Реферат Встатье приведены обобщающие результаты теоретического и

УДК 622.775

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПОДЗЕМНОГО И СКВАЖИННОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИ УРАНА

Е.И. Рогов, А.Е. Рогов

ИГД им. Д.А. Кунаева

Бұл мақалада уранды жерастында ұңғылап сiлтiсiздеудiң теоретикалық зерттеулерiнiң жалпылама қорытындары және олардың тәжiрибелiк мағлұматтары келтiрiлген.

Реферат

В статье приведены обобщающие результаты теоретического исследования и приложения их к практике подземного скважинного выщелачивания урана.

I. Состояние проблемы

По данным МАГАТЭ (JAEA, 3 may 2001) на начало 2001 г. в мире действовало 438 ядерных энергетических блоков; 33 страны в мире имеют ядерные реакторы. На долю АЭС приходится около 20% вырабатываемой электрической энергии в мире, в которой топливная составляющая в себестоимости 1 кВт часа в 8 раз меньше по сравнению с лучшими показателями ТЭЦ.

Мировое потребление урана, 64,59 тыс.т – в 2000 году, для нужд энергетики неуклонно растет и по прогнозу Уранового института составит 70,6 тыс. т – в 2010 году и 73,74 тыс.т – в 2020 году. Основными потребителями урана являются: США (104 реактора) – 19 тыс. т или 30,26 % мирового потребления в 1998 году; Франция (58 реакторов) – 7,47 тыс. т или 11,9 %.

Подземное выщелачивание, возникшее как идея в 50-х годах в США, сегодня превратилось в признанный метод получения урана, конкурентоспособный по отношению к традиционному горно-химическому способу. По мнению Р.Х. Садыкова (1989) потенциальные мощности подземного выщелачивания в США оцениваются в 2250-4400 т U3O8 в год. Доля урана, полученного этим способом, в общей добыче в США возрастает в 1988 г. до 30 %, в 1992 г. до 56 %, а в 1994 г., несмотря на неблагоприятные условия уранового рынка, в США было добыто 3,4 млн. ф. U3O8, в том числе, методом подземного скважинного выщелачивания 2,38 млн. ф., т.е. 69 %.

В течение ряда лет ведущими странами в освоении и промышленной эксплуатации урановых руд способом подземного выщелачивания остаются США и страны СНГ, среди которых ведущая роль по объемам производства принадлежит Казахстану и Узбекистану.

По достоверно разведанным запасам урана Казахстан занимает одно из ведущих мест в мире, причем 75,3 % из них относятся к пластово-инфильтрационному типу, пригодному для отработки способом подземного скважинного выщелачивания (ПСВ). Начиная с 1998 года, практически весь уран, произведенный в Казахстане, был добыт методом ПСВ.

Перспективы Казахстана, как одного из основных депозитариев урана, в первую очередь связаны с отработкой пластово-инфильтрационных месторождений урана с применением способа ПСВ.

Исходя из изложенного, становится понятным значимость и актуальность в решении многочисленных научных и практических проблем, возникающих при подземном скважинном выщелачивании урана [1].

Тщательный анализ известных работ Мориса Маскета, Аренса В.Ж., Алтаева Ш.А., Бэра Я., Заславского Д., Ирмея С., Чарного И.А., Шестакова В.М., Грабовникова В.А., Бровина К.Г., Нестерова Ю.В., Толстова Е.А., Фазуллина М.И., Абдульманова И.Г., Язикова В.Г. и других авторов в области теории гидродинамических расчетов сети технологических скважин позволил сделать вывод. В последние годы получены значительные результаты в области математического описания плоского фильтрационного поля комплексным потенциалом F(z), который в области комплексного переменного z = x + iy записывается в виде[10]:

F(z) = ϕ(х, у) + iψ(х, y)

где ϕ(х, у) – действительная часть является функцией потенциала, например, в м вод. ст.;

ψ(х, y) – мнимая часть соответствует функции тока жидкости, например, в м3/час.

Однако до настоящего времени остаются не решенными многие задачи ламинарной фильтрации растворов в пористой среде.

После получения результатов по гидродинамическому моделированию плоского фильтрационного поля на базе функций тока в продуктивном пласте не решены задачи:

определения дебита закачных и откачных скважин при заданных напорах;

определения времени закисления и выщелачивания ячейки, блока или участка для извлечения урана до проектного коэффициента его извлечения;

вычисления показателей скин-эффекта и его учет при решении гидродинамических задач.

В этой связи нами предлагается иной подход в решении задач по гидродинамическим расчетам сети скважин в блоке, участке, который изложен в [5, 6, 7].

Анализ наиболее существенных и широко известных работ по теории кинетики процесса подземного скважинного выщелачивания урана и расхода реагентов Алтаева Ш.А., Голубева В.С., Кричевца Г.Н., Веригина Н.И., Веселова П.Н., Аренса В.Ж., Грабовникова В.А. и других позволяет сделать выводы [6-15].

Общее решение задачи кинетики урана при фильтрационно-диффузионном выщелачивании отличается достаточной строгостью, однако для практического использования они мало применимы по следующим причинам, которые трудно преодолеть. В процессе воздействия реагента (кислоты) на гетерогенную среду происходят сложнейшие реакции растворения, преобразования и диффузии не только урана, но и многих минералов продуктивного пласта. В этой связи две основополагающие величины Сн – концентрация насыщения урана в растворе и γ — константа скорости реакции выщелачивания урана трудно определимы в производственных условиях, а лабораторные их значения будут существенно другими.

Помимо этого, еще две скоростные характеристики vк – скорость движения фронта кислоты и vв – скорость движения фронта полного выщелачивания урана также в натурных условиях не поддаются прямому замеру.

В этой связи необходимы иные подходы в аналитико-экспериментальном методе аналитического описания содержания урана в продуктивном растворе в функции от времени. Решению этой задачи нами посвящены соответствующие работы [1-5].

В области оптимального расхода кислоты при выщелачивании урана в известной литературе мы не встречали каких-либо математических моделей, кроме зависимостей по расходу кислоты, приведенных в известных работах Грабовникова В.А., Бровина К.Г., Шумилина М.В., Язикова В.Г. В этой связи один из разделов [4] посвящен нами этому важному вопросу [5, 6].

II. Основные теоретические результаты в области геотехнологии урана в Казахстане

За истекшее пятилетие (1999-2003 гг.) на основании выполненных исследований коллективом ученых ИГД им. Д.А. Кунаева и производственников НАК »Казатомпром» осуществлено решение ряда проблем со следующими результатами [4, 5].

Разработана геотехнологическая типизация пластово-инфильтрационных месторождений урана, отображающая все известное их разнообразие и позволяющая выделять определенные участки для эксплуатации с максимальной степенью адаптации технологических систем к условиям их применения.

Установлена аналитическая зависимость для вычисления средней характерной скорости фильтрации раствора в плоскорадиальном потоке в породах продуктивного пласта, позволяющая определять основные геотехнологические параметры ТС ПСВ.

Установлена аналитическая зависимость для определения показателя скин-эффекта в прифильтровой области технологических скважин, позволяющая управлять дебитом откачных и закачных скважин путем достижения оптимального соотношения коэффициентов фильтрации прифильтровой области и массива, а также радиуса их обработки к радиусу скважин.

Доказано все разнообразие схем вскрытия пластово-инфильтрационных месторождений сводится к ячеистым с определенным радиусом фильтрации и питания в пределах элементарной ячейки.

Разработаны и реализованы математические модели по трем критериям оптимальности: J1 – суммарные затраты, J2 – время эксплуатации, J3 – относительный проигрыш по J1 и J2 для оптимизации схем и параметров вскрытия продуктивных горизонтов; получены конечные аналитические зависимости для вычисления радиуса ячейки.

Установлена высокая устойчивость оптимальных значений радиуса элементарной ячейки, обеспечивающая при вариации влияющих параметров на 20, 30, 50 и 100 % изменение оптимального значения радиуса ячейки всего на 4,6; 6,7; 10 и 19 процентов соответственно.

Наиболее существенными природными факторами, влияющими на оптимальный радиус ячейки, является коэффициент фильтрации продуктивного горизонта, его эффективная мощность, глубина, коэффициент β, а из технологических – напор на закачных скважинах.

Разработаны методические положения и компьютерные системы для необходимых расчетов по типизации месторождений и их участков, а также определения оптимальных схем вскрытия участков месторождений.

Для полного гидродинамического расчета взаимодействия технологических скважин любого блока или участка месторождения обоснована сетевая модель на графе, дуги которого отображают гидродинамические сопротивления, а вершины источники потенциалов напора.

Доказано существование объективного принципа близкодействия откачных и закачных скважин, на базе которого из системы линейных уравнений получены конечные аналитические зависимости для определения дебитов откачных и закачных скважин в функции от природных и технологических факторов.

Установлено, что абсолютная величина компрессии на закачных скважинах и депрессии на откачных имеют оптимальные по критерию прибыль значения величина, которых определяется по полученной аналитической зависимости.

Аналитическим путем выведены расчетные формулы для определения времени закисления и выщелачивания блоков для любого проектного значения коэффициента извлечения урана и для любых схем вскрытия продуктивных пластов.

Экспериментально-аналитическим путем получены экспоненциальные по времени и параметру Ж:Т функции, позволяющие прогнозировать содержание урана в продуктивном растворе в любой момент времени отработки блоков.

Экспериментально-аналитическим методом получены расчетные зависимости для определения удельного расхода кислоты на один килограмм добытого урана, на одну тонну проработанной горнорудной массы и на один литр выщелачивающего раствора, позволяющие оптимизировать расход кислоты.

Установлены аналитические зависимости для определения основополагающего геотехнологического параметра β, учитывающего природно-технологические факторы и структуру рудных тел.

Обоснован аналитический метод расчетов фактически закисленных объемов горнорудной массы, площадей блоков и способ их сравнения с их геометрическими параметрами.

Разработаны и утверждены в установленном порядке методические положения и компьютерные системы для расчетов основных геотехнолических параметров при подземном скважинном выщелачивании урана.

III. Проектирование ПСВ урана

До настоящего времени выбор геотехнологических параметров при проектировании и отработке блоков пластово-инфильтрационных месторождений урана осуществляется, как правило, по опыту и не в полном объеме. Выбор параметров не формализован в соответствии с какими-либо нормативными документами. При отработке блоков контроль за геотехнологическими параметрами не систематизирован по их числу и во времени, отсутствуют системные регламентирующие документы для регистрации и управления геотехнологическими параметрами на современной научной базе. В этой связи по результатам проведенных исследований разработан типовой технологический регламент для автоматизированного проектирования и контроля геотехнологических параметров ПСВ урана на рудниках ПВ НАК »Казатомпром».

Регламент предназначается для оптимизации по критерию прибыль при проектировании параметров и характеристик технологических систем ПСВ урана, включающих:

параметры схем вскрытия;

приемистость закачных и дебиты откачных скважин для любых схем их расположения;

параметры сооружения прифильтровой области скважин с целью повышения дебитов технологических скважин;

напоры на закачных и откачных скважинах;

время закисления и выщелачивания блока;

содержание урана в продуктивном растворе в функции от времени выщелачивания и параметра f(Ж:Т); расчеты расхода кислоты в функции от времени;

коэффициент извлечения урана в функции от времени и параметра f(Ж:Т);

среднюю концентрацию продуктивного раствора по блоку;

себестоимость добываемого урана и прибыль от добытого урана по руднику.

Перечисленные параметры в автоматизированном режиме рассчитываются при проектировании блоков и являются основными для контроля и адаптивного управления процессом ПСВ урана в любых блоках.

Регламент является основным руководящим и регламентирующим документом для ИТР рудников, позволяющим системно и в адаптивном режиме управлять процессами ПСВ урана.

Для расчета при проектировании 26 геотехнологических параметров по каждому отрабатываемому блоку предназначена созданная компьютерная автоматизированная система, состоящая из 11 блоков.

Автоматизированная система базируется на фундаментальных результатах исследований и расчетных формулах, полученных нами [5, 6, 7].

1. Приемистость закачных скважин:

м3/сут,(1)

2. Дебиты откачных скважин:

м3/сут.(2)

3. Показатель скин-эффекта:

(3)

4. Время закисления блока (ячейки):

а) гексагональная схема:

сут.,(4)

б) рядная схема:

сут.(5)

5. Коэффициент β:

(6)

6. Время выщелачивания блока (ячейки)

а) гексагональная схема:

сут.,(7)

б) рядная схема:

сут.,(8)

в) любая схема:

сут.(9)

Структура системы с полным программным и информационным обеспечением

1ТИПИЗАЦИЯ ПЛАСТОВО-ИНФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕСТО-

РОЖДЕНИЙ УРАНА, ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ И БЛОКОВ

2ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ТЕХНО-

ЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН В БЛОКАХ

3РАСЧЕТЫ ДЕБИТОВ (ПРИЕМИСТОСТИ) ЗАКАЧНЫХ И ОТ-

КАЧНЫХ СКВАЖИН И ПОКАЗАТЕЛЕЙ СКИН-ЭФФЕКТА

4РАСЧЕТЫ ВРЕМЕНИ ЗАКИСЛЕНИЯ И ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ

БЛОКОВ

5РАСЧЕТЫ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА КИСЛОТЫ В ФУНКЦИИ

ОТ ВРЕМЕНИ В ВР

6РАСЧЕТЫ СОДЕРЖАНИЯ УРАНА В ПРОДУКТИВНЫХ РАСТ-

ВОРАХ В ФУНКЦИИ ОТ ВРЕМЕНИ И ПАРАМЕТРА Ж:Т

7РАСЧЕТЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА В

ФУНКЦИИ ОТ ВРЕМЕНИ И ПАРАМЕТРА Ж:Т

8РАСЧЕТЫ ИЗВЛЕКАЕМОГО И ОСТАВШЕГОСЯ УРАНА В

БЛОКЕ НА ЛЮБОЙ МОМЕНТ ВРЕМЕНИ

9РАСЧЕТЫ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТ-

ВОРОВ ЗА ЛЮБОЙ ПЕРИОД ВРЕМЕНИ

10РАСЧЕТЫ СЕБЕСТОИМОСТИ ПОЛУЧАЕМОГО МЕТАЛЛА,

ВКЛЮЧАЯ СОРБЦИОННЫЕ КОЛОННЫ

11РАСЧЕТЫ ПРИБЫЛИ ПО БЛОКАМ, УЧАСТКАМ, РУДНИКАМ

ПВ УРАНА

7. Содержание урана в продуктивном растворе.

Максимальное значение содержания урана в продуктивном растворе:

а) гексагональная схема:

мг/л, (10)

б) любая другая схема:

, мг/л.(11)

8. Среднее за период выщелачивания содержание урана в ПР:

мг/л.(12)

9. Параметры:

(13)

(14)

В расчетных формулах (1)÷(14) приняты следующие условные обозначения и символы:

KΦ, м/сут — коэффициент фильтрации рудовмещающего пласта, продуктивного горизонта в пределах месторождения, ЭУ, блока, элементарной ячейки;

п — отношение числа закачных скважин к числу откачных на ЭУ, блоке, в ячейке.;

Sн, м вод. ст. — компрессия (напор) на закачных скважинах;

So, м вод. ст. -депрессия на откачной скважине;

Rс, м — радиус технологической скважины;

Kп- среднее значение коэффициента эффективной пористости продуктивного горизонта;

Nос- число откачных скважин, одновременно находящихся в работе;

Nзс- число закачных скважин, одновременно находящихся в работе;

f, т/т — отношение жидкого к твердому по массе;

β — отношение средней скорости выщелачивания урана к средней скорости фильтрации раствора;

Мэ, м — эффективная мощность продуктивного горизонта;

т, кг/м2 — средняя продуктивность рудного тела (пласта) в пределах ячейки;

, м/сут. – приведенный коэффициент фильтрации;

— отношение радиуса прифильтровой зоны к радиусу скважины;

С1 – параметр, определяющий кинетику процесса выщелачивания урана в ячейке;

— параметр, определяющий скорость изменения концентрации урана в растворе;

α — параметр, определяющий геометрию ячейки;

ρп, т/м3 — плотность пород продуктивного пласта;

Qoc, м3/сут — дебит откачной скважины;

Qзc, м3/сут — дебит закачной скважины;

Qзc.ф, м3/сут. – фактический дебит;

Тэ, сут — срок эксплуатации блока, участка;

Тз, сут.- время закисления ячейки радиусом Rо;

Rо, м — оптимальный радиус ячейки;

а, м — расстояние между скважинами в ряду;

b, м — расстояние между рядами скважин;

ξ — параметр для прямоугольника при 1< ξ ≤ 2; ξ = b/а;

Спр(t), мг/л- концентрация урана в ПР в функции от времени;

, мг/л — максимальная концентрация урана в ПР;

Sк — показатель скин-эффекта.

Теоретические расчетные формулы были широко апробированы по результатам расчетов и сравнения фактических значений основных геотехнологических параметров по ОПВ-2 месторождения Акдала.

Целью сравнения теоретических (расчетных) и фактических значений основных геотехнологических параметров ТС ПСВ урана является:

проверка достоверности математических моделей и расчетных формул;

установление уровня сходимости теоретических и фактических показателей.

Для сравнения были приняты 5 отработанных ранее блоков месторождения Северный Карамурун, опытные участки по месторождениям Акдала, Ирколь, Инкай и Южный Моинкум.

Сравним расчетные дебиты с фактическими и сведем их в таблицу 1.

Таблица 1

Q расчетн., м3/сут.

Q фактичес., м3/сут.

δ, %

I

200

216

+7

II

186,7

192

+3

Для расчета содержания урана в продуктивном растворе воспользуемся данными, приведенными для ОПВ-2 месторождения Акдала в расчете времени закисления и нашей формулой с учетом схемы расположения скважин и площади элементарной ячейки:

мг/л,

где α — параметр площади для различных типов ячеек, для рядной схемы α = 1,59;

С1 – кинетический параметр выщелачивания урана, определяемый статистическим путем, приводится ниже, С1 = 0,58.

Представим в виде таблицы 2 полученные данные расчетным путем и фактические путем замеров на ОПВ-2 в период его работы с 25.07.2001 г. по 31.10.2001 г. (первые три месяца).

Таблица 2

расчетн., мг/л

фактич., мг/л

δ, %

1

2

3

4

I участ.

1

2

3

4

5

6

468

585

940

585

585

819

450

510

1100

510

540



Страницы: 1 | 2 | Весь текст