砂岩型铀矿的“低渗透”特征造成地浸开采面临“难注、难抽、高成本、低采收”等突出矛盾,成为此类资源地浸开采的关键难题。相比于通过准静态荷载进行储层改造,爆破增渗技术可在铀储层内创造密集裂隙网络,是更适用于低渗透铀储层的改造方式。然而,爆破增渗改造后进行CO₂+O₂中性地浸开采面临多物理场耦合作用,预测已改造铀储层渗透性及地浸效果演变规律成为亟待解决的问题。为此,本研究以我国新疆某典型低渗透砂岩型铀储层为研究对象,综合运用文献调研、资料搜集、现场考察、理论分析、数值模拟、室内实验与现场试验等方法,首先,探究了地应力场与水介质不耦合装药爆破联合作用下岩石损伤演化机制、裂隙动态扩展规律以及构建并验证了动静荷载作用下岩石损伤-渗透率本构模型;其次,开展了渗流场-应力场-化学场(HMC)多场耦合作用下岩心尺度室内试验,构建并验证了多场耦合作用下孔隙-裂隙双重介质渗透率演化本构模型;最后,进行了依托工程地浸法可行性评价分析和可改造性评价分析,优化了现场爆破方案,开展了现场爆破增渗试验,进行了为期900 d爆破增渗后CO₂+O₂中性地浸数值模拟,预测了地浸开采效果。取得主要研究成果如下: (1)构建了动静荷载作用下岩石损伤-渗透率本构模型,开展了粗砂岩岩心动静组合SHPB冲击试验和渗透性测试试验,通过对比试验值和理论值,误差不超过10.89%,验证了该模型的准确性。将该模型进行二次开发植入ANSYS/LS-DYNA软件,进行了场地尺度200 m埋深的5孔爆破模拟,得到爆破损伤范围25~35 m,渗透率范围50~125 m D,渗透系数约为0.042~0.105m/d。不同动静组合加载条件下,裂隙密度均随应变率的增大而增大,围压的增大会抑制砂岩裂隙密度的增加,增强砂岩的抗损伤能力,且增强趋势随着围压增加逐渐趋于平稳。模拟得到了不同地应力条件下6组工况岩石爆破产生的破碎区范围基本相同,裂隙区范围随着地应力的增大而减小,且在一定范围内二者呈线性减小的规律。 (2)开展了CO₂+O₂岩心反应试验和渗透率测试试验。随着轴压和围压的增大,岩心试样渗透率降低,但因裂隙的增多,流体渗流空间增加且裂隙不能完全闭合,渗透率衰减幅度:完整粗砂岩试样>含单裂隙粗砂岩试样>含多裂隙粗砂岩试样;因岩心化学反应过程存在新生矿物沉淀物堵塞孔隙和裂隙喉道,导致渗透率随反应时间的增长而降低,渗透率衰减速率:完整粗砂岩试样>含单裂隙粗砂岩试样>含多裂隙粗砂岩试样;证实了粗砂岩试样因裂隙的存在不仅能够有效提升试样的渗透率,还具有减弱因外部应力增大而导致渗透率降低的作用,并且随着裂隙的增多可进一步延缓渗透率衰减速率,为爆破增渗技术可提高铀储层渗透性提供了重要的试验依据。 (3)分析了CO₂+O₂中性地浸过程所涉及的渗流场、应力场和化学场的耦合关系,构建了渗流场-应力场-化学场(HMC)多场耦合作用下孔隙-裂隙双重介质渗透率演化本构模型。将该本构模型嵌入COMSOL模拟软件中,进行了完整粗砂岩、含单裂隙粗砂岩和含多裂隙粗砂岩岩心室内试验模拟分析,通过对比岩心模型的渗透率时空分布,因受流体作用,渗透率演化显著位置主要为裂隙及其周边区域;通过对比模拟值和试验值,最大误差不超过12.2%,验证了模型的准确性。 (4)根据地浸砂岩型铀矿水文地质条件评价参数和低渗透砂岩铀储层可改造性评价体系,得出新疆某典型低渗透铀储层可采用爆破增渗技术进行铀储层改造并应采用CO₂+O₂中性地浸法进行地浸开采。利用ANSYS/LS-DYNA软件和COMSOL软件开展了多组现场尺度爆破模拟和CO₂+O₂中性地浸模拟,得到了最佳爆破方案为不耦合系数1.75、逐孔爆破间隔20 ms。 (5)开展了现场爆破增渗试验,试验区平均渗透系数由原来0.0145 m/d提升到0.1789 m/d,储层渗透系数提升10~14倍。根据爆破工程及地浸开采实际工况,模拟得到爆破后铀储层的裂隙分布,并进行了为期900 d场地尺度CO₂+O₂中性地浸砂岩型铀矿数值模拟,得到了铀浓度、矿层压力场、达西渗流场和有效溶浸范围变化规律。随着开采时间的延长,铀浓度得到显著提升,但基质渗透率和裂隙渗透率在200 d开始降低,到第900 d分别降低了17.6%和26%,矿物沉淀堵塞效应对渗透率衰减具有一定的影响作用。