某砂巖型鈾礦床井間示蹤技術(shù)應(yīng)用研究

孫剛友，程光華，付海鵬，王合祥，門 宏，劉 波

(1.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.核工業(yè)二○八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

我國(guó)北方某砂巖鈾礦床按硬巖指標(biāo)進(jìn)行勘查，查明資源量較大，具有較高的開發(fā)利用價(jià)值。但該礦床的地下水豐富，承壓水頭高，含礦含水層的巖石密度為1.83～2.57 g/cm3，平均為2.20 g/cm3，孔隙率為5.74%～30.51%，平均為16.17%；含水巖組單位涌水量為0.030～0.280 L/(m·s)，平均為0.195 L/(m·s)，富水性中等；含水層滲透系數(shù)為0.112～0.644 m/d，平均為0.418 m/d，透水性中等；水文地質(zhì)參數(shù)變化較大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，給常規(guī)開采帶來(lái)極大難度。然而，從已獲得的水文地質(zhì)參數(shù)看，礦床部分地段存在采用地浸開采的可能性。

地下水的賦存性質(zhì)、連通性以及礦層滲流速度是評(píng)價(jià)地浸采鈾工藝可行性的三個(gè)主要指標(biāo)，裂隙發(fā)育、空氣連通性差、流速過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)對(duì)地浸開采產(chǎn)生不利影響[1-3]。因此，為了評(píng)價(jià)該礦床的地浸可能性，還需進(jìn)一步查明該礦床地下水的賦存性質(zhì)、連通性和連續(xù)抽出條件下地下水滲流速度等地浸地質(zhì)條件。

井間示蹤試驗(yàn)是研究抽注井間溶液流動(dòng)特征參數(shù)的有效手段。井間示蹤試驗(yàn)通過(guò)在注入井內(nèi)投放示蹤劑，在抽出井抽液的同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽注井間溶液滲流參數(shù)和孔隙連通狀況的定量或定性評(píng)價(jià)[4-6]。因此，確定在該礦床選擇一個(gè)地浸有利地段先期開展井間示蹤試驗(yàn)。

1 示蹤試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)利用一組水文地質(zhì)試驗(yàn)孔(ZKHD-1和ZKHD-2)開展示蹤劑試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)位于某鈾礦床的中南部縱H34號(hào)水文地質(zhì)剖面線上，如圖1所示。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)層位于494～512 m之間，為一個(gè)厚度約15 m的亞含礦含水層，其上部為一個(gè)厚度約1 m的粉砂質(zhì)泥巖不透水隔水層，下部為厚度約5 m的粉砂巖不透水隔水層，中間包含27-1、28-1-1和29-1三層砂巖型礦體。目標(biāo)層為粗砂巖和中砂巖，天然狀態(tài)下砂巖密度為2.27 t/m3，孔隙率11%～15%，滲透系數(shù)0.456～0.520 m/d，裂隙不發(fā)育，具備采用地浸工藝開采的地質(zhì)條件，本次試驗(yàn)選擇此處作為示蹤試驗(yàn)地點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)鉆孔平面布置圖Fig.1 Layout plan of test borehole

1.2 示蹤試驗(yàn)方案

1.2.1 示蹤劑的選擇

示蹤劑的類型有許多種，地下水常用的示蹤劑類別可分為化學(xué)類和放射性標(biāo)記類。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)塊的地層情況、地下水情況綜合分析不同示蹤劑的特性，井間示蹤劑檢測(cè)試驗(yàn)區(qū)示蹤劑選擇化學(xué)示蹤劑類別中的熒光素鈉作為本次試驗(yàn)的示蹤劑。熒光素鈉是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的一種示蹤劑，其檢測(cè)手段為熒光分光光度計(jì)法，優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)方便、快速、示蹤效果好，示蹤劑無(wú)毒無(wú)害，對(duì)地下水影響小，同時(shí)試劑成本較低[7-9]。

1.2.2 示蹤劑投放量

示蹤劑投放量應(yīng)充分考慮礦床試驗(yàn)區(qū)段的地質(zhì)條件、地下水賦存狀態(tài)和檢測(cè)設(shè)備的靈敏度等參數(shù)，本文借鑒均勻稀釋模型公式[10]確定示蹤劑用量，其表達(dá)式見(jiàn)式(1)和式(2)。

VP=πR2hφ

(1)

A=μ×MDL×VP×10-3

(2)

式中：A為示蹤劑加入量，kg；μ為保障系數(shù)；MDL為示蹤劑設(shè)備最低檢測(cè)限，mg/L；VP為井組預(yù)期稀釋體積，m3；R為注入井與抽出井的距離，m；h為含水層厚度，m；φ為孔隙度，%。其中，示蹤劑設(shè)備最低檢測(cè)限MDL與所選用的示蹤劑類型和檢測(cè)設(shè)備相關(guān)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)段參數(shù)，保障系數(shù)μ取30，示蹤劑設(shè)備最低檢測(cè)限MDL為0.1 mg/L，R=20 m，含水層厚度h=16.25 m,孔隙度φ=13%，代入式(1)和式(2)，計(jì)算得示蹤劑熒光素鈉用量為7.96 kg，為保障試驗(yàn)效果，確定本次示蹤試驗(yàn)熒光素鈉投放量為10 kg。

1.2.3 試驗(yàn)工藝方案

試驗(yàn)采用連續(xù)抽液方式，將ZKHD-1孔作為示蹤劑注入井，將ZKHD-2孔作為抽出井，試驗(yàn)工藝方案示意圖如圖2所示。

圖2 示蹤劑試驗(yàn)工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of tracer test process

將熒光素鈉固體溶解至盛有1 m3地下水的配液桶內(nèi)，利用高壓水泵和輸液管將配液桶內(nèi)的熒光素鈉液體瞬時(shí)一次性輸送至ZKHD-1孔中，輸液管下入孔深500 m處。

示蹤劑投放完畢后，在抽出井下放壓氣管，并安裝孔口排水裝置，孔口裝置排水端連接排水管，末端連接三角堰，壓氣管與空壓機(jī)連接。啟動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行全天不間斷抽水作業(yè)。根據(jù)確定的取樣頻次進(jìn)行取樣分析工作。

1.2.4 試驗(yàn)操作方案

抽水制度：采用空壓機(jī)抽水，全天不間斷抽水(不含檢修停機(jī))，抽水過(guò)程水力坡度≥1.41，抽水量～400 m3/d。

取樣頻率：抽出井ZKHD-2取樣監(jiān)測(cè)在注入井投放示蹤劑后開始，每天取1個(gè)樣品，具體時(shí)間為每天的08∶00；取樣點(diǎn)在三角堰出水口取，每次取樣500 mL，取樣瓶為黑色遮光瓶。

監(jiān)測(cè)要求：對(duì)每天的取樣樣品送化驗(yàn)室分析，主要分析熒光素鈉濃度，采用F96pro熒光分光光度計(jì)測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 示蹤試驗(yàn)結(jié)果

2018年7月5日在注入井ZKHD-1注入示蹤劑并開始抽水試驗(yàn)；7月11日開始在抽出井ZKHD-2進(jìn)行取樣檢測(cè)；7月25日，在抽出井ZKHD-2檢測(cè)到示蹤劑熒光素鈉，然后抽水試驗(yàn)一直持續(xù)到10月5日。取樣檢測(cè)結(jié)果顯示，本項(xiàng)試驗(yàn)示蹤劑突破時(shí)間為15 d，峰值時(shí)間為54 d，峰值濃度為2.561 mg/L。檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，示蹤劑濃度隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖3。

表1 檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況Table 1 The statistical situation of the test results

圖3 示蹤劑濃度隨時(shí)間變化圖Fig.3 Diagram of tracer concentration with time

2.2 結(jié)果分析與討論

2.2.1 試驗(yàn)區(qū)段滲流速度估算

示蹤劑在含礦含水層中隨著地下水從注入井向抽出井滲流，從注入井彌散到抽出井的平均時(shí)間為抽出井示蹤劑出現(xiàn)濃度峰值時(shí)間，據(jù)此可求得含礦含水層的溶液滲流速度。 溶液滲流速度計(jì)算見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：v為溶液在含礦含水層中的滲流速度，m/d；L為注、抽井間的距離，m；t為抽出井出現(xiàn)示蹤劑濃度峰值所需時(shí)間，d。

試驗(yàn)區(qū)段抽注井間距L=20 m,抽出井出現(xiàn)示蹤劑濃度峰值所需時(shí)間為試驗(yàn)日歷時(shí)間54 d(1 296 h)，示蹤劑濃度峰值2.561 mg/L，扣除抽水停機(jī)時(shí)間354.5 h，最終出現(xiàn)示蹤劑濃度峰值所需時(shí)間t=39.23 d。代入式(3)，示蹤劑在兩井之間的平均運(yùn)移速度v為0.51 m/d。

2.2.2 試驗(yàn)區(qū)段地下水流動(dòng)性分析

示蹤試驗(yàn)日歷時(shí)間共計(jì)87 d。試驗(yàn)期間受客觀條件影響，共造成兩次時(shí)間較長(zhǎng)的停機(jī)情況。8月17日—8月25日，停機(jī)9 d；9月7日—9月11日，停機(jī)5 d。兩次停機(jī)前后示蹤劑濃度變化情況見(jiàn)表2。由表2可知，在兩次間隔較長(zhǎng)的停機(jī)前后示蹤劑濃度值變化很小，并沒(méi)有隨停機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短變化呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此，該礦床范圍內(nèi)的地下水在天然狀態(tài)下流動(dòng)性較弱。

表2 停機(jī)前后示蹤劑濃度變化情況Table 2 The concentration of tracer changes before and after stopping pumping

2.2.3 試驗(yàn)區(qū)段地下水類型驗(yàn)證分析

1) 對(duì)比石油行業(yè)示蹤試驗(yàn)。在石油開采行業(yè)，常用示蹤劑試驗(yàn)來(lái)判斷地層中高滲透條帶、大孔道、天然裂縫、人工裂縫的存在與否。井間示蹤劑可以對(duì)裂縫及大孔道等注水優(yōu)勢(shì)方向進(jìn)行監(jiān)控。裂隙型油藏注水連通示蹤劑采出曲線特征是示蹤劑突破時(shí)間短，示蹤劑采出濃度高。如大慶油田某區(qū)某注采井組示蹤試驗(yàn)，示蹤劑濃度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知，A井示蹤劑突破時(shí)間短，示蹤劑采出濃度高，是典型的以裂隙型油藏注水連通示蹤劑采出曲線。本次示蹤劑試驗(yàn)得出的示蹤劑濃度隨時(shí)間變化曲線與圖3一致，曲線特征為示蹤劑突破時(shí)間較晚，長(zhǎng)達(dá)15 d，示蹤劑采出濃度低，濃度峰值僅為2.561 mg/L。說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)段存在天然裂縫溝通能力可能性較低，不存在高滲透帶，符合低滲透性的孔隙水特征。

2) 試驗(yàn)段巖芯驗(yàn)證。ZKHD-1孔位于H34號(hào)勘探線上，ZKHD-2孔位于其東側(cè)，ZKHD-2孔過(guò)濾器下入深度494.29 m，過(guò)濾器長(zhǎng)度15 m，揭露礦層埋深范圍為494.29～509.29 m。通過(guò)觀察ZKHD-2孔施工過(guò)程中取得的巖芯照片(圖5)，目標(biāo)層含礦段以細(xì)砂巖至粗砂巖為主，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙存在，裂隙發(fā)育程度很不發(fā)育。

對(duì)比圖4和圖5可以得出，試驗(yàn)區(qū)段地下水類型不符合裂隙水特征，進(jìn)一步證明該礦床試驗(yàn)區(qū)段孔隙連通性較好，地下水類型為孔隙水。

圖4 A井示蹤劑濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The concentration of tracer in well A varies with time

圖5 ZKHD-2孔巖芯照片F(xiàn)ig.5 Photo of ZKHD-2 hole core

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)示蹤試驗(yàn)，在抽出井降深47 m左右的條件下，地下水在ZKHD-1孔與ZKHD-2孔之間的平均滲流速度為0.51 m/d，這與現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

2) 通過(guò)分析示蹤試驗(yàn)期間兩次停機(jī)前后示蹤劑濃度值變化情況，顯示示蹤劑濃度變化微弱，濃度值并沒(méi)有隨停機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短變化呈現(xiàn)線性關(guān)系?？梢缘贸?，礦床試驗(yàn)區(qū)段范圍內(nèi)的地下水在天然狀態(tài)下流動(dòng)性較弱。

3) 示蹤劑濃度曲線特征顯示示蹤劑突破時(shí)間較晚，長(zhǎng)達(dá)15 d；示蹤劑采出濃度低，濃度峰值僅為2.561 mg/L。說(shuō)明試驗(yàn)區(qū)段存在天然裂縫溝通能力可能性較低，不存在高滲透帶，符合低滲透性的孔隙水特征。對(duì)比石油開采行業(yè)典型的裂隙水示蹤劑產(chǎn)出曲線圖和試驗(yàn)孔巖芯編錄情況，可以得出試驗(yàn)區(qū)段地下水類型不符合裂隙水特征，進(jìn)一步證明該礦床試驗(yàn)區(qū)段地下水類型是以孔隙水為主。