ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНОВЫХ РУД

АННОТАЦИЯ

В данной Кызылкумского региона. Целью работы являлось определение влияния гидродинамического баланса между закачными и откачными скважинами на эффективность процесса подземного выщелачивания урана. В рамках исследования была проанализирована работа 14 закачных и 6 откачных скважин в пределах нескольких опытных ячеек. Оценивались дебиты, приёмистость, а также соотношение объёмов закачки и отбора продуктивных растворов. Были использованы методы наблюдений, гидродинамического моделирования, натурных замеров и аналитических расчётов. Полученные данные подтвердили ключевую роль поддержания устойчивого баланса растворов для повышения коэффициента извлечения урана, а также минимизации риска загрязнения окружающей среды. Исследование подчёркивает необходимость постоянного контроля параметров циркуляции рабочих растворов при промышленной реализации технологии ПВ.

ABSTRACT

This article presents the results of field and analytical studies conducted at uranium deposits in the Kyzylkum region. The aim of the study was to determine the impact of hydrodynamic balance between injection and extraction wells on the efficiency of in-situ leaching (ISL) of uranium. The research was based on data from 14 injection and 6 extraction wells within several experimental cells. The injection and extraction flow rates, well productivity, and the ratio of solution volumes were analyzed. Methods included field observations, hydrodynamic modeling, on-site measurements, and analytical calculations. The findings confirmed the critical role of maintaining a stable solution balance in enhancing uranium recovery efficiency and minimizing environmental risks. The study emphasizes the importance of continuous monitoring of solution flow parameters during industrial implementation of the ISL technology.

Ключевые слова: подземное выщелачивание, уран, гидродинамический баланс, закачные скважины, откачные скважины, продуктивный раствор, эффективность добычи, дебит скважин, приёмистость, Кызылкум, коэффициент извлечения, гидродинамическое моделирование, кольматант, циркуляция растворов

Keywords: in-situ leaching, uranium, hydrodynamic balance, injection wells, extraction wells, productive solution, recovery efficiency, well discharge, injectivity, Kyzylkum, extraction coefficient, hydrodynamic modeling, colmatant, solution circulation

ВВЕДЕНИЕ

Подземное выщелачивание (ПВ) урана на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных методов добычи урановых руд благодаря своей экологической безопасности, экономической эффективности и возможности применения к труднообогатимым низкосортным залежам [5; 15; 16]. В условиях стремительного роста интереса к мирному атомному использованию и повышенного спроса на урановое сырьё, особенно в свете глобального энергетического перехода, технологии ПВ приобретают стратегическую значимость [3].

Одним из ключевых факторов, определяющих успех ПВ-процесса, является поддержание устойчивого гидродинамического баланса между закачкой и откачкой рабочих растворов [8; 9; 11]. Несоблюдение этого баланса может привести к ряду технологических и экологических проблем: снижению эффективности извлечения урана, кольматации фильтрационного пространства, выносу кислот за пределы продуктивного горизонта и, как следствие, загрязнению подземных вод [6]. Несмотря на то, что гидродинамический режим в ПВ считается важной составляющей, в практике промышленных объектов его мониторинг и регулирование нередко остаются на второстепенных ролях [10; 11; 13].

Урановые месторождения Кызылкумского региона, обладающие значительными запасами и высокой степенью освоения, представляют собой уникальную базу для проведения комплексных исследований влияния гидродинамических параметров на эффективность ПВ [7]. Геолого-гидродинамические условия этих месторождений, наличие разветвлённой системы скважин и многолетний опыт применения ПВ создают предпосылки для экспериментальной отработки режимов циркуляции растворов [2; 14; 17].

Настоящая работа посвящена исследованию взаимосвязи между гидродинамическим режимом скважин (в частности, соотношением объёмов закачиваемого и откачиваемого раствора) и технологической эффективностью ПВ-добычи урана. Основой послужили данные, собранные с 14 закачных и 6 откачных скважин, расположенных в пределах опытных ячеек на действующем урановом объекте.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводились на опытных ячейках месторождения Суграли-Блок 4, расположенного в Кызылкумском урановом районе, где внедрена технология подземного выщелачивания [4]. Объект представляет собой активную зону разработки с применением стандартной схемы закачки и откачки растворов. В рамках работы были задействованы 14 закачных и 6 откачных скважин, эксплуатируемых в разных гидродинамических режимах.

Для измерения производственных параметров использовались дебитомеры, пьезометры, расходомеры, а также программные средства для гидродинамического моделирования. Измерялись следующие показатели: объёмы закачиваемого и откачиваемого растворов, дебиты скважин, концентрация урана в продуктивных растворах, а также давление в пласте. Замеры проводились дважды в день в течение двух недель.

Дополнительно были проведены сравнительные расчёты на основе архивных данных за предыдущие периоды эксплуатации месторождения [1]. Расчётные и аналитические процедуры выполнялись с использованием табличного редактора Microsoft Excel и инженерных алгоритмов, применяемых на предприятии. Также была построена упрощённая модель потоков раствора для оценки устойчивости гидродинамического баланса в ячейке.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате наблюдений за эксплуатацией опытных ячеек на месторождении Суграли – Блок 4 было установлено, что гидродинамический баланс между закачными и откачными скважинами играет определяющую роль в обеспечении устойчивой работы системы подземного выщелачивания урана. Под гидродинамическим балансом в данном случае понимается соответствие объёмов закачиваемого и откачиваемого раствора за одинаковый временной интервал.

В ходе экспериментов общее количество раствора, подаваемого в пласт через 14 закачных скважин, составляло около 30 м³/ч, при этом совокупный дебит 6 откачных скважин варьировал от 25 до 28 м³/ч. Таким образом, наблюдался незначительный положительный дисбаланс (чуть больше закачки, чем отбора), что в целом можно считать допустимым. Однако даже при таком отклонении были зафиксированы различия в концентрации урана в продуктивных растворах.

Так, при более сбалансированном режиме (разница между закачкой и откачкой не превышала 5 %) содержание урана составляло в среднем 34–36 мг/л, тогда как при увеличении разрыва между объёмами (с превышением закачки на 15–20 %) оно снижалось до 28–30 мг/л. Это связано с разбавлением фронта выщелачивания и снижением реакционной активности раствора в зоне фильтрации.

Дополнительным эффектом несбалансированной циркуляции стало накопление кольматанта в откачных скважинах с пониженным дебитом, а также постепенное ухудшение приёмистости некоторых закачных скважин. Хотя цвет раствора визуально оставался практически неизменным, по химическим показателям отмечалось увеличение минерализации, повышение карбонатности, а также наличие ионов Cl⁻ и F⁻, что свидетельствует о химическом «переутомлении» раствора.

При анализе индивидуальных режимов на разных полигонах было выявлено, что поддержание гидродинамического баланса (равенство объёмов закачки и откачки) способствует стабильной концентрации урана, равномерной фильтрации раствора и снижению технических простоев оборудования.

Рисунок 1. Распределение дебитов закачных и откачных скважин. Визуализировано по типу скважин (закачные и откачные) с указанием фактических объёмов подачи и отбора раствора.

Рисунок 2. Влияние степени гидродинамического баланса на концентрацию урана в продуктивных растворах. Отмечена тенденция снижения концентрации при увеличении дисбаланса объёмов циркулирующих растворов

Диаграмма наглядно демонстрирует, что при сбалансированном режиме циркуляции растворов достигаются более высокие значения концентрации урана в откачиваемом растворе. Разница в 6 мг/л (35 против 29) подтверждает, что даже умеренные отклонения от баланса приводят к снижению эффективности процесса.

Таблица 1.

Дебиты закачных и откачных скважин на участке Суграли-Блок 4 при подземном выщелачивании урана

В приведенной выше таблице представлены дебиты (м³/ч) по 14 закачным и 6 откачным скважинам, задействованным в исследовании на участке Суграли-Блок 4. Как видно из данных, дебиты закачных скважин колебались в диапазоне от 1,7 до 2,3 м³/ч, что отражает их различную приёмистость в зависимости от геологической неоднородности. Дебиты откачных скважин составили от 4,2 до 5,4 м³/ч, обеспечивая совокупный отбор, близкий к общему объему закачки. Эти показатели легли в основу оценки текущего состояния гидродинамического баланса системы.

Таблица 2.

Сравнение средней концентрации урана в продуктивных растворах при различных режимах гидродинамического баланса

В таблице представлены сравнительные значения средней концентрации урана (в мг/л) в продуктивных растворах при сбалансированном и несбалансированном режимах циркуляции. При разнице объёмов закачки и откачки, не превышающей 5 % (сбалансированный режим), концентрация урана достигала 35 мг/л. При увеличении дисбаланса до 20 %, наблюдалось снижение концентрации до 29 мг/л. Это указывает на прямую зависимость между стабильностью режима и эффективностью извлечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведённого исследования подтвердили важность соблюдения гидродинамического баланса между закачными и откачными скважинами при подземном выщелачивании урана. Анализ фактических данных с опытного участка Суграли-Блок 4 показал, что даже незначительный дисбаланс по объёмам циркулирующих растворов может существенно снизить концентрацию урана в продуктивном растворе, а также повлиять на стабильность технологического процесса.

Сбалансированный режим циркуляции способствует повышению эффективности выщелачивания, улучшает фильтрационные характеристики пород и снижает риск кольматации. Напротив, при дисбалансе наблюдается снижение извлечения урана, рост минерализации и возможное загрязнение окружающей среды.

В связи с этим рекомендуется внедрение постоянного контроля объёмов закачки и отбора с использованием автоматизированных систем мониторинга, а также индивидуальное планирование гидродинамических режимов для каждой ячейки в зависимости от геолого-гидродинамических условий месторождения.

Список литературы:

1. Аликулов Ш.Ш., Ибрагимов Р.Р., Алимов М.У. Исследования повышения проницаемости пласта урана путем воздействия электрического тока при подземном выщелачивании // Universum: технические науки. – Москва, 2023. – Вып. 4(109). – С. 43-47.
2. Аликулов Ш.Ш., Ибрагимов Р.Р., Алимов М.У. Опыт применения технологии воздействия на песчано-глинистые пласты переменным током // Universum: технические науки. – Москва, 2023. – Вып. 4(109). – С. 39-42
3. Голик В.И., Разоренов Ю.И., Ляшенко В.И. Особенности конструирования систем подземного выщелачивания металлов // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. – 2018. – Т. 19. – № 1. – С. 80–91. DOI: https://doi.org/10.22363/2312-8143-2018-19-1
4. Кеслер А.Г., Носков М.Д., Истомин А.Д., Носкова С.Н. Комплексная физико-химическая модель сернокислотного выщелачивания урана из песчано-глинистых пород инфильтрационных месторождений // Вестник Российской академии естественных наук. – 2013. – № 7. – С. 41–47.
5. Юсупов Х.A., Алиев С.Б., Джакупов Д.A., Эльжанов Э.А. Применение бифторида аммония для химической обработки скважин при подземном выщелачивании урана // Горный журнал. – 2017. – № 4. – С. 57–60. DOI: https://doi.org/10.17580/gzh.2017.04.11
6. Alikulov Sh.Sh., Ilhom Halimov, Rabbimov X.T., Nurkhan Karimov. Research and development of measures to prevent mechanical colmation of the form during in-situ leaching of uranium // Gorniy vestnik Uzbekistana. – 2022. – No 2(89). – Рр. 33-40. DOI: http://dx.doi.org/10.54073/GV.2022.2.89.008
7. Alikulov Sh.Sh., Khamidov S.B., Karimov N.M. Experience in improving the technology of uranium processing from technological solutions of in-situ leaching // Proceedings of the IV International Conference on Advances in Science, Engineering, and Digital Education AIP Conference Proceedings. – 3268. 020031-1–020031-5; https://doi.org/10.1063/5.0259476
8. Collet A., Regnault O., Ozhogin A., Imantayeva A., Garnier L. Three-dimensional reactive transport simulation of Uranium in situ recovery: Large-scale well field applications in Shu Saryssu Bassin, Tortkuduk deposit (Kazakhstan) // Hydrometallurgy. – 2022. – Vol. 211. – Article 105873. DOI: https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105873
9. Halimov I., Khamidov S., Karimov N. Основы геотехнологии. – Navoi, 2022. – 246 p.
10. Kaixuan Tan, Chunguang Li, Jiang Liu, Huiqiong Qu. A novel method using a complex surfactant for in-situ leaching of low permeable sandstone uranium deposits // Hydrometallurgy. – 2014. – Vol. 150. – Pp. 99–106. DOI: https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2014.10.001
11. Khalimov I.U., Khamidov S.B., Karimov N.M. The behavior of uranium in the system: Ore clay – Barren clay – Ore sand // Proceedings of the IV International Conference on Advances in Science, Engineering, and Digital Education AIP Conference Proceedings. – Pp. 3268. https://doi.org/10.1063/5.0257105
12. Kurbanov M.A., Alikulov Sh.Sh., Ganiyeva D.S., Nurkhan Karimov. Researches in the field of technology of extraction concentration of rhenium from desorbates // Gorniy vestnik Uzbekistana. – 2020. – No 2(81). – Pр. 75–78.
13. Laurent G., Izart C., Lechenard B., Golfier F., Marion P., Collon P., Truche L., Royer J. J., Filippov L. Numerical modelling of column experiments to investigate in-situ bioleaching as an alternative mining technology // Hydrometallurgy. – 2019. – Vol. 188. – Pp. 272–290. DOI: https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.07.002
14. Panfilov M., Uralbekov B., Burkitbayev M. Reactive transport in the underground leaching of uranium: Asymptotic analytical solution for multi-reaction model // Hydrometallurgy. – 2016. – Vol. 160. – Pp. 60–72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2015.11.012
15. Petukhov O.F., Khalimov I.U., Istomin V.P., Karimov N.М. The effect of clay minerals on in-situ leaching of uranium // Mining Science and Technology (Russia). – 2023. – N 8(1). – P. 39–46. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-10-20
16. Rakishev B.R., Matayev M. M., Kenzhetayev Z. S., Shampikova A. H., Toktaruly B. Innovative methods for intensifying borehole production of uranium in ores with low filtration characteristics // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences. – 2020. – Vol. 6. – no. 444. – Pp. 213–219. DOI: https://doi.org/10.32014/2020.2518-170X.149
17. Sharafutdinov U.Z., Khalimov I.U., Khamidov S.B., Karimov N.M. Use of carbon adsorbents for rhenium sorption from uranium re-extracts // Tsvetnye Metally (Russia). – 2023. – № 12(972). – С. 51–56. DOI: https://doi.org/10.17580/tsm.2023.12.04