CN116432546A - 一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法及系统，用于模拟在井‑储耦合条件下铀矿的溶浸。该模型能够考虑井筒中水流过程的模拟以及水平井与周边围岩水力联系的精细刻画，进而影响矿区内井周边流场的空间分布，构建了井‑储耦合模型来模拟水平井与周边围岩的水力联系，进而研究其溶浸的过程。本发明所提供的方法包括：考虑井筒中水流过程的模拟以及水平井与周边围岩水力联系，构建耦合井筒流、储层渗流过程的模型，开展井‑储耦合流场驱动下地浸采铀的数值模拟。本发明所提供的模拟技术可为矿区的井网布置提供科学合理的理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法及系统，属于地球科学与工程领域。
背景技术
北方砂岩型铀矿床可地浸含铀矿层渗透性普遍偏低，且空间非均质性特征明显，具备的典型“泥-砂岩”交互结构，即含矿砂体受泥岩隔水层控制，呈层状分布，产状与泥岩隔水层相近。水平井技术在石油、页岩气开采中获得的广泛而成功地应用，特别对于薄层油藏、天然裂隙油藏和低渗透油藏，水平井具有穿透油层长、泄油面积大、采集成本低、经济效益显著等优点。砂岩型铀矿多发育于大中型自流盆地河流相或三角洲相沉积的层间氧化带，铀矿层成与岩层走向近似的薄层状，在含矿含水层中分布相对集中，且含水层渗透性差，非均质性强，与油藏开采条件相似。因此水平井地浸井场井眼孔穿过铀层的长度长，大大增加了井流与含铀砂体的接触面积，可增大溶浸范围，提高溶浸效率。然而，水平井技术在铀矿地浸开采中尚无应用先例，因此有必要开展定向水平井/直井井网地浸渗流特性研究。
传统的直井抽注工艺在低渗透非均质介质中地浸流场呈现纺锤形、高水头差等渗流特征，容易导致溶浸剂在矿层之中分布不均，抽注井之间和岩性界面附近产生大规模的溶浸死角，需通过直井加密的方式来提高产能，已成为砂岩型铀矿开采的主要瓶颈。水平井技术在石油、页岩气开采中获得的广泛而成功地应用。水平井/直井井网运行体系下地浸渗流场精准模拟，提出科学的井网开采模式是井网优化调控和高效运行的基础。并且可以应用于地浸采铀规律的研究，为如何高效布置井网模式以提升地浸效果提供依据。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的缺乏，本发明的目的在于提供一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法及系统，该方法能够考虑井筒中水流过程的模拟以及水平井与周边围岩水力联系，构建耦合井筒流、储层渗流过程的模型，开展井-储耦合流场驱动下地浸采铀数值模拟。
技术方案：本发明提出一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法，该方法包括如下步骤：
步骤SS1：砂岩型铀矿储层的地质结构数据收集；
步骤SS2：根据步骤SS1收集的地质结构数据，对数据进行建模参数化处理，设置地层的岩性参数以建立地浸井场地质结构模型，并进行网格剖分；
步骤SS3：在步骤SS2中所建地质结构模型的基础上，确定模型的水头条件、渗透系数、边界条件，以计算模拟区域内的地下水位的空间分布，得到模型的初始地下水渗流场；
步骤SS4：在步骤SS3获得的模型初始地下水渗流场结果的基础上，设置基本参数，构建研究区地下水水平井/直井地浸抽注单元；
步骤SS5：在步骤SS4的水平井/直井地浸抽注单元的基础上，在水平井筒-储层界面处设置交互系数进行耦合，根据质量和能量守恒的基本方程、达西方程、井管内紊流方程建立井-储耦合模型；
步骤SS6：在步骤SS5建立的井-储耦合模型的基础上，通过在水平井设置溶浸液流入，并设置溶浸液的粘度、密度以及浓度，模拟在井-储耦合模型驱动下的溶质运移，进而完成铀矿浸出。
进一步的，步骤SS1中，所述数据包括矿区的水文地质条件，含水层和隔水层的空间分布、岩性、岩层厚度、地下水补径排条件、地下水位动态。
进一步的，步骤SS4中，设置基本参数包括水平井/直井包括水平井抽液量、直井注液量、井管直径、井管长度基本参数。
进一步的，步骤SS5中，所述井-储耦合模型构建如下：
采用渗流场方程、井管内紊流控制方程、质量和能量守恒方程计算模型中地下水流在多孔介质中的运动，水流在管道内的流量情况以及管道流和多孔介质之间的流量交换：
a.渗流场方程为：
其中：Kx，Ky，Kz为渗透主方向上沿X、Y、Z方向上的渗透系数；h为地下水水位的高度；W为源汇项；Ss为储水系数；t为时间；该方程用于表示地下水流在多孔介质中的运动；
b.井管内紊流控制方程为：
其中，V为圆管中地下水的平均流速；d为管道直径；g为重力加速度；ν为运动粘滞系数；J为管道的水力坡度；ka为圆管壁平均的粗糙高度；
c.质量守恒方程为：
其中：Qin为管道流量输入量；Qout表示管道流量输出量。
此外，本发明还提出一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟系统，该系统包括如下模块：
参数搜集模块，用于收集砂岩型铀矿储层的地质结构数据；
地质结构模型构建模块，用于根据收集的地质结构数据，对数据进行建模参数化处理，设置地层的岩性参数以建立地浸井场地质结构模型，并进行网格剖分；
地下水渗流场模块，用于在所建地质结构模型的基础上，确定模型的水头条件、渗透系数、边界条件，以计算模拟区域内的地下水位的空间分布，得到模型的初始地下水渗流场；
抽注单元构建模块，用于在获得的模型初始地下水渗流场结果的基础上，设置基本参数，构建研究区地下水水平井/直井地浸抽注单元；
耦合模型构建模块，用于在水平井/直井地浸抽注单元的基础上，在水平井筒-储层界面处设置交互系数进行耦合以建立井-储耦合模型；
铀矿浸出模块，用于在建立的井-储耦合模型的基础上，通过在水平井设置溶浸液流入，并设置溶浸液的粘度、密度以及浓度，模拟在井-储耦合模型驱动下的溶质运移，进而完成铀矿浸出。
进一步的，所述数据包括矿区的水文地质条件，含水层和隔水层的空间分布、岩性、岩层厚度、地下水补径排条件、地下水位动态。
进一步的，设置基本参数包括水平井/直井包括水平井抽液量、直井注液量、井管直径、井管长度基本参数。
进一步的，所述井-储耦合模型构建如下：
采用渗流场方程、井管内紊流控制方程、质量和能量守恒方程计算模型中地下水流在多孔介质中的运动，水流在管道内的流量情况以及管道流和多孔介质之间的流量交换：
a.渗流场方程为：
其中：Kx，Ky，Kz为渗透主方向上沿X、Y、Z方向上的渗透系数；h为地下水水位的高度；W为源汇项；Ss为储水系数；t为时间；该方程用于表示地下水流在多孔介质中的运动；
b.井管内紊流控制方程为：
其中，V为圆管中地下水的平均流速；d为管道直径；g为重力加速度；ν为运动粘滞系数；J为管道的水力坡度；ka为圆管壁平均的粗糙高度；
c.质量守恒方程为：
其中：Qin为管道流量输入量，包括各管道节点处输入的流量以及降雨补给量；Qout表示管道流量输出量，包括管道各节点处向管道外多孔介质网格中的流出的流量。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明中的井储耦合模型，水平井地浸井场井眼孔穿过铀层的长度长，大大增加了井流与含铀砂体的接触面积，可增大溶浸范围，提高溶浸效率。然而，水平井技术在铀矿地浸开采中尚无应用先例，因此有必要开展定向水平井/直井井网地浸渗流特性研究。可以用于研究溶浸规律，是水平井地浸采铀技术评估的关键指标，为井网优化调控和高效运行奠定基础。
附图说明
图1是水平井及直井井网在井-储耦合驱动下进行铀矿浸出的数值模拟方法流程图；
图2是井-储耦合驱动下探究铀矿溶浸规律的数值模拟基准模型概念图；
图3是在井-储耦合模型运行后区域内地下渗流场变化示意图；
图4是运用井-储耦合模型时，水平井与围岩交互量示意图；
图5是通过调整井网参数(井间距)来探究溶浸规律的效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法，该方法包括如下步骤：
步骤SS1：砂岩型铀矿储层的地质结构数据收集；
步骤SS2：根据步骤SS1收集的地质结构数据，对数据进行建模参数化处理，设置地层的岩性参数以建立地浸井场地质结构模型，并进行网格剖分；
步骤SS3：在步骤SS2中所建地质结构模型的基础上，确定模型的水头条件、渗透系数、边界条件，以计算模拟区域内的地下水位的空间分布，得到模型的初始地下水渗流场；
步骤SS4：在步骤SS3获得的模型初始地下水渗流场结果的基础上，设置基本参数，构建研究区地下水水平井/直井地浸抽注单元；
步骤SS5：在步骤SS4的水平井/直井地浸抽注单元的基础上，在水平井筒-储层界面处设置交互系数进行耦合，根据质量和能量守恒的基本方程、达西方程、井管内紊流方程建立井-储耦合模型；
步骤SS6：在步骤SS5建立的井-储耦合模型的基础上，通过在水平井设置溶浸液流入，并设置溶浸液的粘度、密度以及浓度，模拟在井-储耦合模型驱动下的溶质运移，进而完成铀矿浸出。
步骤SS1中，所述数据包括矿区的水文地质条件，含水层和隔水层的空间分布、岩性、岩层厚度、地下水补径排条件、地下水位动态。
步骤SS4中，设置基本参数包括水平井/直井包括水平井抽液量、直井注液量、井管直径、井管长度基本参数。
步骤SS5中，所述井-储耦合模型构建如下：
采用渗流场方程、井管内紊流控制方程、质量和能量守恒方程计算模型中地下水流在多孔介质中的运动，水流在管道内的流量情况以及管道流和多孔介质之间的流量交换：
a.渗流场方程为：
其中：Kx，Ky，Kz为渗透主方向上沿X、Y、Z方向上的渗透系数；h为地下水水位的高度；W为源汇项；Ss为储水系数；t为时间；该方程用于表示地下水流在多孔介质中的运动；
b.井管内紊流控制方程为：
其中，V为圆管中地下水的平均流速；d为管道直径；g为重力加速度；ν为运动粘滞系数；J为管道的水力坡度；ka为圆管壁平均的粗糙高度；
c.质量守恒方程为：
其中：Qin为管道流量输入量，包括各管道节点处输入的流量以及降雨补给量；Qout表示管道流量输出量，包括管道各节点处向管道外多孔介质网格中的流出的流量。
此外，本发明还提出一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟系统，该系统包括如下模块：
参数搜集模块，用于收集砂岩型铀矿储层的地质结构数据；
地质结构模型构建模块，用于根据收集的地质结构数据，对数据进行建模参数化处理，设置地层的岩性参数以建立地浸井场地质结构模型，并进行网格剖分；
地下水渗流场模块，用于在所建地质结构模型的基础上，确定模型的水头条件、渗透系数、边界条件，以计算模拟区域内的地下水位的空间分布，得到模型的初始地下水渗流场；
抽注单元构建模块，用于在获得的模型初始地下水渗流场结果的基础上，设置基本参数，构建研究区地下水水平井/直井地浸抽注单元；
耦合模型构建模块，用于在水平井/直井地浸抽注单元的基础上，在水平井筒-储层界面处设置交互系数进行耦合以建立井-储耦合模型；
铀矿浸出模块，用于在建立的井-储耦合模型的基础上，通过在水平井设置溶浸液流入，并设置溶浸液的粘度、密度以及浓度，模拟在井-储耦合模型驱动下的溶质运移，进而完成铀矿浸出。
所述数据包括矿区的水文地质条件，含水层和隔水层的空间分布、岩性、岩层厚度、地下水补径排条件、地下水位动态。
设置基本参数包括水平井/直井包括水平井抽液量、直井注液量、井管直径、井管长度基本参数。
所述井-储耦合模型构建如下：
采用渗流场方程、井管内紊流控制方程、质量和能量守恒方程计算模型中地下水流在多孔介质中的运动，水流在管道内的流量情况以及管道流和多孔介质之间的流量交换：
a.渗流场方程为：
其中：Kx，Ky，Kz为渗透主方向上沿X、Y、Z方向上的渗透系数；h为地下水水位的高度；W为源汇项；Ss为储水系数；t为时间；该方程用于表示地下水流在多孔介质中的运动；
b.井管内紊流控制方程为：
其中，V为圆管中地下水的平均流速；d为管道直径；g为重力加速度；ν为运动粘滞系数；J为管道的水力坡度；ka为圆管壁平均的粗糙高度；
c.质量守恒方程为：
其中：Qin为管道流量输入量，包括各管道节点处输入的流量，以及降雨补给量；Qout表示管道流量输出量，包括管道各节点处向管道外多孔介质网格中的流出的流量。
实施例1：本发明实施例以所建立基准模型为例。
1)概念模型
该算例模拟区域为矩形，长500m，宽400m，含水层厚度为90m。模型平面剖分40行*50列，共计2000个有效单元。模拟区域左右两侧网格均设置为定水头，定水头均设置为85m，上下边界均设置为隔水边界，整个模拟区不接受降雨补给，含水层初始水位设置为85m。整个含水层设置为各向同性含水介质，渗透系数设置为0.15m/day，含水层有效孔隙度设置为0.2，整个模拟的模拟时间设置为6000天。上述设置显示，模拟区域在无任何干扰(抽水或注水)情况下，含水层内地下水基本静止。
在此模型中部设置长220m的水平井，水平井直径设置为150mm，水平井在垂直方向上位于含水层中部，其左边设置为流量注入点，模拟地浸采铀中溶解液的注入，注入量设置为150m3/day。在水平井四周设置4口垂直抽水井，每口抽水井的流量设置为200m3/day，水平井和垂直井位置见图2。模型模拟第1天在水平井所在网格均匀投放粒子，开展粒子追踪模拟，获取水平井注入液的径流范围，模型运行6000天后，模拟区基本达到稳定状态。
表1发明实施例中概念模型主要物理参数
表2井-储耦合模型主要物理参数
2)确定控制方程
A)渗流场方程为：
其中：Kx，Ky，Kz为渗透主方向上沿X、Y、Z方向上的渗透系数；h为地下水水位高度；W为源汇项；Ss为储水系数；t为时间；该方程用于表示地下水流在多孔介质中的运动。
B)井管内紊流控制方程为：
其中，V为圆管中地下水的平均流速；d为管道直径；g为重力加速度；ν为运动粘滞系数；J为管道的水力坡度；ka为圆管壁平均的粗糙高度；
C)质量守恒方程为：
其中：Qin为管道流量输入量，包括各管道节点处输入的流量，以及降雨补给量；Qout表示管道流量输出量，包括管道各节点处向管道外多孔介质网格中的流出的流量。
3)井-储耦合模型数值模拟结果分析
图3为模拟6000天后模拟区的地下等水位线图，整个模拟区地下水等水位线基本对称，地下水位出现明显下降，四个垂直抽水井3地下水位最低，为66米。水平井所在位置从左向右，地下水位先逐渐降低再逐渐升高。
图4为水平井不同节点处水平井与周边网格的地下水交换量，模拟结果显示水平井沿程的注入量在中间达到最大，而在水平井两端最小，水平井沿程注入量的变化基本与沿程地下水水位的变化一致，即在中间区域地下水水位最低处，注入量最大。水平井中间区域与两端注入量最大相差2.3m3/day，表明在实际模拟过程中并不能将水平井的注入量沿程均匀分配，否则会引起较大的误差。
4)通过本发明可以有效地探究地浸效果的规律，进而更好地指导地浸采铀的现场工作。图5为通过调整井网参数—井间距，即通过设置不同的直井到水平井的垂直距离方案，来探究直井到水平井间距对溶浸范围的影响规律，进而更好地科学指导井网布置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤SS1：砂岩型铀矿储层的地质结构数据收集；
步骤SS2：根据步骤SS1收集的地质结构数据，对数据进行建模参数化处理，设置地层的岩性参数以建立地浸井场地质结构模型，并进行网格剖分；
步骤SS3：在步骤SS2中所建地质结构模型的基础上，确定模型的水头条件、渗透系数、边界条件，以计算模拟区域内的地下水位的空间分布，得到模型的初始地下水渗流场；
步骤SS4：在步骤SS3获得的模型初始地下水渗流场结果的基础上，设置基本参数，构建研究区地下水水平井/直井地浸抽注单元；
步骤SS5：在步骤SS4的水平井/直井地浸抽注单元的基础上，在水平井筒-储层界面处设置交互系数进行耦合以建立井-储耦合模型；
步骤SS6：在步骤SS5建立的井-储耦合模型的基础上，通过在水平井设置溶浸液流入，并设置溶浸液的粘度、密度以及浓度，模拟在井-储耦合模型驱动下的溶质运移，进而完成铀矿浸出。
2.根据权利要求1所述的一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法，其特征在于，步骤SS1中，所述数据包括矿区的水文地质条件，含水层和隔水层的空间分布、岩性、岩层厚度、地下水补径排条件、地下水位动态。
3.根据权利要求1所述的一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法，其特征在于，步骤SS4中，设置基本参数包括水平井抽液量、直井注液量、井管直径、井管长度。
4.根据权利要求1所述的一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟方法，其特征在于，步骤SS5中，所述井-储耦合模型构建如下：
采用渗流场方程、井管内紊流控制方程、质量和能量守恒方程计算模型中地下水流在多孔介质中的运动，水流在管道内的流量情况以及管道流和多孔介质之间的流量交换：
a.渗流场方程为：
其中：Kx，Ky，Kz为渗透主方向上沿X、Y、Z方向上的渗透系数；h为地下水水位的高度；W为源汇项；Ss为储水系数；t为时间；该方程用于表示地下水流在多孔介质中的运动；
b.井管内紊流控制方程为：
其中，V为圆管中地下水的平均流速；d为管道直径；g为重力加速度；ν为运动粘滞系数；J为管道的水力坡度；ka为圆管壁平均的粗糙高度；
c.质量守恒方程为：
其中，Qin为管道流量输入量，包括各管道节点处输入的流量以及降雨补给量；Qout表示管道流量输出量，包括管道各节点处向管道外多孔介质网格中的流出的流量。
5.一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟系统，其特征在于，该系统包括如下模块：
参数搜集模块，用于收集砂岩型铀矿储层的地质结构数据；
地质结构模型构建模块，用于根据收集的地质结构数据，对数据进行建模参数化处理，设置地层的岩性参数以建立地浸井场地质结构模型，并进行网格剖分；
地下水渗流场模块，用于在所建地质结构模型的基础上，确定模型的水头条件、渗透系数、边界条件，以计算模拟区域内的地下水位的空间分布，得到模型的初始地下水渗流场；
抽注单元构建模块，用于在获得的模型初始地下水渗流场结果的基础上，设置基本参数，构建研究区地下水水平井/直井地浸抽注单元；
耦合模型构建模块，用于在水平井/直井地浸抽注单元的基础上，在水平井筒-储层界面处设置交互系数进行耦合以建立井-储耦合模型；
铀矿浸出模块，用于在建立的井-储耦合模型的基础上，通过在水平井设置溶浸液流入，并设置溶浸液的粘度、密度以及浓度，模拟在井-储耦合模型驱动下的溶质运移，进而完成铀矿浸出。
6.根据权利要求5所述的一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟系统，其特征在于，所述数据包括矿区的水文地质条件，含水层和隔水层的空间分布、岩性、岩层厚度、地下水补径排条件、地下水位动态。
7.根据权利要求5所述的一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟系统，其特征在于，设置基本参数包括水平井/直井包括水平井抽液量、直井注液量、井管直径、井管长度基本参数。
8.根据权利要求5所述的一种水平井网地浸采铀井储耦合模拟系统，其特征在于，所述井-储耦合模型构建如下：
采用渗流场方程、井管内紊流控制方程、质量和能量守恒方程计算模型中地下水流在多孔介质中的运动，水流在管道内的流量情况以及管道流和多孔介质之间的流量交换：
a.渗流场方程为：
其中：Kx，Ky，Kz为渗透主方向上沿X、Y、Z方向上的渗透系数；h为地下水水位的高度；W为源汇项；Ss为储水系数；t为时间；该方程用于表示地下水流在多孔介质中的运动；
b.井管内紊流控制方程为：
其中，V为圆管中地下水的平均流速；d为管道直径；g为重力加速度；ν为运动粘滞系数；J为管道的水力坡度；ka为圆管壁平均的粗糙高度；
c.质量守恒方程为：
其中：Qin为管道流量输入量，包括各管道节点处输入的流量以及降雨补给量；Qout表示管道流量输出量，包括管道各节点处向管道外多孔介质网格中的流出的流量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117807681A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-04-02 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 数字孪生矿山建模方法及装置、介质、设备 |
| CN117828732A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-04-05 | 中国恩菲工程技术有限公司 | 基于数字孪生的边坡稳定性确定方法及系统、介质、终端 |
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| CN112539051A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-03-23 | 石家庄铁道大学 | 地浸采铀井网及地浸采铀施工方法 |
-
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