地浸采鈾過程中抽注液量影響因素分析

廖文勝，王立民

(1.中核礦業(yè)科技集團有限公司，北京 101149；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

原地浸出采鈾已成為中國主要的鈾礦開采工藝。抽注液量是這種工藝最重要的經(jīng)濟指標之一，也是評價原地浸出采鈾礦床可浸性的基本因素[1]。中國砂巖型鈾礦床滲透性普遍偏差，鉆孔抽注液能力偏小[2]。此外，在地浸采鈾過程中，注液、洗井等過程所使用的流體進入礦層后，由于這些流體可能與礦層巖石不完全匹配，使得礦層受到不同程度的傷害，進而降低抽注井的生產(chǎn)能力，致使地浸采鈾成本增加，影響礦床開采的經(jīng)濟性[3]。

針對地浸采鈾抽注液量變化，前人進行了較多的分析與研究。蘇學(xué)斌等提出了1種鉆孔結(jié)構(gòu)施工方法，通過鉆孔結(jié)構(gòu)來增大地浸采鈾抽注液量[4]。吉宏斌等研究了化學(xué)洗孔，在解堵劑中加入表面活性劑和氫氟酸可有效解決礦層堵塞，提高抽注液量[5]。王飛等對注液能力下降進行了分析，提出通過增大注液壓力、控制二氧化碳加入量、在線微酸增注、空壓機洗孔等措施保持和提高鉆孔注液量[6]。趙生祥等對地浸采鈾礦山低流量鉆孔O2加注方式進行了優(yōu)化研究，以降低氣堵的可能性[7]。

以上文獻針對特定礦床進行了提高抽注液量方法研究，但未進行系統(tǒng)的影響因素分析。相比較而言，石油系統(tǒng)針對抽注液量下降進行了大量的研究。石油系統(tǒng)將抽注液量下降定義為“儲層傷害”或“油層傷害”(Formation damage)，并認為其主要是由以下4個因素綜合作用造成的：1)外部流體的侵入，如注入水、提高產(chǎn)量所用的化學(xué)藥劑、鉆井液和修井液的侵入；2)外來顆粒侵入和原生顆粒的移動，包括砂、泥質(zhì)細粒、細菌和碎屑；3)作業(yè)參數(shù)，如油氣井的產(chǎn)量、井筒壓力、溫度；4)地層流體的性質(zhì)和孔隙介質(zhì)[8]3-4。

因此，借鑒石油行業(yè)的研究成果，對鈾礦床進行注液量影響因素分析，以防止原地浸出采鈾過程中礦層受到損害，保護礦層滲透率，提高并穩(wěn)定生產(chǎn)井的抽注液量。這對鈾礦床經(jīng)濟開采具有重要作用。

1 抽注液量下降情況

在地浸開采過程中，注入的浸出劑與礦層巖石接觸，由于注入流體與地下水組成不同，在礦層中產(chǎn)生物理化學(xué)變化，以及本身含有一定量不同粒徑的顆粒物，不可避免地會堵塞礦層，使礦層滲透性受到不同程度的傷害，進而影響抽注液量。

在中國地浸現(xiàn)場試驗和開采過程中，絕大多數(shù)情況下都是隨著浸出時間的推移，抽注液量越來越小。

某礦床1#采區(qū)單井平均抽注液量的變化如圖1所示。該區(qū)域采用NH4HCO3+O2工藝進行生產(chǎn)?？梢钥闯觯?jīng)過幾年的浸出運行，單井的平均抽液量由起始約8 m3/h降至3 m3/h左右，降幅達62.5%；而單井平均注液量由起始約為3 m3/h降至1 m3/h左右，降幅達66.7%，生產(chǎn)受到嚴重的影響。在運行過程中，進行了地表除鈣、HCl浸泡洗井、壓縮空氣洗井、加HCl調(diào)節(jié)浸出劑pH等措施，措施實施后抽注液量在一段時間內(nèi)有所改善，但總體呈下降趨勢。

圖1 某礦床1#采區(qū)單井平均抽注液量變化

某礦床C2采區(qū)抽注液量的變化如圖2所示。該采區(qū)采用酸法浸出，由于酸耗較高，水巖相互作用強烈，在其酸化過程(酸化期110 d)中，單井平均抽液量與注液量大幅下降，單井平均抽液量從起始的8.0 m3/h左右降至4.0 m3/h以下，最低降至3.5 m3/h左右，降幅約56.2%；而單井平均注液量從起始的4.0 m3/h左右降至0.8 m3/h左右，降幅達80%以上。

圖2 某礦床C2采區(qū)單井平均抽注液量變化

圖2中抽液量下降幅度相對注液量較小的原因是由于靜水位高出地面，導(dǎo)致抽液量本身較大；但注液困難，注液量下降導(dǎo)致抽液量下降。該抽液量降幅不能反映真實情況。

從上述2個典型的酸法和堿法浸出情況來看，抽注液量下降情況都比較嚴重。浸出前期的下降幅度大；但隨著時間推移，逐漸趨于穩(wěn)定。相對于堿法工藝(包括CO2+O2工藝)，酸法浸出工藝由于酸的作用強烈，酸化期對抽注液量的影響更為顯著。

2 抽注液量下降的影響因素分析

砂巖型鈾礦地浸開采與石油開采的運行過程有較大不同，其差異主要體現(xiàn)在：1)地浸開采是化學(xué)反應(yīng)，而石油開采是物理驅(qū)替；2)地浸開采過程中由于埋藏較淺，滲透性相對較好，其地層壓力和運行壓力變化較?。?)鈾礦地浸開采時，循環(huán)使用地下水，在注入前加入試劑，會增加地下水的礦化度，而石油開采是水驅(qū)油，驅(qū)替水礦化度小于一般地層水。分析認為，地浸開采過程中主要有以下因素影響其抽注液量變化。

2.1 浸出劑中微粒造成的礦層堵塞

對于地浸采鈾，提高浸出劑的干凈程度是保持地層滲透性穩(wěn)定的前提。從理論分析看，CO2+O2工藝浸出過程中，浸出流體堿度、鹽度、pH及流速的變化均對滲透率影響較小，甚至還有助于提高滲透性[9]。但現(xiàn)場試驗表明，礦層傷害依然存在，抽注液量不斷下降；一個主要的因素就是流體中微粒的傷害作用。

從浸出過程來看，浸出流體中的微粒主要有3個來源：1)浸出劑與礦層或礦層水原位生成的沉淀，并最終由浸出液帶至地面[10]；2)浸出液帶來的黏土顆粒[11]；3)浸出劑中其他的固體微粒，包括大氣中的微粒及管道的銹蝕物等。

在實驗室采用某礦床模擬地層水，并加入不同粒徑超細碳酸鈣模擬微粒，在巖心流動實驗裝置上對微粒的傷害作用進行了研究，試驗結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，不同粒徑碳酸鈣微粒對巖心的傷害程度不同。粒徑小的顆粒容易堵塞平均孔喉小、滲透率低的巖心；而滲透率高的巖心則對粒徑較大的顆粒敏感。由于在砂巖型鈾礦床中各種孔徑皆有分布[12]，因此不同粒級的固體微粒均可堵塞相應(yīng)孔徑的孔隙，降低礦層滲透性。

圖3 S43-27巖心微粒運移傷害曲線

在實際地浸過程中，由于抽出的液體不同程度含有黏土和沉淀微粒，貯存系統(tǒng)、管道系統(tǒng)可能有銹蝕，離子交換后可能帶有樹脂顆粒，刮風(fēng)會帶來大氣微粒，種種原因?qū)е伦⒁褐写嬖诠腆w顆粒。雖然采用了袋式過濾器進行過濾，但過濾效率較低。中國地浸開采早期采用20 μm的過濾袋，過濾精度高；但過濾袋更換次數(shù)多，現(xiàn)場運行工作量大。現(xiàn)在普遍采用50～200 μm規(guī)格的過濾袋，導(dǎo)致大量微粒進入地層，對井下過濾器段及井周邊地帶造成傷害，降低了注液能力。

針對地浸不同流體中微粒的分布，采用顆粒計數(shù)器對某礦床地浸溶液進行了粒度分析。不同水樣的分析結(jié)果見表1。分析結(jié)果為3次測定的平均值(計數(shù)點)。可以看出，一期浸出液有較多的顆粒微粒，經(jīng)石英砂過濾后，≥2 μm的微粒數(shù)依然有88 058個；但經(jīng)樹脂塔吸附后，微粒數(shù)降至21 969個，降幅達75.0%。對于正常運行的19采區(qū)注液，經(jīng)過浸出液過濾、樹脂塔吸附后，注液中已基本無50 μm以上的微粒，且總的微粒數(shù)也較少，其過濾效率約69.2%。13-0701洗井返排液中的微粒數(shù)量遠遠多于正常運行的浸出劑，且含有較多的大顆粒，其轉(zhuǎn)為正常注液必然會造成較嚴重的堵塞。

表1 不同水樣的微粒分布計數(shù)

浸出劑中固相含量的影響是長期的，其影響作用可能很大。對1個流量為500 m3/h的礦山，如果浸出劑固含量為0.50 g/m3，以年運行8 000 h計，則每年注入地下的固體微粒為2 t，其累積影響不容小視。

2.2 浸出劑與地下水或巖石反應(yīng)產(chǎn)生沉淀而堵塞礦層

在酸法浸出鈾時，浸出劑能夠與礦石中多種礦物發(fā)生反應(yīng)，如方解石、白云石、黃鐵礦、黏土礦物、氧化鐵等。在礦層中流動、反應(yīng)，其水巖相互作用，導(dǎo)致滲流特征發(fā)生變化。其中比較重要的有形成石膏和鐵鋁氫氧化物，離子交換使黏土膨脹和分散[13]，這些變化都將導(dǎo)致礦層堵塞。在常規(guī)酸法浸出中，硫酸與碳酸鈣接觸即開始反應(yīng)，并產(chǎn)生CO2和硫酸鈣(石膏)；CO2氣堵是臨時性的，但石膏的堵塞很難解除。對于高酸耗、高鐵鋁礦床來說，其鐵、鋁化合物的產(chǎn)生，對礦層滲透性影響很大。這主要是鐵鋁沉淀以膠體、絮狀形式存在，很小的量即可產(chǎn)生堵塞，且不易恢復(fù)。

某礦床酸法地浸過程中潛水泵上附著沉淀物的化學(xué)組成見表2。可以看出，酸法地浸工藝的沉淀物以鐵或鋁為主，且硫酸鹽含量較高。

表2 潛水泵上附著沉淀物的化學(xué)組成

對于堿法或中性浸出，其主要的風(fēng)險在于碳酸鈣的形成。由于這些工藝以碳酸氫根為配合劑，且濃度較高，當(dāng)流體中碳酸根、鈣離子濃度超過其溶度積后，即可能產(chǎn)生碳酸鈣沉淀。此外，對于黃鐵礦含量較高的礦床，硫酸根的大量產(chǎn)生，也可能導(dǎo)致生成硫酸鈣沉淀[14]。

需要指出的是，在浸出過程中有時難以區(qū)分化學(xué)沉淀堵塞與固體顆粒堵塞。當(dāng)沉淀物在礦層中堵塞孔道時為化學(xué)堵塞；但通過抽液泵抽至地面，則沉淀物就成了固體顆粒，其作為浸出劑的顆粒物時則是固體顆粒堵塞。

2.3 氣體堵塞

對于加入氣體為溶浸試劑的浸出，特別是采用氧氣且濃度較高時，氣體堵塞作用也是影響抽注液量的重要因素。在巖心流動實驗裝置上，對氧氣作為浸出試劑的傷害進行了研究，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 溶氧浸出劑對巖心S43-68滲透率影響

從圖4可看出，溶氧浸出劑對巖心有不同程度的傷害，溶氧量越高，傷害越嚴重，最終用地層水也不能恢復(fù)。注入溶氧浸出劑后，滲透率普遍降低；而且隨著地層水中溶氧量增大，注入過程中巖心的滲透率下降越明顯。從部分巖心滲透率可恢復(fù)的情況看，溶氧液的傷害主要是氣體堵塞。這部分氣體在氣液兩相中以微小氣泡形式存在，在流動過程中對巖心有一定的傷害；但由于氣泡小，傷害不嚴重，用地層水恢復(fù)時較易恢復(fù)。但是當(dāng)溶氧量較高時，氣泡的量和氣泡尺寸都增大，將導(dǎo)致氣體堵塞加重。如果長期用溶氧液浸出，可能導(dǎo)致堵塞難以恢復(fù)。

在實際生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)，停止加入氧氣，注液量上升、注液壓力下降；反之，氧氣加入量越大，氣堵效應(yīng)越強。

2.4 其他影響因素

影響抽注液量的其他因素還包括抽注液量的瞬間急劇變化，以及礦層黏土的水化分散、膨脹、收縮等。這些因素可能影響礦層的孔隙結(jié)構(gòu)，對滲透性能造成傷害。

地浸采鈾通過抽注作業(yè)將溶解的鈾提升至地面。注液量的瞬間變化造成流體流速的波動，流速的變化增大了流體對孔喉的剪切力，使得孔喉表面顆?；騼?nèi)壁容易碎斷、剝離脫落，分散黏土微粒，從而導(dǎo)致黏土微粒的產(chǎn)生和運移。這種因素對含易分散的高嶺石和伊利石黏土的礦層影響更大。

在浸出過程中，浸出劑長期接觸地層巖石，由于浸出劑中加入了試劑，導(dǎo)致礦層所處環(huán)境發(fā)生變化，打破了黏土表面的離子平衡，造成黏土礦物和硅質(zhì)膠結(jié)物的結(jié)構(gòu)破壞，使黏土水化分散、膨脹。即使不發(fā)生微粒運移，也會使孔喉或孔徑縮小，減小滲流通道。

3 提高抽注液量措施

為保持或提高抽注液量，需要對擬采用浸出方法、礦床滲透性的潛在影響因素進行試驗研究，并采取有針對性的措施。

3.1 研究與地下水、巖層更匹配的浸出劑配方

針對酸耗較高、礦層中含鐵鋁礦物較多的礦床，為避免在酸法浸出過程中產(chǎn)生硫酸鈣、鐵鋁氫氧化物沉淀，需控制適當(dāng)?shù)乃岫龋沽蛩岣鶟舛仍诤侠淼姆秶鷥?nèi)；同時需要研究氧化劑的種類、加入方式、濃度，優(yōu)化浸出工藝，以最大程度減輕化學(xué)沉淀對抽注液量的影響。

3.2 采用高精度過濾裝置

一般認為，外來固相顆粒對地層的傷害有以下特點：1)顆粒一般在近井筒地帶造成的傷害較嚴重；2)顆粒粒徑小于孔徑的1/10且濃度較低時，顆粒侵入深度大，初始傷害程度可能較低，但傷害程度會隨時間的延長而增大；3)對中、高滲透率的砂巖地層來說，外來固相顆粒侵入地層的深度和所造成的傷害程度相對較大[8]12-13。

根據(jù)上述傷害特點，對中國通遼鈾礦床、鄂爾多斯鈾礦床進行了大量的鑄體薄片和壓汞測試，結(jié)果表明孔隙平均直徑普遍小于150 μm，鄂爾多斯鈾礦床孔隙平均直徑小于100 μm。根據(jù)架橋理論[15]，其直徑1/2～1/3的顆粒即50 μm以下的顆粒可以在孔道內(nèi)沉積、架橋，堵塞孔道。

因此，對于浸出劑的過濾，根據(jù)表1的分析結(jié)果并結(jié)合巖心孔徑分布，建議采用高精度的過濾設(shè)備。對于低滲透砂巖鈾礦床，其精度應(yīng)達到2～3 μm[16]；對于滲透性較好的砂巖鈾礦床，建議精度為10 μm。考慮到過濾精度及過濾量，應(yīng)采取二級過濾。從勞動強度來看，全自動反清洗過濾器是應(yīng)用的方向。

3.3 研究洗井技術(shù)

洗井是地浸采鈾最常用的恢復(fù)抽注液量的手段。目前，使用最多的是空氣洗井，也采用了CO2、活塞、酸化[17]、超聲波[18]等洗井技術(shù)。

酸化洗井是利用酸液的化學(xué)溶蝕作用及擠酸時的水力作用,來清除抽注井井筒附近的污染，恢復(fù)地層滲透率；或者通過溶蝕地層巖石膠結(jié)物，以提高滲透率的抽水井增產(chǎn)、注水井增注措施。在石油工業(yè)中，酸化是使用率、成功率最高的增產(chǎn)措施之一[19]。

石油開采與地浸采鈾在經(jīng)濟條件、地層性質(zhì)方面有很大的差異。地浸采鈾不可能采用大型的注酸設(shè)備，對酸化成本也有較嚴格的要求。因此，必須針對砂巖型鈾礦床的地層特點，研究成本低、施工工藝簡單的酸化技術(shù)。

從地浸采鈾實踐來看，酸化洗井也是一項行之有效的恢復(fù)抽注液量的措施，在中國多個礦床都有應(yīng)用。采用注入不同酸液配方，酸化后靜置4～24 h，使酸液基本反應(yīng)完全；而后用空氣提升方式進行返排，直至殘液成中性。表3為部分酸化洗井效果。

表3 酸化洗井效果

表3結(jié)果表明，酸化洗井技術(shù)對地浸采鈾工藝井具有明顯的增抽增注效果，對提高注液井注液能力尤為有效。

4 結(jié)論

提高并穩(wěn)定生產(chǎn)井的產(chǎn)能，是地浸采鈾的技術(shù)關(guān)鍵所在。通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1)合理的浸出劑配方與浸出工藝是防止或減緩浸出過程中出現(xiàn)沉淀的有效手段。應(yīng)對配方與工藝進行大量的化學(xué)與滲透性試驗，以篩選出傷害最小的配方及工藝。

2)浸出劑中固相含量及其粒徑分布是影響抽注液量變化的重要因素。在現(xiàn)有的過濾精度(50～200 μm)下，浸出劑中的固體微粒濃度與含量都可能對礦層造成嚴重的影響。應(yīng)根據(jù)相應(yīng)礦層巖心的孔喉分析結(jié)果，有針對性地確定過濾精度，并在生產(chǎn)過程中嚴格控制浸出劑的固體含量。

3)酸化洗井是增加抽注液量的有效手段。應(yīng)大力研究適合特定礦床的、有效的酸液配方與酸化返排工藝，并降低洗井成本。