基于砂岩型铀矿原状岩心的渗流特性试验研究

贾明涛 ,姚鑫 ,陈梅芳 ,苏学斌

(1.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083;2.新疆中核天山铀业有限公司,新疆 伊宁 835000;3.中国铀业有限公司,北京 100010)

原地浸出技术已经成为砂岩型铀矿床首选的开采方法,这使得原有的不经济、品质差的矿体转化为可采铀矿[1--2]。矿层渗透性能是影响地浸开采的关键因素,受复杂地质构造演化的影响,砂岩铀矿层的品位与岩性在空间上的分布均呈现出较强的非均质性,这严重影响了铀矿层的浸出率[3--4]。因此,开展多场耦合作用下砂岩铀矿渗透特性研究是当前该领域一个亟待解决的基础性问题,对提高砂岩铀矿浸出率具有极其重要的科学意义和应用价值。

目前,众多学者针对不同类型的岩石进行渗透性能方面的研究,分析在不同围压作用下的渗流特征。张培森等[5]采用Rock Top多场耦合试验仪,进行不同条件下红砂岩水--力耦合试验研究,确定了在30～60 MPa围压范围内,压力条件是影响渗透率的主要原因。薛维培等[6]以玄武岩纤维混凝土为试验样品进行变围压作用下渗透率测试,发现变围压作用下渗透率呈负指数函数衰减;王恒阳等[7]以致密砂岩岩心为试验样品研究不同围压下渗透率的变化规律,结果表明:围压对致密砂岩渗透率的影响特征相较于指数函数,更符合幂指数函数分布规律;代嘉惠[8]在探讨煤体渗透率的影响因素时,发现在轴压相同的条件下,煤样渗透率与围压的关系符合幂函数。

不同于致密砂岩,原地砂岩铀矿床砂体黏结程度差,难以采用标准的硬岩试样制作技术进行制样,因此,以往的室内试验中,研究人员多是基于原始岩样破碎之后重塑制成砂岩铀矿试样开展试验。张青林等[9]利用重塑的砂岩铀矿样进行CO2＋O2浸出工艺的柱浸试验;姜岩等[10]采用破碎后的试样开展浸出工艺的试验室研究。原始岩样经破碎重塑后,物理和力学性质发生改变,导致室内试验与现场试验的结果偏差较大,不能有效地指导实际的矿山生产活动。

综上,鲜有基于原状岩心开展加压条件下含铀疏松砂岩的渗透特性研究。本文采用冷冻取心法制作的标准岩心柱,进行梯度围压与不同岩性组合条件下试样的渗透性能研究,通过设定不同的围压模拟不同的埋深,测试梯度围压下的渗透率值,探讨渗透率随围压的变化规律;通过改变不同组合试样中目标岩性试样的长度占比,模拟混合砂岩区域,测定组合试样的整体渗透率,研究砂岩非均质性对整体渗透率的影响。研究成果为进一步的数值模拟奠定了基础,并对地浸矿山的优化开采具有一定的参考价值。

1 渗流试验原理及方案

1.1 岩样及其物理性质

砂岩是地浸采铀溶质运移中诸多过程进行的主要场所。本文所采用的岩样取自新疆某砂岩型铀矿床,岩石呈灰色,砂岩包括细砂岩、中砂岩和粗砂岩,另有部分黑色泥岩。现场取回的岩心经冷冻后,钻取柱状岩心,切割打磨后得到的岩心试样如图1 所示,岩心直径(5±0.2)cm,长度为5 cm。

图1 柱状岩心试样Fig.1 Columnar core sample

块状岩样按照细砂岩、中砂岩和粗砂岩进行分组,破碎至自然粒级后利用振动筛完成筛分工作,筛分的粒级范围为:－10～＋200目。粗砂岩中粒径大于0.425 mm 的颗粒质量占比达到50.47%,以粗粒为主;中砂岩中粒径在＜0.125 mm、0.125～0.25 mm、0.25～0.425 mm范围内的颗粒质量占比分别达到24.70%、26.99%和25.39%,微粒、中粒和细粒分布均匀;细砂岩中粒径在0.125～0.25 mm范围内的颗粒质量占比达到57.31%,以细粒为主。

选取不同岩性的试样进行孔隙度及成像测试[11],试验采用的仪器为高温高压核磁共振检测系统(Macro MR12-150 H-I),所用磁体为永磁体,主频率12.75 MHz,氢测试探头线圈为70 mm。由测试结果可知:粗砂岩孔隙尺寸最大,孔径主要在1.6～6.3μm 之间;中砂岩孔径主要在1.6～4μm 之间;细砂岩孔径主要在0.63～1.6μm 之间。

1.2 仪器

HKY--1型长岩心渗流监测试验系统可用于有一定孔隙和裂隙发育的岩石试样进行温度--应力--渗流耦合试验研究。该试验系统由长岩心夹持子系统、溶浸液注入子系统、压力自适应调控子系统(围压)、温度控制子系统和渗流压力与流量检测子系统等部分组成,可对不同空间位置的渗流压力数据进行实时监测与收集,并能够同步绘制渗流压力--时间、流量--时间和渗透率--时间曲线。长岩心夹持器适用于直径5 cm,长度0～30 cm 的岩石试样;注入流量可控制在0.01～100 m L/min,工作压力为0～40 MPa;围压可控制在0～30 MPa,误差控制在0.25 MPa;压力传感器的精度为0.25级,工作压力为0～40 MPa;渗流压力和流量值每间隔1 s记录一次。

1.3 原理

为了研究室温条件下,不同围压和不同岩性组合条件下试样的渗透演化规律。本次试验采用定流量法测定砂岩的渗透率[12]。定流量法是通过提供稳定的注入流量,监测试样两端渗流压力变化完成渗透率测定的方法,室内常用装置见图2。

定流量法测试的基本原理一般是经典的达西定律[13],此次用于计算砂岩试样渗透率的表达式如下:

图2 室内常用定流量法测渗透率装置示意图Fig.2 Schematic diagram of a device for measuring permeability by constant flow method commonly used in laboratories

式中:k—被测试样的渗透率,m2;μ—流体黏度系数,取μ＝1×10－3Pa·s;Q—通过试样的渗流液体流量个试样串联后的总长度,个试样串联后的等效横截面积,m2;Pi—试样上游渗流压力值,Pa;Po—试样下游渗流压力值,Pa。

已知换算关系:1 m2＝1×1012μm2;经换算,下文将选取μm2作为渗透率的单位。

1.4 方案及步骤

为缩短砂岩试样达到渗流平衡的时间,试验开展前对试样进行预饱和,并在渗流试验初始阶段将注入流量稳定在较高的水平,待液体穿透砂岩试样后调至试验所需注入流量值。以试验所在地区的自来水作为渗流液体,参考相关标准,水的黏度取1×10－3Pa·s,水的密度取1×103kg/m3。饱水砂岩试样取出后,按照试验方案进行串联组合。试验时,注入流量控制在0.25 m L/min,围压设定为2 MPa、3 MPa、4 MPa和5 MPa。试验步骤如下:

1)不同岩性的砂岩试样串联组合,放入长岩心夹持器中,然后注入水溶液,确保试验系统的气密性良好;

2)初始注入流量值设置在0.35 m L/min,待试样达到渗流平衡后,调整至0.25 m L/min,初始围压设置在2 MPa;

3)在设定围压下,待数据采集系统中的渗流流量--时间曲线趋于稳定,表明试样内部的渗流已达平衡,改变围压大小,测量不同围压梯度下的试样上、下游渗流压力值、和通过砂岩试样的渗流液体流量;

4)改变不同岩性试样的组合方式,重复进行步骤2)～3);

5)渗流试验过程中,试验机间隔1 s自动采集试样上、下游渗流压力值、和渗流液体流量,并利用式(1)计算砂岩试样的实时渗透率k。

2 试验结果与分析

2.1 围压对整体渗透率的影响

2.1.1 梯度围压下渗透率的变化规律

本节试验采用两段岩心进行组合,测定组合在2 MPa、3 MPa、4 MPa和5 MPa下的整体渗透率值,整理后的渗透率变化曲线见图3。数据点处的值为多组试验整体渗透率的平均值,垂直线为整体渗透率的取值范围。

采用二次多项式对试验数据进行拟合,粗砂岩组的整体渗透率随围压的变化曲线为:y＝0.007 03x2－0.112 1x＋2.252 72;中砂岩组的变化曲线为:y＝0.013 5x2－0.001 32x＋0.857 19;细砂岩组的变化曲线为:y＝0.004 61x2－0.050 05x＋0.182 72。粗--中砂岩组等其他几组试验数据的拟合曲线见图3c、d、f。

由图3可以看出,随着围压的递增,两段岩心组合后的整体渗透率整体上呈下降趋势,且渗透率下降的速度随围压的增大不断减小,逐渐趋于稳定。围压的施加使得试样内部的颗粒发生位移,改变了喉道的分布,而喉道的形态、半径和连通性等特征的改变都将造成渗流通道的收缩与闭合,引起试样渗透率的变化[14--15]。原始状态下,砂岩试样内部存在众多喉道半径较大并且连通性良好的孔隙,初始加压阶段,由于外荷载的压实作用,导致内部大量喉道的尺寸减小,只剩下少部分喉道半径较小、连通性较差的孔隙,故而在此阶段中,试样的渗透率迅速降低。进一步增大围压后,由于初始加压阶段的压实作用,可被压实的孔隙较少,试样渗透率的下降也随之变缓。试样内部颗粒不发生破坏的前提下,当围压加载到更高水平后,试样内部孔隙相对稳定,其渗透率将稳定在某一水平[16--17]。

图3 渗透率随围压变化曲线Fig.3 Permeability curve with confining pressure

2.1.2 试样排列次序对整体渗透率的影响

为研究试样在不同的排列次序下整体渗透率的变化规律,试验采用四块试样,包括粗砂岩一段、中砂岩两段和细砂岩一段,粗砂岩试样和中砂岩试样的顺序固定,以细砂岩试样在组合中的位置作为分组依据,梯度围压下完成两组渗流试验,试验结果见表1。

2 MPa、3 MPa和4 MPa时,两组的整体渗透率有些许差异;5 MPa围压下,两者稳定在同一水平。由核磁共振检测的结果可知:粗砂岩内部孔隙容许通过的颗粒粒径最大,中砂岩次之,细砂岩最小。较低围压条件下,不同岩性的孔径尺寸差异较大,在渗透率由高变低突变的区域易形成堵塞,改变整体渗透率[18]。围压的加载会改变试样内部孔隙的尺寸与连通情况,不同围压下的试样整体渗透率的变化情况见表2,数据表明:等梯度的围压变化,粗--中砂岩组的渗透率变化量最大,细--细砂岩组的渗透率变化量最小,说明粗砂岩相较于中砂岩和细砂岩,内部的孔隙被压实的程度更大,不同岩性试样内部的孔隙尺寸差异逐渐缩小,断面位置产生大颗粒积聚现象的概率降低。

表1 不同次序排列条件下整体渗透率试验值/μm2Table 1 Test values of overall permeability under different arrangement conditions/μm2

表2 梯度围压下的组合试样整体渗透率的变化量Table 2 Changes of overall permeability of samples under different confining pressures

在理想条件下,整体渗透率的大小取决于试样本身的渗透率大小及其在组合中的长度占比。室内试验依据单一变量原则,控制试样的渗透率以及长度占比不变,以细砂岩在组合中的次序作为研究对象。梯度围压递增条件下,室内试验测试数据所呈现出的整体渗透率变化规律愈加符合理想条件下的整体渗透率变化规律[19],试样排列的次序对整体渗透率的影响逐渐降低。

2.2 长度占比对整体渗透率的影响

张东等[19]通过理论推导和数值模拟的方法,构建出理想条件下的非均匀介质等效渗透率普适表达式,见式(2)。

本节采用室内试验的方法研究目标岩性长度占比对整体渗透率的影响,从粗砂岩、中砂岩和细砂岩试样中分别选取若干块长度约5 cm 的标准柱状岩心,在两段不同岩性试样长度占比1∶1组合的基础上,第三种岩性的试样作为目标岩性试样,通过控制目标岩性试样的数量使得目标岩性试样在三种岩性试样组合中的长度占比达到0%、33%、50%和100%四种标准,5 MPa围压条件下开展应力--渗流耦合试验研究,结合本文中相关试验的测试结果,分析目标试样长度占比对整体渗透率的影响。

两种岩性试样长度1∶1条件下,整体渗透率随目标岩性试样长度占比的变化趋势采用式(3)拟合,试验数据的拟合结果见图4中的拟合曲线。

式中:k—整体渗透率;x—目标岩心的长度占比;C1、C2—拟合系数。

式(3)经过修正后,各组试验拟合函数中的C1、C2值取决于试样的渗透率值,C1取值为两段岩心组合后的整体渗透率k1,目标岩心的渗透率为k2,则C2取值为k2与k1比值的自然对数。

将相关参数带入修正后的函数表达式,绘制以目标岩心长度占比为自变量的整体渗透率变化曲线,结果如图4中的修正函数曲线所示,图4a、c中的函数曲线具有明显的下凹特征,图4b中的函数曲线近似线性。长度占比在0%～50%内变化,粗砂岩组的整体渗透率变化率的21%,细砂岩为93%,此时细砂岩对整体渗透率的影响较大;长度占比在50%～100%内变化,粗砂岩的长度占比对整体渗透率的影响较大。故地质模型中即使存在少量渗透率较低的砂体,也不可将其忽略。

在以往的渗透性能评价中,已明确岩性区域的渗透性能可采用室内试验测定的渗透率替代,但仍存在部分规模较小的非均质区域无法明确岩性。工作人员将多种岩性混合的区域看作是均质的,并采用不同岩性加权平均的方法估算该区域的渗透性,这种方法并不准确。修正后的经验公式根据勘探数据中不同岩性的占比估算混合岩性区域的整体渗透率,更符合原地情况,为进一步的数值模拟工作提供必要的参数。

图4 整体渗透率与目标岩性长度占比关系曲线Fig.4 The relation curve between overall permeability and target lithology length

3 结论

1)设计一种研究标准柱状岩心在不同条件(围压、温度、注入流量等)下渗流特征的室内试验方法,包括标准岩心的制作与试验方案的设计。

2)初始加压阶段,试样内部大量的大尺寸孔隙向小尺寸孔隙转化,进一步增大围压,由于可压缩的孔隙大幅减少,渗透率降低的速度减缓;经拟合,渗透率随围压的变化规律符合二次多项式分布,粗砂岩组为:y＝0.007 03x2－0.112 1x＋2.252 72,中 砂 岩 组 为:y＝0.013 5x2－0.001 32x＋0.857 19;细砂岩组为:y＝0.004 61x2－0.050 05x＋0.182 72;围压增大过程中,各种岩性试样内部的孔隙尺寸之间的差异逐渐缩小,试样排列的次序对整体渗透率的影响逐渐减小。

3)室内试验条件下,当两种岩性长度占比为1∶1时,通过对不同目标岩性长度占比下整体渗透率的试验数据分析,给出了此条件下目标岩性长度对整体渗透率的经验公式:k＝C1·,式中C1、C2取值于试样的渗透率。

4)受限于标准柱状试样的制作难度,试样数量不足以完成更多的组合形式,本文仅开展两种岩性长度占比为1∶1条件下的渗流试验研究;之后的研究将以此为基础,针对渗透率的影响因素进行更加深入的研究。