КОЛЬМАТАЦИЯ ПРИФИЛЬТРОВОЙ ЗОНЫ ПРИ ПВ УРАНА И АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

УДК 622.765:553.495

АННОТАЦИЯ

Снижение дебита технологических скважин при подземном выщелачивании урана является одной из ключевых причин уменьшения эффективности добычи и роста эксплуатационных затрат. Основным фактором ухудшения работы скважин выступает кольматация фильтра и прифильтровой зоны, возникающая в результате совместного действия механических, геохимических и биогенных процессов. В работе рассмотрены основные механизмы формирования кольматанта в системе «пласт – раствор – скважина» и выполнен анализ факторов, влияющих на деградацию фильтрационных свойств продуктивного горизонта. Установлено, что существенную роль в снижении проницаемости играют процессы осадкообразования, связанные с выпадением карбонатов, гидроксидов железа, сульфидов и гипса, а также накопление мелкодисперсных частиц в поровом пространстве. Дополнительное влияние оказывают микробиологические процессы и аэрация технологических растворов, способствующие интенсификации кольматации. Показано, что ухудшение гидродинамических характеристик сопровождается снижением коэффициента фильтрации и производительности скважин. Предложен практико-ориентированный подход к диагностике механизмов кольматации, основанный на анализе гидродинамических, химических и эксплуатационных параметров. Обоснована необходимость комплексного выбора методов восстановления производительности скважин с учетом преобладающего механизма кольматации и геотехнологических условий месторождения.

ABSTRACT

Reduced productivity of technological wells in uranium in-situ leaching (ISL) is one of the major factors limiting mining efficiency and increasing operational costs. The primary cause of productivity decline is clogging of the filter and near-filter zone caused by the combined influence of mechanical, geochemical, and biogenic processes. This study investigates the main mechanisms responsible for clogging formation within the “formation–solution–well” system and analyzes the factors affecting the degradation of filtration properties in the productive horizon. It was established that permeability reduction is mainly associated with precipitation processes involving carbonates, iron hydroxides, sulfides, and gypsum, as well as the accumulation of fine suspended particles in the pore space. Additional negative effects are caused by microbial activity and aeration of process solutions, which intensify clogging processes. The deterioration of hydrodynamic parameters is accompanied by a decrease in filtration coefficient and well injectivity. A practice-oriented approach for diagnosing clogging mechanisms is proposed based on the analysis of hydrodynamic, chemical, and operational parameters. The study substantiates the necessity of selecting integrated well stimulation and restoration methods according to the dominant clogging mechanism and the geotechnological conditions of uranium deposits.

Ключевые слова: подземное выщелачивание урана (ПВ), технологические скважины, фильтр, прифильтровая зона, кольматация, карбонатные отложения, гидроксид железа, сульфид железа, гипс, pH–Eh условия, импульсные методы воздействия, ультразвуковое воздействие, гидродинамический излучатель, восстановление дебита.

Keywords: uranium in-situ leaching (ISL), technological wells, well filter, near-filter zone, clogging, carbonate deposits, iron hydroxides, iron sulfides, gypsum, pH–Eh conditions, impulse stimulation methods, ultrasonic treatment, hydrodynamic emitter, productivity restoration.

Введение

Подземное выщелачивание урана основано на фильтрации выщелачивающего раствора через продуктивный пласт с последующим извлечением продукционных растворов на поверхность. Эффективность процесса в значительной степени определяется состоянием гидродинамической связи в системе «скважина – пласт», обеспечивающей устойчивость фильтрационных потоков и заданные технологические показатели.

В процессе эксплуатации скважин наблюдается рост гидравлического сопротивления притоку раствора, сопровождающийся снижением проницаемости в зоне фильтра и прифильтровом пространстве. Ключевым фактором, обусловливающим данное явление, выступает развитие процессов кольматации, приводящих к частичному или полному перекрытию порового пространства и фильтрационных каналов.

Формирование кольматанта носит комплексный характер и определяется совмещённым воздействием механических, геохимических и структурных факторов. Механическое засорение связано с миграцией тонкодисперсных частиц и глинистых фракций, вызывающих закупоривание пор и трещин. Геохимические процессы проявляются в осаждении вторичных минеральных фаз, включая карбонатные, железистые и сульфатные соединения, формирование которых обусловлено параметрами среды (pH–Eh) и режимами эксплуатации скважин. Дополнительную роль играет изменение структурно-прочностного состояния слабосцементированных коллекторов, приводящее к снижению их фильтрационно-ёмкостных характеристик.

Анализ эксплуатационных данных показывает, что процессы кольматации являются одним из основных факторов деградации дебита технологических скважин при ПВ урана, что подтверждается результатами современных исследований [21–24]. В этих условиях обеспечение устойчивой работы скважин требует комплексного подхода, включающего диагностику механизмов кольматации, мониторинг состояния прифильтровой зоны и применение целевых методов восстановления проницаемости.

Основные механизмы формирования кольматации, включая механическое засорение, осадкообразование и биогенные процессы, представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Схема формирования кольматации в системе «пласт–скважина»

Развитие кольматационных процессов приводит к росту гидродинамического сопротивления притоку раствора, снижению дебита технологических скважин и усложнению управления фронтом выщелачивания. Нарушение равномерности фильтрационного потока способствует локализации активных зон и снижению степени извлечения урана.

Деградация фильтрационных свойств во времени носит прогрессирующий характер и в первом приближении может быть описана экспоненциальной зависимостью уменьшения проницаемости:

                                                        (1)

где k(t) – текущая проницаемость, k₀ – начальное значение, β – коэффициент интенсивности кольматации. Расчётные зависимости изменения относительной проницаемости при различных значениях β приведены на рис. 2.

Рисунок 2. Расчётное снижение относительной проницаемости во при различных уровнях кольматации прифильтровой зоны

Традиционные методы восстановления проницаемости (кислотные обработки, применение ПАВ-систем, регулирование гидродинамических режимов и механические воздействия) сохраняют практическую значимость, однако их эффективность определяется геолого-технологическими условиями и часто ограничивается риском вторичной кольматации и неравномерного охвата прифильтровой зоны.

В этой связи возрастает интерес к физическим методам воздействия, в частности к акустической стимуляции, обеспечивающей интенсификацию фильтрационных процессов без существенного изменения химического состава среды. Низкочастотные колебания характеризуются увеличенным радиусом влияния вследствие меньшего затухания в пористой среде, тогда как ультразвуковое воздействие реализует локальные эффекты – кавитацию, микроперемешивание и разрушение слабосвязанных отложений. Импульсные (ударно-волновые) режимы обеспечивают кратковременное высокоамплитудное воздействие, способствующее раскрытию закупоренных каналов и формированию дополнительных путей фильтрации [7–14,18–20].

Методы и материалы исследования

Акустическая стимуляция основана на распространении упругих возмущений в флюидонасыщенных пористых средах, где взаимодействие твёрдого скелета и порового флюида определяет характер волновых процессов. В рамках пороупругой теории Биота динамика системы «скелет – флюид» описывается связанными уравнениями движения с учётом фильтрации и инерционных эффектов [1,2].

Такое представление приводит к формированию нескольких типов волн, включая две продольные – быструю (P1) и медленную (P2), а также поперечную. Распространение волн сопровождается частотно-зависимым затуханием, обусловленным вязкостью флюида, проницаемостью среды и геометрией порового пространства.

В водонасыщенных урановых пластах формируются две продольные волны, различающиеся механизмом переноса энергии. Быстрая волна (P1) распространяется преимущественно в каркасе пористой среды и характеризуется сравнительно меньшим затуханием. Медленная волна (P2), связанная с относительным движением флюида и скелета, обладает существенно более высокими диссипативными потерями и выраженными фазовыми сдвигами.

Затухание амплитуды упругих колебаний с расстоянием от источника может быть в первом приближении описано экспоненциальной зависимостью:

,                                                       (2)

где A₀ – амплитуда у источника, α – коэффициент затухания. Как следует из расчётных зависимостей (рис. 3), медленная волна (P2) затухает значительно быстрее, однако обеспечивает более интенсивное локальное воздействие в прифильтровой зоне.

Рисунок 3. Затухание и фазовый сдвиг быстрой (P1) и медленной (P2) продольных волн в насыщенном пласте в зависимости от радиального расстояния от скважины

С позиций инженерного анализа эффективности акустического воздействия определяющее значение имеют частотно-зависимые характеристики фильтрации, прежде всего динамическая проницаемость и тортуозность, контролирующие передачу энергии в поровом пространстве. Существенную роль играют механизмы волно-индуцированного перетока флюида, включая межпоровые взаимодействия и эффекты типа squirt-flow, определяющие локальные перераспределения давления и скорости фильтрации [5,6].

При увеличении амплитуды акустического воздействия проявляются нелинейные эффекты, включая контактную нелинейность на границах зёрен, мобилизацию тонкодисперсных частиц, а также кавитационные явления и формирование микроструйных потоков, характерные для ультразвукового диапазона [9–14,15–17]. Их совокупное действие определяет эффективность разрушения кольматанта и изменение фильтрационных свойств прифильтровой зоны.

Для количественного описания распространения упругих возмущений используется пороупругая модель Биота, учитывающая связанное движение твёрдого каркаса и порового флюида. В общем виде система уравнений записывается как:

,                                           (1)

,                                     (2)

где u – вектор смещений твёрдого скелета, м; w – относительное перемещение флюида, м; ρ, ρ_f – плотности фаз, кг/м³; σ – тензор напряжений, Н/м² (Па); η –вязкость флюида, Па·с; k – проницаемости, м²; m – инерционный коэффициент, характеризующий взаимодействие фаз в поровом пространстве; f – вектор внешних сил.

Данная модель позволяет описывать формирование и распространение продольных волн типов P1 и P2, а также учитывать влияние фильтрационных и вязкостных параметров на затухание акустических возмущений.

Методы акустической стимуляции различаются по диапазону рабочих частот, типу источника (непрерывный, модулированный, импульсный) и каналу передачи энергии (механический, гидроакустический, пневмоакустический). Существенным параметром является радиус влияния, определяемый частотой сигнала и физическими свойствами пласта.

В зависимости от указанных факторов реализуются различные механизмы воздействия на прифильтровую зону: фильтрационная активация, разрушение кольматанта и перераспределение порового пространства. Сравнительная характеристика основных классов акустических методов по параметрам «частота – радиус влияния – механизм воздействия» приведена в табл. 1.

Зависимость радиуса эффективного воздействия акустических колебаний от частоты возбуждения представлена на рис. 4. Полученные результаты демонстрируют устойчивую тенденцию к снижению радиуса распространения упругих возмущений с увеличением частоты, что обусловлено усилением вязкодиссипативных потерь энергии в пористой среде.

Рисунок 4. Зависимость радиуса эффективного воздействия Reff от частоты акустического воздействия для пород с различной проницаемостью

Характер зависимости определяется фильтрационно-ёмкостными свойствами пород. В высокопроницаемых песчаниках акустические волны распространяются на большие расстояния, обеспечивая максимальный радиус воздействия. В малопроницаемых и глинистых породах затухание носит более интенсивный характер вследствие повышенной тортуозности и гидродинамического сопротивления, что ограничивает зону эффективного влияния.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика методов акустической стимуляции

Анализ представленных данных показывает, что наибольшая эффективность достигается при комбинировании различных режимов воздействия с учётом проницаемости пласта и характера кольматации.

Сравнительный анализ методов акустической стимуляции по радиусу эффективного воздействия представлен на рис. 5. Установлено, что с увеличением частоты радиус влияния снижается вследствие усиления вязкодиссипативных потерь.

Ультразвуковое воздействие носит локальный характер и ограничено прифильтровой зоной. Низкочастотные колебания обеспечивают более глубокое проникновение в пласт. Наибольший радиус воздействия достигается при импульсных методах за счёт формирования кратковременных высокоамплитудных нагрузок.

Выбор метода определяется требуемой глубиной воздействия и степенью кольматации.

Таким образом, выбор частотного диапазона акустического воздействия должен осуществляться с учётом требуемой глубины проникновения: низкие частоты обеспечивают увеличение радиуса влияния, тогда как высокочастотные режимы реализуют преимущественно локальное воздействие в прифильтровой зоне.

Рисунок 5. Сравнение методов акустической стимуляции по радиусу эффективного воздействия

Результаты и обсуждение.

Лабораторные исследования показывают, что ультразвуковое воздействие способствует увеличению проницаемости за счёт разрушения отложений, диспергирования коллоидных частиц и снижения межфазных сил. Эффект носит локальный характер и проявляется преимущественно в прифильтровой зоне [9–14].

Низкочастотные воздействия реализуют механизмы волно-индуцированного перетока и мобилизации частиц, обеспечивая увеличение проницаемости и интенсификацию фильтрации. Эффективность определяется параметрами возбуждения и степенью кольматации [8,18,19].

Полевые данные свидетельствуют о возможности применения акустических методов для очистки призабойной зоны, снижения фильтрационного сопротивления и восстановления дебита скважин. При этом эффективность достигается при корректном выборе режима воздействия и контроле состояния скважинной конструкции [9,11,14].

Для условий подземного выщелачивания урана ключевыми факторами являются минералого-геохимические условия, управляемость гидродинамического режима и соотношение радиуса воздействия с межскважинным расстоянием. В этих условиях акустическая стимуляция может использоваться как для интенсификации массопереноса, так и для декольматации прифильтровой зоны.

Наиболее универсальными являются низкочастотные режимы, обеспечивающие сочетание глубины воздействия и восстановления проницаемости. Ультразвуковые методы эффективны для локальной очистки фильтра, тогда как импульсные воздействия обеспечивают кратковременное раскрытие фильтрационных каналов.

Применение акустических методов ограничивается риском вторичной кольматации, повреждения элементов скважины и изменением геохимических условий. В связи с этим требуется контроль параметров воздействия и организация мониторинга эксплуатационных показателей.

Выводы

На основании анализа лабораторных и полевых исследований установлено, что акустическая стимуляция является эффективным физическим методом восстановления и поддержания фильтрационно-ёмкостных свойств урансодержащих песчаников при подземном выщелачивании. Реализация эффекта обусловлена совокупным действием механических и гидродинамических процессов, включая разрушение отложений, мобилизацию тонкодисперсных частиц и снижение фильтрационного сопротивления в прифильтровой зоне.

Основные результаты исследования:

– показано, что эффективность акустического воздействия определяется не только приростом дебита, но и устойчивостью полученного эффекта во времени;

– установлено, что ультразвуковые методы наиболее эффективны для локальной декольматации фильтра и призабойной зоны;

– обосновано применение низкочастотных колебаний для увеличения радиуса влияния и стабилизации гидродинамического режима;

– выявлено, что импульсные воздействия обеспечивают максимальный эффект в закольматированных интервалах, однако требуют строгого контроля параметров;

– подтверждена целесообразность комбинирования акустических методов с гидрохимическими обработками в рамках малореагентных технологий.

Показано, что применение акустической стимуляции в условиях слабосцементированных песчаников должно сопровождаться контролем механических и геохимических рисков, а также валидацией режимов на лабораторном и пилотном уровнях. В целом акустическая стимуляция может рассматриваться как эффективный элемент комплексной стратегии поддержания проницаемости при подземном выщелачивании при условии корректной диагностики причин кольматации и обоснованного выбора параметров воздействия.

Список литературы:

1. Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid‑saturated porous solid. I. Low‑frequency range. Journal of the Acoustical Society of America. 1956;28(2):168–178. doi:10.1121/1.1908239.
2. Biot M.A. Theory of propagation of elastic waves in a fluid‑saturated porous solid. II. Higher frequency range. Journal of the Acoustical Society of America. 1956;28(2):179–191. doi:10.1121/1.1908241.
3. Johnson D.L., Koplik J., Dashen R. Theory of dynamic permeability and tortuosity in fluid‑saturated porous media. Journal of Fluid Mechanics. 1987;176:379–402. doi:10.1017/S0022112087000727.
4. Pride S.R., Berryman J.G., Harris J.M. Seismic attenuation due to wave‑induced flow. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2004;109(B1):B01201. doi:10.1029/2003JB002639.
5. White J.E. Computed seismic speeds and attenuation in rocks with partial gas saturation. Geophysics. 1975;40(2):224–232. doi:10.1190/1.1440520.
6. Dvorkin J., Mavko G., Nur A. Squirt flow in fully saturated rocks. Geophysics. 1995;60(1):97–107. doi:10.1190/1.1443767.
7. Gurevich B., Makarynska D., de Paula O.B., Pervukhina M. A simple model for squirt‑flow dispersion and attenuation in fluid‑saturated granular rocks. Geophysics. 2010;75(6):N109–N120. doi:10.1190/1.3509782.
8. Beresnev I.A., Johnson P.A. Elastic‑wave stimulation of oil production: A review of methods and results. Geophysics. 1994;59(6):1000–1017. doi:10.1190/1.1443645.
9. Kouznetsov O.L., Simkin E.M., Chilingar G.V., Katz S.A. Improved oil recovery by application of vibro‑energy to waterflooded sandstones. Journal of Petroleum Science and Engineering. 1998;19(3–4):191–200. doi:10.1016/S0920-4105(97)00022-3.
10. Mohsin M., Meribout M. Ultrasound assisted enhanced oil recovery: A review. Ultrasonics Sonochemistry. 2015;27:79–98. doi:10.1016/j.ultsonch.2014.10.001.
11. Mullakaev M.S., Abramov V.O., Abramova A.V. Ultrasonic piezoceramic module for downhole applications to stimulate low‑productivity wells. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2017;159:480–488. doi:10.1016/j.petrol.2017.08.067.
12. Hamida T., Babadagli T. Effects of ultrasonic waves on immiscible and miscible displacement in porous media. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2008;316(1–3):176–189. doi:10.1016/j.colsurfa.2007.09.012.
13.  Hamida T., Babadagli T. Displacement of oil by different interfacial tension fluids under ultrasonic waves. Ultrasonics Sonochemistry. 2008;15(4):274–278. doi:10.1016/j.ultsonch.2007.09.012.
14.  Pu C., Shi D., Zhao S., Xu H., Shen H. Technology of removing near‑wellbore inorganic scale damage by high power ultrasonic treatment. Petroleum Exploration and Development. 2011;38(2):243–248. doi:10.1016/S1876-3804(11)60030-X.
15.  Avvaru B., Patil M.N., Gogate P.R., Pandit A.B. Ultrasonic enhancement of leaching rate of uranium from low grade ore. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2006;45(22):7639–7645. doi:10.1021/ie060599x.
16.  Suslick K.S. Sonochemistry. Science. 1990;247(4949):1439–1445. doi:10.1126/science.247.4949.1439.
17.  Plesset M.S., Prosperetti A. Bubble dynamics and cavitation. Annual Review of Fluid Mechanics. 1977;9:145–185. doi:10.1146/annurev.fl.09.010177.001045.
18. Togizov K., Kenzhetaev Z., Muzapparova A., et al. Selection of Optimal Parameters for Chemical Well Treatment During In Situ Leaching of Uranium Ores. Minerals. 2025;15(8):811. doi:10.3390/min15080811.
19.  Zhao Z., Han Z., Niu H., et al. Enhanced leaching performance of low‑permeability uranium‑bearing sandstone using low‑frequency vibration. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2022;14(4):1187–1199. doi:10.1016/j.jrmge.2021.10.013.
20.  Zhao Z., Han Z., Niu H., et al. Mechanism of low‑frequency vibration enhancing leaching in uranium‑bearing sandstone: experiments and pore‑scale interpretation. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2023;15(6):1250–1264. doi:10.1016/j.jrmge.2022.12.031.