地浸采鈾過(guò)程中的礦層解堵增滲技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

吉宏斌，陽(yáng)奕漢，孫占學(xué)，周義朋

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

地浸采鈾過(guò)程中的礦層解堵增滲技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

吉宏斌1，2，陽(yáng)奕漢2，孫占學(xué)1，周義朋1

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

地浸；鈾；解堵增滲;化學(xué)洗孔

地浸采鈾在地下進(jìn)行，地下水與圍巖之間的相互作用極為復(fù)雜，無(wú)論是采用酸法、堿法或CO2+O2中性浸出，開(kāi)采過(guò)程中都存在不容忽視的礦層堵塞問(wèn)題。礦層堵塞導(dǎo)致鉆孔抽、注液量下降，地浸無(wú)法正常進(jìn)行[1]。

國(guó)內(nèi)某大型可地浸砂巖型鈾礦床的礦體呈多層分布，滲透性低，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，礦石中碳酸鹽含量高且分布不均勻。該礦床工業(yè)化開(kāi)采采用的是CO2+O2中性地浸工藝[2-4]。自試生產(chǎn)以來(lái)，已投入采區(qū)8個(gè)。隨著浸出過(guò)程的進(jìn)行，部分鉆孔出現(xiàn)抽、注液量下降，浸出液中鈣、鎂離子含量升高，潛水泵上出現(xiàn)紅色沉淀物等現(xiàn)象。這些紅色化學(xué)沉淀物主要為CaCO3、Fe(OH)3、MgCO3及Al(OH)3，采取常規(guī)的空壓機(jī)方式洗孔效果不理想，無(wú)法滿足穩(wěn)定生產(chǎn)要求。因此，研究新的洗井方法，解決近井地帶及礦層堵塞問(wèn)題，對(duì)提高礦層滲透性有重要意義。

1 浸出過(guò)程中存在的主要問(wèn)題

1.1 抽、注液量下降

C1及C8采區(qū)浸出期間，抽、注液量變化曲線如圖1、2所示。可以看出：浸出150～200 d后，抽、注液量呈明顯下降趨勢(shì)，其中C1采區(qū)抽液量由140 m3/h下降至80 m3/h，注液量由130 m3/h下降至60 m3/h；注液量先于抽液量開(kāi)始下降，說(shuō)明礦層堵塞最先出現(xiàn)在注液井周?chē)蜃⒁毫肯陆祵?dǎo)致抽液量隨之降低。

圖1 C1及C8采區(qū)抽、注液量變化曲線

1.2 注液壓力增大

隨著化學(xué)堵塞的出現(xiàn)，各集控室注液壓力不斷增大，已由試生產(chǎn)時(shí)的0.4 MPa上升至0.8 MPa，個(gè)別采區(qū)已上升至1.0 MPa。

1.3 化學(xué)堵塞物產(chǎn)生

1.4 洗孔效果不佳

CO2+O2地浸采鈾過(guò)程中所用液相浸出劑中夾雜著氣相，氣相較多會(huì)影響洗孔效果，包括水鎖效應(yīng)、黏土膨脹、鈾離子沉淀、酸化不徹底等。

1.4.1 水鎖效應(yīng)

外來(lái)液相進(jìn)入含礦含水層后，會(huì)在過(guò)濾器周?chē)椎乐行纬梢合嘧枞?，其?氣或液-油彎曲界面上存在毛細(xì)管壓力，毛細(xì)管力的大小與多孔介質(zhì)的尺寸密切相關(guān)；氣-水界面張力往往大于油-水界面張力,因此致密氣藏中，毛細(xì)管力是氣驅(qū)水的主要阻力，液相進(jìn)入礦層后極易形成水鎖效應(yīng)，降低礦層滲透性[6]。

1.4.2 黏土膨脹

浸出過(guò)程中，礦層中的礦物緩慢溶解，同時(shí)新礦物不斷產(chǎn)生。新礦物主要有高嶺土、蒙脫石、蛭石、伊來(lái)石、水鋁英石等黏土礦物。各種黏土礦物都會(huì)吸水膨脹[7]，膨脹后使原本不大的孔道被封死，降低了礦層滲透性。

1.4.3 鐵離子沉淀

礦石中黃鐵礦含量高達(dá)5.4%，其他少數(shù)礦物中也含有鐵元素，含鐵礦物在O2作用下轉(zhuǎn)化成Fe2+/Fe3+向溶液中遷移。Fe3+在pH>3條件下開(kāi)始沉淀，用鹽酸進(jìn)行化學(xué)洗孔，雖可溶解過(guò)濾器及近井地帶含鐵沉淀物，但也會(huì)使鉆孔周?chē)芤簆H發(fā)生變化。當(dāng)pH>3時(shí)，原本溶解的游離態(tài)的鐵元素會(huì)再次沉淀，致使孔道堵塞，洗孔效果降低[8]。

1.4.4 堵塞物溶解不徹底

化學(xué)洗孔時(shí)，單獨(dú)加入鹽酸或硝酸200～300 kg，按理論計(jì)算，完全反應(yīng)條件下能溶解約300 kg碳酸鹽。礦石中碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)按10%計(jì)，則礦石質(zhì)量3.0 t。鉆孔過(guò)濾器一般長(zhǎng)度為4.0 m，礦石密度1.87 kg/m3，3.0 t礦石徑向厚度約0.36 m，則酸化能力較弱，擴(kuò)散范圍較小，達(dá)不到溶解過(guò)濾器附近礦層堵塞物的要求。

2 酸化解堵原理

從機(jī)械堵塞及化學(xué)堵塞2方面分析礦層的化學(xué)堵塞問(wèn)題，根據(jù)大量空壓機(jī)洗井?dāng)?shù)據(jù)，初步判斷堵塞主要為化學(xué)堵塞，非機(jī)械堵塞。根據(jù)前期化學(xué)洗孔試驗(yàn)結(jié)果，擬利用表面活性劑為前置液，鹽酸為主酸，輔以各種添加劑來(lái)配制綜合解堵劑，溶解化學(xué)堵塞物并防止二次沉淀及黏土膨脹。主要解堵機(jī)制如下：

2AlF3+9H2O+18R+。

酸液進(jìn)入地層后，主酸首先與過(guò)濾器周?chē)练e的CaCO3及MgCO3發(fā)生反應(yīng)，混合有氫氟酸的綜合解堵劑可有效溶解近井地帶普通酸無(wú)法溶解的黏土礦物，將化學(xué)沉淀物及堵塞通道的黏土礦物溶解。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

選擇生產(chǎn)過(guò)程中水量下降嚴(yán)重、出現(xiàn)斷流、反復(fù)洗孔效果不佳的9個(gè)鉆孔(1抽8注)，于2015年10月—2016年2月開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)酸化解堵增滲試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)配置4個(gè)防腐槽罐，分別用來(lái)配制表面活性劑、綜合解堵劑及防膨脹頂替液，各槽罐頂部及底部相互連通。采用管道泵加壓下注，下注壓力維持在1.5～1.8 MPa，通過(guò)洗孔風(fēng)管直接將試劑注入至過(guò)濾器段，注入時(shí)間6.0 h左右。注完之后靜止24 h，然后用空壓機(jī)洗孔，直至洗孔液pH達(dá)到6以上時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

根據(jù)試劑的不同性能，初步確定了4種酸化解堵劑：

解堵劑-1，HCl+防膨脹頂劑；

解堵劑-2，HCl+HF+防膨脹頂劑；

解堵劑-3，活化劑+綜合解堵劑+防膨脹頂劑；

解堵劑-4，活化劑+綜合解堵劑+多氫酸+防膨脹頂劑。

3.1 解堵劑-1及解堵劑-2的解堵效果

解堵劑-1及解堵劑-2配方見(jiàn)表1。二者不同之處在于解堵劑-2中加入了HF。利用解堵劑-1對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)注液孔進(jìn)行試驗(yàn)，利用解堵劑-2對(duì)2個(gè)注液孔進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果分別如圖2、3所示。

表1 解堵劑-1及解堵劑-2的配比

圖2 解堵劑-1洗孔前后水量對(duì)比

圖3 解堵劑-2洗孔前后水量對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)解堵劑-1及解堵劑-2能有效溶解孔內(nèi)及近井地帶化學(xué)堵塞物，前者洗孔后注液量基本能恢復(fù)至正常水平，后者洗孔后注液量大于正常水平；

2)解堵劑-1第1次化學(xué)解堵后，注液量維持在2.0 m3/h以上時(shí)間較短，在3～6 d之間，第2次化學(xué)解堵后，注液量高于最初水平，維持在2.0 m3/h以上時(shí)間較長(zhǎng)，在50 d以上；解堵劑-2化學(xué)解堵后，洗孔效果維持時(shí)間明顯長(zhǎng)于解堵劑-1，在42～120 d之間。

3.2 解堵劑-3及解堵劑-4的解堵效果

解堵劑-3及解堵劑-4配方見(jiàn)表2。與解堵劑-1及解堵劑-2的不同之處在于不僅添加了表面活性劑，還添加了高溫酸化緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑。利用解堵劑-3對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，利用解堵劑-4對(duì)現(xiàn)場(chǎng)1個(gè)鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果分別如圖4、5所示。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)解堵劑-3及-4能有效溶解孔內(nèi)及近井地帶化學(xué)堵塞物，洗孔后注液量大于正常時(shí)水平；

2)化學(xué)解堵后，洗孔效果維持時(shí)間明顯長(zhǎng)于解堵劑-1和解堵劑-2的洗孔效果，一般在130 d以上。解堵劑-3與解堵劑-4的效果較為接近。

表2 解堵劑-3及解堵劑-4的配比

圖4 解堵劑-3洗孔前后水量對(duì)比

圖5 解堵劑-4洗孔前后水量對(duì)比

4 結(jié)論

地浸采鈾過(guò)程中，因碳酸鹽及黃鐵礦含量較高，注入的CO2+O2引起含礦含水層化學(xué)組成發(fā)生變化，易形成化學(xué)堵塞，主要堵塞物為可溶解的鈣質(zhì)及鐵質(zhì)沉淀物。

采用單一的強(qiáng)酸浸泡洗孔，無(wú)法取得理想的洗孔效果，因?yàn)樗?酸-礦相互作用過(guò)程會(huì)產(chǎn)生水鎖效應(yīng)、黏土膨脹、鐵離子沉淀等對(duì)地層的二次傷害。

解堵劑中加入表面活性劑，可以解除礦層水鎖效應(yīng)，增加解堵劑與堵塞物的接觸面積，提高解堵劑使用效率；添加鐵離子穩(wěn)定劑，可避免鐵離子發(fā)生二次沉淀堵塞礦層。

解堵劑中加入HF，洗孔后水量大于正常水平，且維持時(shí)間達(dá)130 d以上。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，采用解堵劑-3處理含礦含水層的化學(xué)沉淀物，能有效解決礦層堵塞問(wèn)題，可防止地層二次傷害，在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上合理，是礦層解堵增滲的首選解堵劑。

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chemical washing hole

Technology on Removing Blockage and Increasing Permeability of Ore Layer and Its Production Application

JI Hongbin1,YANG Yihan1，SUN Zhanxue2，ZHOU Yipeng2

(1.CollegeofWaterResourceandEnvironmentalEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China;2.XinjiangTianshanUraniumCo.,Ltd.,CNNC,Yining835000,China)

in-situ leaching;uranium;removing blockage and increasing permeability;

2016-07-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(4157020615)。

吉宏斌(1981-)，男，山西大同人，博士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榈亟赦櫹嚓P(guān)地質(zhì)、水文地球化學(xué)技術(shù)。

TL212

A

1009-2617(2017)02-0143-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.02.013