“数字建井”在砂岩型铀矿地浸开发中的探索与应用

阳奕汉，苏学斌，陈梅芳，姚光怀，张传飞，赵海军，杜志明，贾明涛

(1.中核内蒙古矿业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010；2.中核地浸工程技术研究中心，内蒙古 呼和浩特 010010；3.中国铀业有限公司，北京 100013；4.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；5.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

我国最早在1970年开始地浸采铀技术研究，1984年取得了由地浸采铀探索性试验到条件试验的突破，1998年建成工业规模的酸法地浸采铀矿山[1-2]，2009年突破了CO2+O2浸出工艺建成环境友好型工业规模的中性地浸采铀矿山[3]，2016年突破了地下水为弱承压和无承压、矿体发育多层等砂岩铀矿地浸开采技术，在伊犁盆地建成我国首座绿色千吨级铀矿示范基地[4]。至今已有四十余年的发展经验和相对完善的地浸采铀技术体系，我国地浸采铀技术水平已发展为由当初仿效照搬到如今部分技术国际领先。

随着我国地浸采铀技术的快速发展，以及我国北方砂岩铀矿资源勘探成果的不断扩大，国内天然铀产业结构实现了由南方硬岩向北方砂岩转移的战略性调整，采用地浸采铀生产的天然铀总量由2011年的28%增加到2021年的90%[3]。目前，地浸采铀已然成为我国天然铀生产的主要方法，并将在未来一段时期内处于主导地位。地浸采铀是融合地质、水文、地球化学等多学科的“采选冶”一体化工艺，对于资源禀赋条件好的砂岩铀矿，资源回收率可达80%～90%[5]，经济性显著；但对于资源禀赋条件差、赋存条件复杂的砂岩铀矿，在传统地浸采铀成井模式的条件下，即使通过改变井型井距、采取强化浸出、抽注调控等措施，浸采率低、回收周期长等问题依然存在。目前，新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区(以下简称“内蒙古”)等地的现役地浸矿山和尚未开发的新矿点复杂砂岩铀资源占70%以上，因此，对于如何切实提高复杂铀矿体开发效率，真正实现经济开采，各地矿山都在积极探索和实践。近年来，中核内蒙古矿业有限公司(以下简称“中核内蒙矿业”)成立了地浸科研攻关团队，通过地浸开采理念创新、技术创新和管理创新，借鉴国内外地浸采铀、石油开采先进经验，利用数字化手段为科研试验、生产建设赋能，初步探索出一条多学科融合多技术集成的地浸采铀“数字建井”新思路。

1 地浸采铀“数字建井”技术理念提出的背景

1.1 “数字建井”理念的提出

砂岩型铀矿开发涉及的最主要三大问题为钻井工程及布置、浸出剂配方、溶浸范围控制。其中，钻井工程及布置是影响浸采效率、开采年限和经济性的最关键因素。钻井工程及布置包含两方面内容：一是钻井井网在平面上的布置形式；二是钻井过滤器的开启位置和长度。但由于地浸采铀井网布置需考虑的因素众多，如岩性岩相的发育规律、岩层与矿体的非均质特性、矿体形态及品位分布、矿体厚度和含矿层厚度、含矿层的渗透性强弱和富水性等，井网优化研究一直都是地浸采铀开采设计中的难点问题之一。国内地浸矿山生产采区的选择和优化，主要依据勘探和生产补充勘探、现场条件试验的相关数据，并参考借鉴同类型矿体生产采区的布置方式进行；传统地浸采铀成井模式为“即时”成井，钻井过滤的开启位置和长度主要是对照单井设计书，依据物探测井数据解释的见矿参数、协同相邻钻井见矿情况及过滤器布置情况来确定[6]。因此，针对某个特定矿体，一旦钻井工程确定，人工构建的地浸渗流场就已基本定型，浸出剂运移通道和铀矿体得以浸出的范围也即确定。前期钻井工程的布置是否合理，关系到铀矿体能否被浸出剂接触、有多少铀矿体能被溶浸、溶浸死角范围及分布、围岩对浸出剂的消耗占比以及浸出液的稀释情况等，若前期钻井工程布置合理，则能达到浸出剂覆盖范围广、溶浸死角少、浸出剂在无矿围岩中的消耗少、浸出率高等效果；否则，后续通过其他措施来优化铀矿体浸出都收效甚微甚至是徒劳。

进入新时代以来，数字技术发展迅猛，数字化转型已成为经济高质量发展的加速器和引擎，也是矿山企业转型发展的必由之路。目前，国内地浸矿山在数字矿山建设方面已开展了实质性工作，基本实现了生产过程自动化、经营管理协同化，为纵深推进数字化转型升级，高质量完成内蒙古“双千吨级铀矿大基地”建设目标，针对我国复杂砂岩型铀矿地浸开发存在的主要矛盾和问题，中核内蒙矿业在地浸开采数字化方面进行了卓有成效的探索，并率先提出地浸采铀“数字建井”理念。

1.2 “数字建井”技术的内涵

地浸采铀“数字建井”是新时代多学科交叉融合的产物，是新一代信息技术、先进地浸采铀理念与天然铀产业高质量发展核心要素深度融合的产物，也是在当前背景下地浸采铀寻求高质量发展的一种创新性开发模式。

地浸采铀“数字建井”技术是依托地浸采铀矿山已有经验和研究基础，统筹运用各阶段数据，以三维地质建模和溶质运移模拟分析软件算法算力提升为背景，从地浸开发源头进行“地浸采矿工程-工艺钻井及过滤器”的优化，以提高铀资源利用率、推动地浸采铀矿山高质量发展为目的的循序渐进、持续优化的复杂砂岩地浸开采新技术。

“数字建井”技术的核心思想是以砂岩型铀矿体及含矿含水层岩性的精细刻画为基础，采用三维建模、虚拟现实手段，进行非均质地层溶浸采矿渗流场的可视化表达和过滤器布置(包括开启位置和长度)的优化计算，构建砂岩型铀矿体地浸开采溶浸通道，将溶浸流场的控制和优化由采区投入生产运行之后前移至钻井过滤器建造之前，利用“统筹全局、量体裁衣”的地浸采矿工程实现溶浸渗流场的优化控制，最终达到砂岩铀资源最大化利用和高效开采目的。

2 地浸采铀“数字建井”的做法

2.1 地浸开采的一般流程

砂岩型铀矿地浸开发的一般流程为：①依据勘探或生产勘探工作提交的地质储量报告和现场试验，进行生产采区开拓设计(图1(a))；②在采区钻井施工过程中，完成单井施工后实施物探测井，解释含矿含水层厚度、岩性、矿层位置及品位等参数(图1(b))；③测井完成后，根据该孔见矿情况和周边钻孔见矿情况“即时”完成过滤器位置和长度设计，完井(图1(c))；采区完成管线和设备安装后，投入生产运行，并在生产运行过程中视情况进行抽注液优化调控(图1(d))。

图1 砂岩型铀矿地浸开发的一般流程Fig.1 General flow chat for in-situ leaching of sandstone uranium deposit

2.2 “数字建井”的主要做法及流程

依据上述地浸采铀“数字建井”的内涵，结合内蒙古某铀矿山地浸开发实际应用情况，梳理了当前采用的“数字建井”的做法及流程如下所述。

1) 收集勘探阶段的钻井资料和测井解释资料，按照拟采用的三维地质建模软件将地质和矿体资料按规定整理(图2(a))，常用的三维地质建模软件有EVS、DepthInsight、Leapfrog、GMS等。

2) 选择上述某款三维地质建模软件，分别构建不同岩性的砂体和矿体的三维非均质地质体模型[7-8](图2(b))。

3) 将非均质三维地质模型以一定的网格尺寸进行离散和赋值，形成几何模型[8]，进行地浸采铀井网的优化计算(图2(c))，由于是基于勘探阶段的地质数据，控制网度一般为100 m×100～50 m，因此，矿体的控制程度达不到进行过滤器设计的程度，在此阶段只进行钻井井位优化。

4) 依据优化计算的井位信息，进行采区钻井施工，物探测井后建立不含过滤器段的盲井(只置PVC套管和固井)，收集和整理测井解译数据(图2(d))。

5) 将勘探阶段钻井数据和完成采区钻井施工后获得的数据，进行三维非均质精细化地质建模，砂体和矿体建模精度进一步提升，控制网度达20～35 m×30～60 m(图2(e))。

6) 将步骤5)地质模型几何化后，以室内试验获得不同岩性的物性参数(主要是渗透系数、孔隙度等)，并对其进行赋值，而后针对采区开展全域渗流模拟与过滤器定量优化计算(图2(f))，获得采区各钻井的过滤器优化开启位置和长度等参数。采用的软件为GMS或COMSOL，若采用的地质建模与渗流场模拟软件之间没有商业化转换接口，可能存在接口开发问题。

7) 参照计算结果，对采区内的各盲井进行“二次成井”，建造内置过滤器，形成与矿体发育匹配的“溶浸窗口”(图2(g))，从而实现砂岩型铀矿资源最大化利用和高效开采目的(图2(h))。因此，地浸采铀“数字建井”技术是从地浸开发源头进行的“地浸采矿工程-工艺钻井及过滤器”优化技术。

图2 地浸采铀“数字建井”技术流程Fig.2 Technical process of “digital well construction” for in-situ leaching of uranium

2.3 “数字建井”的主要特点

地浸采铀“数字建井”技术理念和做法颠覆了传统地浸采铀成井模式[9-11]，改变了投产后“以人为手段”控制溶浸范围的不利现状，将浸出流场的控制优化由投产之后前移至成井之前，构建了与砂岩型铀矿体发育特征匹配的溶浸通道，主要从两个维度实现了地浸采铀工艺的突破。第一个维度是实现了地浸采铀全采区钻井过滤器布置定量优化。从单孔设计开始，通过“数字孪生”的模拟方式来优化全采区钻井过滤器开启的工程设计，让设计和现实矿层更加契合，实现钻井过滤器与铀矿体尽可能达到“适宜匹配”。第二个维度是采用三维可视化手段实现了溶浸流场的模拟、预测与可视化展示。通过三维地质建模和可视化真实模拟溶浸采矿渗流场，再结合矿体具体展布情况，运用“系统思维”和“全局观点”，打通了传统地浸采铀采区开拓设计中单孔数据和信息不易交互的“断点”。

3 “数字建井”在内蒙古某矿山的初步探索

3.1 探索与应用

以内蒙古某铀矿为示范案例，开展了“数字建井”技术初步探索和实践。该铀矿含矿层具有稳定的隔水顶底板，砂体以粗碎屑岩为主，泥质胶结，岩石结构疏松，渗透性好(2.9～13.4 m/d)，其中，研究区渗透系数为8.94 m/d，涌水量较大，地下水位埋深浅，具较强承压性；含矿含水层总厚度20～50 m，厚度适中；含矿层与非含矿层渗透系数比值接近于1；含矿层基本呈水平分布，倾角很小；矿体埋深80～120 m，矿体发育1～3层，厚度为3.6～14.0 m，研究区多为1层矿，厚度多为7～10 m，贴近底板发育；部分钻井可见20 m厚大矿段，品位较低(0.010%～0.015%)；含矿含水层与矿层厚度比值多数介于1.3～9.2之间，平均为7.29；研究区模拟块段共60余组抽注单元，五点型井型，抽注孔间距27 m。研究区的矿体发育及地浸开采条件相对简单，并不能最大限度体现“数字建井”二次成井优势，但刚好适合于验证模型计算和进行“数字建井”初步探索研究。

按照上述做法，以本文研究区为例，建立了一套精细化三维地质建模和基于渗流模拟的“二次成井”过滤器优化配置技术，取得了一些阶段性研究成果。

1) 开展了以“EVS三维地质建模(图1(c))+GMS渗流场模拟和过滤器不同设计方案优选(图3)”为主的技术路线研究，建立了以砂岩铀矿体有效浸出面积、有效浸出率、垂向有效对流比等为代表的评价方法。以某采区BC2401浸采单元1 000 d的模拟结果为例，在过滤器长度分别为4 m、6 m、8 m，过滤器位置为从矿层中心位置向上下延伸的设置方案下，过滤器长度为6 m达到效果较优(图3)：平面上和垂向上的有效浸出范围达90%以上，不在矿体内的对流范围(图3)相对较小，综合有效浸出率达到80%以上。

图3 某铀矿BC2401浸采单元的地浸采铀流场特征参数图Fig.3 Characteristic parameters of leaching streamline for BC2401 unit in a uranium mine

2) 探索了以“Leapfrog三维地质建模(图2(e))+COMSOL渗流模拟和过滤器不同设计方案对比(图2(f))”为辅的技术路线，建立了以浸出剂稀释率为主要衡量参数的优化判断准则，以浸出剂稀释最小为目标函数的过滤器配置寻优计算。

3.2 技术难点及存在的问题

1) 从物探测井数据到资料解译需要依靠测井人员手动解译，还没有一款合适的软件或接口程序能快速将解译资料按照三维地质建模所需的数据模板进行转换，这两个步骤均需要花费较大的工作量(图2(a))。

2) 基于三维非均质地质建模的矢量化井网优化研究，相关软件和算法正在完善中，尚不具备高速计算和采区整体优化功能(图2(c))，当前是在相对经济合理的规则井网下开展的计算和定性优化。

3) 从EVS三维地质模型到GMS渗流场模拟过程中的转换接口还存在不稳定之处，对于异常数据的甄别和处理还需进一步完善，使用GMS渗流场模拟整个采区流场变化时，还只能是针对几种预设过滤器配置方案的优化比选，尚不能实现主动寻优。

4 展 望

“数字建井”技术理念的提出，在地浸采铀领域引起了高度重视，深度挖掘铀矿床勘查阶段资料和数据的价值，充分利用地质建模和渗流模拟软件，在计算能力和算法不断提升时代背景下，实现地质信息与采矿工程的有效融合，将传统地浸采铀的“即时”成井和单井建造过滤器的模式，升级为目标明确、能多井统筹优化的“二次成井”过滤器建造模式，是一种从地浸开采源头实施、具备先天优势溶浸“窗口”建造的技术。

与常规地浸开采相比，“数字建井”技术的应用可大幅提高采区资源回收率，减少溶浸死角，缩短采区开采时限，降低无效浸出，节约化工原材料消耗，提高矿体开发经济性，尤其在复杂砂岩铀资源的地浸开发过程中，“数字建井”技术的优势将更加明显。因此，期望广大地浸科研工作者围绕地质数据的解译与转换、地浸采铀过程机理、大规模计算方法、采区浸采单元智能设计等工作继续深入开展研究，为我国地浸采铀高质量发展提供技术支撑。