹配”。第二個(gè)維度是采用三維可視化手段實(shí)現(xiàn)了溶浸流場的模擬、預(yù)測與可視化展示。通過三維地質(zhì)建模和可視化真實(shí)模擬溶浸采礦滲流場，再結(jié)合礦體具體展布情況，運(yùn)用“系統(tǒng)思維”和“全局觀點(diǎn)”，打通了傳統(tǒng)地浸采鈾采區(qū)開拓設(shè)計(jì)中單孔數(shù)據(jù)和信息不易交互的“斷點(diǎn)”。

3 “數(shù)字建井”在內(nèi)蒙古某礦山的初步探索

3.1 探索與應(yīng)用

以內(nèi)蒙古某鈾礦為示范案例，開展了“數(shù)字建井”技術(shù)初步探索和實(shí)踐。該鈾礦含礦層具有穩(wěn)定的隔水頂?shù)装?，砂體以粗碎屑巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石結(jié)構(gòu)疏松，滲透性好(2.9～13.4 m/d)，其中，研究區(qū)滲透系數(shù)為8.94 m/d，涌水量較大，地下水位埋深淺，具較強(qiáng)承壓性；含礦含水層總厚度20～50 m，厚度適中；含礦層與非含礦層滲透系數(shù)比值接近于1；含礦層基本呈水平分布，傾角很小；礦體埋深80～120 m，礦體發(fā)育1～3層，厚度為3.6～14.0 m，研究區(qū)多為1層礦，厚度多為7～10 m，貼近底板發(fā)育；部分鉆井可見20 m厚大礦段，品位較低(0.010%～0.015%)；含礦含水層與礦層厚度比值多數(shù)介于1.3～9.2之間，平均為7.29；研究區(qū)模擬塊段共60余組抽注單元，五點(diǎn)型井型，抽注孔間距27 m。研究區(qū)的礦體發(fā)育及地浸開采條件相對簡單，并不能最大限度體現(xiàn)“數(shù)字建井”二次成井優(yōu)勢，但剛好適合于驗(yàn)證模型計(jì)算和進(jìn)行“數(shù)字建井”初步探索研究。

按照上述做法，以本文研究區(qū)為例，建立了一套精細(xì)化三維地質(zhì)建模和基于滲流模擬的“二次成井”過濾器優(yōu)化配置技術(shù)，取得了一些階段性研究成果。

1) 開展了以“EVS三維地質(zhì)建模(圖1(c))+GMS滲流場模擬和過濾器不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)選(圖3)”為主的技術(shù)路線研究，建立了以砂巖鈾礦體有效浸出面積、有效浸出率、垂向有效對流比等為代表的評價(jià)方法。以某采區(qū)BC2401浸采單元1 000 d的模擬結(jié)果為例，在過濾器長度分別為4 m、6 m、8 m，過濾器位置為從礦層中心位置向上下延伸的設(shè)置方案下，過濾器長度為6 m達(dá)到效果較優(yōu)(圖3)：平面上和垂向上的有效浸出范圍達(dá)90%以上，不在礦體內(nèi)的對流范圍(圖3)相對較小，綜合有效浸出率達(dá)到80%以上。

圖3 某鈾礦BC2401浸采單元的地浸采鈾流場特征參數(shù)圖Fig.3 Characteristic parameters of leaching streamline for BC2401 unit in a uranium mine

2) 探索了以“Leapfrog三維地質(zhì)建模(圖2(e))+COMSOL滲流模擬和過濾器不同設(shè)計(jì)方案對比(圖2(f))”為輔的技術(shù)路線，建立了以浸出劑稀釋率為主要衡量參數(shù)的優(yōu)化判斷準(zhǔn)則，以浸出劑稀釋最小為目標(biāo)函數(shù)的過濾器配置尋優(yōu)計(jì)算。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)及存在的問題

1) 從物探測井?dāng)?shù)據(jù)到資料解譯需要依靠測井人員手動(dòng)解譯，還沒有一款合適的軟件或接口程序能快速將解譯資料按照三維地質(zhì)建模所需的數(shù)據(jù)模板進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這兩個(gè)步驟均需要花費(fèi)較大的工作量(圖2(a))。

2) 基于三維非均質(zhì)地質(zhì)建模的矢量化井網(wǎng)優(yōu)化研究，相關(guān)軟件和算法正在完善中，尚不具備高速計(jì)算和采區(qū)整體優(yōu)化功能(圖2(c))，當(dāng)前是在相對經(jīng)濟(jì)合理的規(guī)則井網(wǎng)下開展的計(jì)算和定性優(yōu)化。

3) 從EVS三維地質(zhì)模型到GMS滲流場模擬過程中的轉(zhuǎn)換接口還存在不穩(wěn)定之處，對于異常數(shù)據(jù)的甄別和處理還需進(jìn)一步完善，使用GMS滲流場模擬整個(gè)采區(qū)流場變化時(shí)，還只能是針對幾種預(yù)設(shè)過濾器配置方案的優(yōu)化比選，尚不能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)尋優(yōu)。

4 展 望

“數(shù)字建井”技術(shù)理念的提出，在地浸采鈾領(lǐng)域引起了高度重視，深度挖掘鈾礦床勘查階段資料和數(shù)據(jù)的價(jià)值，充分利用地質(zhì)建模和滲流模擬軟件，在計(jì)算能力和算法不斷提升時(shí)代背景下，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)信息與采礦工程的有效融合，將傳統(tǒng)地浸采鈾的“即時(shí)”成井和單井建造過濾器的模式，升級(jí)為目標(biāo)明確、能多井統(tǒng)籌優(yōu)化的“二次成井”過濾器建造模式，是一種從地浸開采源頭實(shí)施、具備先天優(yōu)勢溶浸“窗口”建造的技術(shù)。

與常規(guī)地浸開采相比，“數(shù)字建井”技術(shù)的應(yīng)用可大幅提高采區(qū)資源回收率，減少溶浸死角，縮短采區(qū)開采時(shí)限，降低無效浸出，節(jié)約化工原材料消耗，提高礦體開發(fā)經(jīng)濟(jì)性，尤其在復(fù)雜砂巖鈾資源的地浸開發(fā)過程中，“數(shù)字建井”技術(shù)的優(yōu)勢將更加明顯。因此，期望廣大地浸科研工作者圍繞地質(zhì)數(shù)據(jù)的解譯與轉(zhuǎn)換、地浸采鈾過程機(jī)理、大規(guī)模計(jì)算方法、采區(qū)浸采單元智能設(shè)計(jì)等工作繼續(xù)深入開展研究，為我國地浸采鈾高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。