一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法与流程

1.本发明涉及采矿工程技术领域，特别是涉及一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法。


背景技术：

2.铀资源是重要战略资源，90％以上的天然铀产量来自砂岩型铀矿。大多数砂岩型铀矿与煤、石油、天然气等战略性矿产资源同盆共存，其中以铀煤叠置共生现象最为普遍。针对铀煤叠置共生现象提出“先铀后煤”开发策略。“先铀后煤”开采策略为该区域铀煤资源协同开发指明了科学开采顺序，同时也对铀资源开发效率和技术水平提出了更高要求。
3.国内地浸采铀矿山设计年限一般为15～20年，单采区设计服役年限为6～8年。影响采区开采快慢的最主要因素是浸出液铀浓度和抽注液量，除去客观因素和矿床本身的因素，浸出液铀浓度与采矿工程手段、浸出剂配方及浓度有关，抽注液量与潜水泵下放深度、抽液降深及注液压力有关。实际co2+o2地浸采铀工艺条件下，采区在6年内难以达到80％的回采率，尤其在浸采中后期，矿层堵塞严重、抽注液量下降，浸出液铀浓度低、存在溶浸死角等诸多问题，采区需要延长服务年限至8～10年，甚至更久。
4.以鄂尔多斯盆地铀煤叠置的特大型砂岩铀矿为例，按照我国现有最大单体地浸矿山开发规模和采矿方法，需要30年甚至更久。在铀煤资源空间不叠置的条件下，以时间换取砂岩型铀矿的经济开采是可取的；但当前鄂尔多斯盆地多个煤矿矿井已投入生产或完成井建条件下，附近煤矿井的疏水导致砂岩铀储层水位持续下降，该区域铀资源的抢救性开发迫在眉睫；同时在铀煤叠置和“先铀后煤”开发策略下，也必须加快铀资源开发速度，尽快为压覆的煤资源提供开发空间和条件。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明从井型井距及生产运行抽注调换方式、高效强化浸出、高强度抽采、加压注液和平衡调控等多方面，提供了一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法，提高砂岩型铀资源回收速度，缩短地浸采区服役年限。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法，包括：
8.在地浸采区布置高密度可调井网；所述地浸采区为铀煤叠置区；其中，所述高密度可调井网为五点型井网形式，且位于所述高密度可调井网边缘处的注液井的井径为第一井径，位于所述高密度可调井网非边缘处的注液井和抽液井的井径均为第二井径；所述第一井径小于所述第二井径；
9.采用数字建井技术，确定位于所述地浸采区上的过滤器的长度和位置；
10.在生产阶段，执行开采操作，获取铀煤叠置区砂岩型铀资源；
11.所述开采操作分别为：
12.利用所述地浸采区上的过滤器进行抽/注液集中过滤；
13.采用强氧化反应和强络合反应在生产阶段强化浸出；
14.采用高扬程大流量潜水泵作业方式在生产阶段高强度抽采；
15.采用加压下注和均匀注液调控方式在生产阶段高强度注液；
16.在生产阶段更改高密度可调井网的布置方式。
17.可选地，所述抽液井和所述注液井之间的距离为20m～27m。
18.可选地，所述采用数字建井技术，确定位于所述地浸采区上的过滤器的长度和位置，具有包括：
19.收集所述地浸采区在矿床勘探阶段时的测井资料；
20.根据所述测井资料构建融合有三维非均质地层和铀矿体的模型；
21.对所述融合有三维非均质地层和铀矿体的模型进行离散化，形成包含几何模型与铀品位模型的融合模型；
22.在所述融合模型基础上，添加地浸钻井工艺，设定过滤器的开启位置和开启长度，进而得到工程渗流模型；
23.以可采铀资源量为目标函数，构建不同井距的工程渗流模型，进而得到优选井距；
24.在确定优选井距基础上，以减少垂向稀释为目的，进行过滤器的长度和位置的优化，进而确定位于所述地浸采区上的过滤器的长度和位置。
25.可选地，所述利用所述地浸采区上的过滤器进行抽/注液集中过滤，具体包括：
26.在地浸采区投入生产前，利用过滤器对含矿含水层进行水抽注循坏；
27.在地浸采区投入生产后，采用装载有粒径为2～5mm试剂为“石灰石+石英砂”的过滤器进行抽/注液集中过滤。
28.可选地，所述采用强氧化反应和强络合反应在生产阶段强化浸出，具体包括：
29.采用超前氧化和强氧化反应在生产阶段强化浸出；在所述超前氧化和强氧化反应中，分为三个阶段，具体为仅使用o2对含矿含水层进行预氧化阶段、采用“co2+o
2”作浸出剂进行强氧化浸出阶段、以及使用催化氧化技术进行强氧化浸出阶段；
30.采用强络合反应在生产阶段强化浸出；在所述强络合反应中，使用的浸铀络合剂中的hco
3-含量大于1.5g/l。
31.可选地，在所述超前氧化和强氧化反应中，采用微纳米注氧技术将氧气加入地浸工艺中；
32.在所述强络合反应中，通过过滤器进行抽/注液集中过滤方式或者直接在浸出尾液中加入化学剂方式，保持浸铀络合剂中的hco
3-含量大于1.5g/l。
33.可选地，所述采用加压下注和均匀注液调控方式在生产阶段高强度注液，具体包括：
34.在注液井上安装耐压能力＞2mpa的井口装置，在生产阶段，采用压力范围为1.0～2.0mpa的地浸注液压力进行加压注液；
35.在生产阶段，通过调控手段控制所述地浸采区内的注液井的注液量一致。
36.可选地，所述在生产阶段更改高密度可调井网的布置方式，具体包括：
37.在地浸采区生产前期和生产中期，采用
“ⅰ
型”五点式高密度可调井网；
38.在地浸采区生产后期，采用
“ⅱ
型”五点式高密度可调井网；
39.其中，所述
“ⅰ
型”五点式高密度可调井网由多个正方形组成，在所述正方形的四个
角处布置有注液井，在所述正方形的对角线交点处布置有抽液井；
40.所述
“ⅱ
型”五点式高密度可调井网是在所述
“ⅰ
型”五点式高密度可调井网的基础上进行改进，将位于边缘处的注液井停注，将位于非边缘处的注液井更改为抽液井，将位于非边缘处的抽液井更改为注液井。
41.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
42.本发明涉及一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法，用于铀煤叠置或其他背景下要求砂岩型铀矿必须快速开采的情况。本发明包括砂岩型铀矿采区设计阶段和生产阶段的快速开采措施和方法，具体是通过高密度可调井网和数字建井技术、抽/注液集中过滤、强化浸出、高强度抽采、加压下注和均匀注液调控、生产阶段井网调控等联合手段，实现溶浸死角小、溶浸覆盖率大、浸出液铀浓度高、抽注液量大、含矿含水层渗透性保持良好的快速开采目的，能够有效缩短地浸采区服役年限，加快砂岩型铀资源回收。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明实施例提供的一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法的流程示意图；
45.图2为本发明实施例提供的一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法的分区流程图；
46.图3为本发明实施例提供的高密度可调井网的结构示意图；
47.图4为本发明实施例提供的砂岩储层均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图；图4的(a)为第1天砂岩储层均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图，图4的(b)为第10天砂岩储层均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图，图4的(c)为第30天砂岩储层均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图；
48.图5为本发明实施例提供的砂岩储层非均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图；图5的(a)为第1天砂岩储层非均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图，图5的(b)为第10天砂岩储层非均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图，图5的(c)为第30天砂岩储层非均质条件下“4注1抽”五点式地浸采铀井网流场模拟图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
51.本发明实施例提供了一种铀煤叠置区砂岩型铀资源快速开采方法。本发明实施例
通过高密度可调井网和数字建井技术、抽/注液集中过滤、强化浸出、高强度抽采、加压下注和均匀注液调控以及生产期井网调控等联合手段，在砂岩铀矿精准开采基础上实现溶浸死角小、抽注强度大、矿层渗透性保持情况良好的快速开采目的，缩短采区服役年限，加快铀煤叠置区的砂岩型铀资源回收。
52.本发明实施例提供的技术方案包括铀煤叠置区砂岩铀矿开发设计和生产阶段的快速开采措施和方法，结合图1和图2进行如下阐述。
53.步骤100：在地浸采区布置高密度可调井网；所述地浸采区为铀煤叠置区；其中，所述高密度可调井网为五点型井网形式，且位于所述高密度可调井网边缘处的注液井的井径为第一井径，位于所述高密度可调井网非边缘处的注液井和抽液井井径均为第二井径；所述第一井径小于所述第二井径。
54.区别于现有地浸采铀的七点型井网形式和五点型井网形式，本发明在井径方面进行优化，采用部分注液井和抽液井的井径相同的的五点型井网形式，在尽可能节约钻井成本的条件下，满足地浸采区生产中后期井网抽注功能调整，便于生产过程中井型的调换。
55.具体为：本发明实施例提供的高密度可调井网包括由多个正方形组成，如图3中的a区域所示，所述高密度可调井网，在所述正方形的角处布置有注液井，在所述正方形的对角线交点处布置有抽液井，形成“4注1抽”浸采单元。除边缘注液井使用小孔径(pvc材质，)外，地浸采区的全部抽液井、非边缘注液井均采用大孔径(pvc材质，或)。边缘注液井的井径比4吋深井潜水泵外径小，所以只能做注液井使用，不能作为抽液井。其中，表示注液井，表示抽液井。
56.在高密度可调井网中，所述抽液井和所述注液井之间的距离，即抽注孔间距为20m～27m，区别于常规地浸采区采用的27～40m的抽注孔间距。
57.步骤200：采用数字建井技术，确定位于所述地浸采区上的过滤器的长度和位置，具体为：
58.(1)收集地浸采区在矿床勘探阶段时的测井资料，并按照三维地质建模软件识别的数据文件格式将其存放；该测井资料包括钻井坐标、深度、岩性划分(砂砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩等)、铀矿层品位等信息。
59.(2)采用适用于砂岩铀矿储层精细刻画的三维地质建模软件(如evs、leapfrog)，依据整理好的测井资料，建立融合有含矿含水层的岩性、铀品位的三维非均质地层和铀矿体模型。
60.(3)在三维非均质地层基础上，对含矿含水层的空间按照一定分辨率进行离散化，生成一系列单元块，并将铀矿体模型(铀品位值)赋值到空间对应的单元块中，形成包含几何模型与铀品位模型的融合模型。
61.(4)在融合模型基础上，将包含几何模型与铀品位模型的融合模型以一定的网格尺寸进行离散和赋值形成几何模型，添加地浸采铀采矿工程—地浸钻井工艺，设定过滤器的开启位置和开启长度，构建工程渗流模型。
62.(5)以5年可采铀资源量为目标函数，构建不同井距的工程渗流模型，得到特定地质和矿体特征条件下的优选井距(依据实际地浸生产经验，在15～40m范围内进行优选即可，尤其对20～27m井距开采的年限、可采资源量进行比较)。
63.(6)在确定优选井距的基础上，以减少垂向稀释为目的，进行过滤器的长度和位置的优化，构建砂岩型铀矿体地浸开采精准溶浸通道，即确定位于所述地浸采区上的过滤器的长度和位置。
64.步骤300：在生产阶段，执行开采操作，获取铀煤叠置区砂岩型铀资源。
65.所述开采操作分别为：
66.s1：利用所述地浸采区上的过滤器进行抽/注液集中过滤。
67.在地浸采区投入生产前，利用过滤器对含矿含水层进行水抽注循坏，循环时间为3～5天，实现含矿含水层预疏通。
68.在地浸采区投入生产后，采用装载有粒径为2～5mm试剂为“石灰石+石英砂”的过滤器进行抽/注液集中过滤，具体为浸出尾液总管通入过滤器，经过过滤器过滤后配加浸出剂，再经注液井注入含矿含水层。
69.过滤器为普通塔管，类似于地浸采铀水冶树脂吸附塔。在本实施例中，该过滤器为耐高压、抗腐蚀的陶瓷容器或内衬po铁质容器，配套有进液管、进气管、排液管、排气管及自动反冲阀等，便于装卸和自动化冲洗石灰石和石英砂，塔内装载有粒径为2～5mm材料为“石灰石+石英砂”的固体颗粒，石灰石与石英砂颗粒按照2:1～1:1的比例进行配比。
70.由石灰石和石英砂装填的过滤器组成了多孔介质材料，降低溶液的流速降低，实现细小颗粒沉降，同时石灰石和石英砂表面具有吸附胶体和悬浮物的作用，起到净化溶液的目的。这是一种低成本的拦截杂质净化溶液的方法，可以过滤掉抽/注液中90％以上的细小泥沙、悬浮胶体。显然选择对抽液(即浸出液)进行集中过滤，以减轻泥沙和胶体对铀水冶吸附系统带来的不利影响。
71.s2：采用强氧化反应和强络合反应在生产阶段强化浸出，实现加快化学反应速率。
72.一是超前氧化和强氧化浸出：在co2+o2地浸采铀浸出工艺条件下，第一阶段(约0.5～2个月)仅使用o2对含矿含水层进行预氧化，o2加入量为100～300mg/l。优选地，采用微纳米注氧技术，将以往co2+o2地浸工艺中的加氧浸出由“毫米级o2气泡”通过气液混合型微纳米气泡发生器转变为微米、纳米级气泡，o2气泡进一步分散和缩小，提高氧气利用效率和铀矿层氧化效果；第二阶段(从第一阶段末～采区投产后的第3年末)，采用“co2+o
2”作浸出剂强氧化浸出；优选地，采用微纳米注氧技术，o2加入量为300～800mg/l；第三阶段(采区投产后的第3年末～采区退役)，使用催化氧化技术，以co2为催化反应介质，ki、nano2、mno2中的一种或几种为催化剂，o2为氧化剂，进行强氧化浸出。其中co2浓度为200～500mg/l，催化剂浓度为20～100mg/l，o2浓度为300～500mg/l，氧气的加入同样的使用微纳米注氧技术实现氧气加入。
73.二是强络合浸出：hco
3-是co2+o2地浸采铀工艺中的浸铀络合剂，强化浸出的第二个关键措施是保持浸铀络合剂中的hco
3-含量大于1.5g/l。例如：随着地浸采区进入浸采中后期阶段，地层中的碳酸岩含量不足，地下水中的hco
3-下降至1.5g/l以下时，则通过将co2通入“石灰石+石英砂”过滤器，在过滤抽/注液中的细碎颗粒或胶体物质的同时，通过co2与石灰石的反应，补充溶液中的hco
3-，满足浸出过程中的强络合条件；也可以直接在浸出尾液中加入nahco3或nh4hco3，以快速提高浸铀络合剂中的hco
3-含量。
74.步骤500：采用高扬程大流量潜水泵作业方式在生产阶段高强度抽采。
75.地浸采铀生产过程属于群孔作业，抽液井与注液井按照一定规则布置(五点型、七
点型或行列式等规则)，注液井注液可视为抽液井的定水头补给边界，水位降深与抽水量的计算公式可参考：
[0076][0077]
式中，q—钻孔涌水量，单位为m3/d；k—含水层渗透系数，单位为m/d；l—过滤器长度，单位为m；m—含水层厚度，单位为m；s—井中水位降深，单位为m；r—井的半径，单位为m；r—抽水影响半径，单位为m
[0078]
对于某一确定的抽液井，上述公式中含矿层渗透系数、含矿层厚度、过滤器长度、井的半径、抽水影响半径(抽注井间距)都是确定的，只有加大水位降深才能提高抽液井的抽液量。针对渗透性能较差(渗透系数k≤0.5m/d)的砂岩铀矿，采用高扬程大流量潜水泵作业，加大降水漏斗提高钻井抽液量的方式已通过实践验证，详细见表1。
[0079]
表1不同流量下的水位降深值查询表(钻井内径0.128m，孔间距30m)
[0080]
[0081]
[0082]
[0083][0084]
s3：采用加压下注和均匀注液调控方式在生产阶段高强度注液。
[0085]
一是加压下注：地浸采铀生产采区的注液压力一般为0.2～1.0mpa，提高注液压力，可增大单井注液量。步骤500中的高强度抽采，即使是渗透系数为0.1m/d的含矿层，只要动水位降深达到150m，抽液量仍可达到4m3/h；但对于同样条件的地层，单井注液量要达到4m3/h，难度极大，通过提高注液压力，可增加注液井和抽液井之间的水力梯度，从而加快渗流速度，提高注液量，达到提高开采效率的目的。因此在快速开采过程中，注液井采用耐压能力＞2mpa的井口装置，在现场使用高于常规地浸注液压力进行加压注液，加压下注的压力范围为(1.0～2.0mpa)。
[0086]
二是均匀注液调控：由于钻孔质量和含矿层的局部差异，保持同一个注液压力情况下，每个注液孔的注液量难以相等或达到基本相等，而非均匀注液会大大增加稀释度和延长浸出时间，因此，通过调控手段将每个浸采单元的注液井流量调节到基本相同。具体调控手段为：对每口注液井支管安装电磁流量计和远程流量调节阀，采集到每口注液井流量信息，反馈到地浸采铀矿山远程井场控制平台，经过数据统计和平衡分析，对注液井单井流量大于设定值1.0m3/h或小于设定值0.5m
3/
h的井，通过远程流量调节阀进行流量调节。
[0087]
s4：在生产阶段更改高密度可调井网的布置方式，具体为：
[0088]
在步骤100的钻井井网布置条件下，在生产阶段井网排产时，采区生产前期和生产中期(从投产到第3年末)，采用
“ⅰ
型”五点式，如图3的a所示，控制抽液量大于注液量的1
‰
～3
‰
；生产后期(从第4年初至采区退役前)，采用
“ⅱ
型”五点式，如图3的b所示，停注所有采区边缘注液井，非边缘的井功能互换(抽液井改为注液井，注液井改为抽液井)，控制抽液量大于注液量的3
‰
～8
‰
。
[0089]
理想均质地层条件下，抽注井之间的渗流场为规则的“纺锤状”，见图4的(c)所示，溶浸死角较小，矿体浸出也较均匀。但实际砂岩型铀储层及铀矿体品位分布都是非均质的，受到非均质地层影响，从注液井到抽液井的浸出渗流场变得极为复杂，浸采单元内存在较大的溶浸死角，结合内蒙纳岭沟铀矿试验采区的某浸采单元地层特征进行实例模拟，如图5的(c)所示；但也从该实例中看到，注液井周围一定范围内(0～10m)浸出较充分，大量铀矿物都能在浸出剂长期作用下溶解迁移。因此在采区浸采中后期，按照
“ⅱ
型”五点式规则调
换抽注液井的功能，将抽液井改为注液井(同时，将注液井改为抽液井)，对原来抽液井周围的铀矿体及由注液井长期往抽液井路径上迁移的铀进行溶浸，可以实现铀矿体的最大化浸出。
[0090]
在采区浸采中后期，按照
“ⅱ
型”五点式规则调换抽注液井的功能，至少有两个好处：
[0091]
(1)减少固定
“ⅰ
型”五点式井网布置条件下的溶浸死角，提高铀资源回收率；
[0092]
(2)在采区生产中后期，进一步缩减了采区溶浸范围；同时增大了抽注液比，采区边缘范围内由于原始地层水涌入而进行了洗涤，为采区退役奠定了良好基础。
[0093]
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
[0094]
针对铀煤叠置型砂岩铀资源的快速开发，在砂岩铀矿开采设计阶段，通过高密度可调井网和数字建井技术提高了井距确定和过滤器布置的科学性，确定了以满足铀资源快速开采为目的的井网密度和以减少垂向稀释为目的的过滤器优化布置方案。
[0095]
在地浸采区生产阶段，通过抽/注液集中过滤，减少细碎颗粒和胶体等堵塞含矿含水层，保持含矿含水层具有良好的渗透性能；对砂岩型铀资源浸出的氧化条件和络合条件同时进行强化，提高关键浸出剂的浓度加快化学反应过程；进行高强度抽采，以高扬程大流量潜水泵进行大降深抽水，提高浸采单元的抽液量，是最直接提高回采速度的方法；进行加压下注，加大注液井和抽液井之间的水力坡度，增加溶浸液渗流速度，同时进行均匀注液调控，尽可能减少稀释和同一浸采单元不同方向上的浸采不均匀程度；采区生产前期和中期采用
“ⅰ
型”五点式，生产后期采用
“ⅱ
型”五点式，减少固定井网抽注模式下的溶浸死角，提高铀资源回收率。
[0096]
通过采区优化设计和生产阶段的一系列强化措施，最终达到铀煤叠置区铀资源快速开采目的。
[0097]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0098]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。