地浸采鈾鉆孔過濾器建造與過濾機理研究

姚益軒,王亞安,胥國龍,王 興,張友澎,王立民

(核工業北京化工冶金研究院,北京 101149)

鉆孔是地浸采鈾最基本、最重要的工程,它既是揭露礦體的生產探礦工程,又是地浸礦山的開拓采準工程。鉆孔是浸出劑和浸出液進出礦體的唯一通道,過濾器是溶液進出礦體的過水部位。狹義的過濾器是指打眼或割縫后的過濾管和外包的尼龍網、外套的環形骨架或陶粒貼礫層,廣義的過濾器還包括礦層部位孔壁和過濾器之間充填的礫石層。過濾器的主要作用是隔擋或隔濾在抽注浸出過程中因孔壁垮塌、掉砂和礦層中失穩產生的巖屑與化學沉淀物,減少浸出液中碎屑的夾帶量,提高潛水泵使用壽命和樹脂床的吸附能力。

在中國地浸采鈾工程中施工了大量無礫料包網過濾器、石英礫石過濾器、有機礫石過濾器、陶粒貼礫過濾器等型式的鉆孔,對各種過濾器型式的鉆孔結構及其施工工藝也有報道[1-5],開展了地浸采鈾鉆孔過濾器對溶液滲流影響的數值模擬[6];但對被過濾物的物性、來源、遷移,以及過濾器的建造、結構、作用和效果等進行的系統研究較少。筆者針對中國地浸采鈾鉆孔常用的過濾器型式、建造技術、被過濾物來源和物性等進行了系統梳理,結合壓汞試驗、過濾器孔隙直徑計算結果,評價了不同過濾器的過濾效果,揭示了過濾器的過濾機理。

1 砂巖鈾礦石物性與孔隙特征

1.1 物性特征

砂巖鈾礦石屬于陸源水成沉積碎屑巖,物質組成包括碎屑、雜基和膠結物。碎屑分為巖石碎屑和礦物碎屑,巖石碎屑是母巖經過機械破碎形成的巖石碎塊,常見花崗巖、火山巖、硅質巖碎屑等;礦物碎屑主要有石英、長石、少量云母和重礦物碎屑。雜基是粒度小于0.031 5 mm的非化學沉淀物,多數屬同生沉積的粉砂和黏土礦物。膠結物是自生的化學沉淀物,常見的有碳酸鹽、硅質,以及一部分鐵質礦物等。

砂巖鈾礦石通常由多種粒徑(ds)的碎屑組成,按照自然粒級標準可以將碎屑分為礫石(ds>2.0 mm)、粗砂(2.0 mm≥ds>0.5 mm)、中砂(0.5 mm≥ds>0.25 mm)、細砂(0.25 mm≥ds>0.05 mm)、粉砂(0.05 mm≥ds>0.005 mm)、黏土(ds≤0.005 mm)。按照優勢粒級大小,其巖性可分為礫巖、砂巖、粉砂巖和泥質巖4類,其中的砂巖類又分為粗砂巖、中砂巖、細砂巖。然而,在自然界中礦石的粒級組成極其復雜,有時優勢粒級并不明顯,因此常見礫巖、砂礫巖、粗砂巖、中粗砂巖、中砂巖、中細砂巖、細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖和泥巖等。

1.2 孔隙特征

孔隙是碎屑巖中未被碎屑、雜基及膠結物等固體物質占據的空間,是巖石中流體的儲集空間和流體在巖石中滲流的通道;它可能是原生堆積保留下來的粒間孔隙,也可能是后生期礦物被淋濾而形成的次生孔隙?？紫洞笮∨c碎屑組成和沉積物的壓密、膠結作用有關。一般來說,大顆粒碎屑組成的沉積物的孔隙往往較大,分選性差的碎屑的孔隙較小;隨著壓密和膠結作用增強,孔隙也會變小。

鉆孔抽注液量大小是地浸采鈾最重要的技術經濟指標之一,礦層的滲透性是決定鉆孔抽注液量大小的最關鍵礦床因素;而滲透率是表征巖石滲透性的參數,與巖石的孔隙度(孔隙空間體積與巖石總體積的比)密切相關。當礦層特別是鉆孔近井地帶孔隙被碎屑、化學沉淀物、氣體堵塞后,滲透性會降低,鉆孔抽注液量會變小。

從云南TC、內蒙古SS和TL鈾礦床采取含礦層巖石圓柱狀樣通過壓汞試驗、孔隙度和滲透率測試,得到的孔喉及孔滲參數見表1(孔喉半徑只統計了對滲透率貢獻值>1%的孔喉),部分巖樣孔隙分布見圖1?？梢钥闯?巖石的孔喉半徑分布范圍廣,最小的僅有0.016 μm,最大的不超過16 μm,其中微喉道(0.5～0.025 μm)和吸附喉道(<0.025 μm)[7]對滲透率基本沒有貢獻?？缀戆霃酱?孔隙度和滲透率就高,相對較大的孔喉對滲透率的貢獻大。

表1 含礦層巖樣孔喉及孔滲參數Table 1 Pore throat and pore permeability parameters of ore bearing rock samples

2 過濾器建造技術

按照過濾器與井管連接方式不同,可將地浸采鈾鉆孔過濾器分為一體式過濾器和分體式/內置過濾器2大類。

2.1 一體式過濾器建造技術

無礫料包網過濾器、石英礫石過濾器[8-10]屬于一體式過濾器。過濾器與上部井管和下部沉砂管之間通過絲扣連接,隨井管依次安裝,形成緊密連接的整體,固井水泥漿通過注漿管從孔壁與井管之間的環空灌注,凝固后成井。

無礫料包網過濾器由UPVC過濾管外包2層優質尼龍過濾網構成(圖2)。安裝到位后在孔壁與過濾器之間沒有充填礫石;在與過濾器連接的上部井管外壁上安裝有分隔裝置,用于分隔水泥漿與過濾器及沉砂管外環空;在下部沉砂管外壁上安裝有導中器,與分隔裝置共同保護過濾器,避免在下管過程中因過濾器與孔壁之間的摩擦損壞過濾網。尼龍過濾網目數一般在50～80目,孔眼直徑在180～270μm。早期的尼龍過濾網用尼龍繩人工捆扎固定,費時且固定強度有限;改進后的尼龍過濾網采用自鎖式尼龍扎帶固定,方便且固定強度大幅提高,每股尼龍扎帶間隔100～150 mm。

圖2 無礫料包網過濾器Fig. 2 Filter of graval free mesh

石英礫石過濾器由UPVC過濾管外套環形骨架構成(圖3)。安裝到位后使用投礫設施向孔壁與過濾器、沉砂管之間充填2～5 mm的石英礫石。礫石層上一般需要投入少量細粉砂,沉降后形成自然分隔層,再注漿固井。早期的石英礫石過濾器由UPVC過濾管外包2層尼龍過濾網構成,材質及固定方法同無礫料包網過濾器;改進后的石英礫石過濾器由UPVC過濾管外套環形骨架構成,組裝成型后骨架圓環間的橫向縫隙寬度為700μm[11]。

圖3 組裝后的環形骨架Fig. 3 Assembled annular framework

2.2 分體式/內置過濾器建造技術

有機礫石過濾器、陶粒貼礫過濾器屬于分體式/內置過濾器,過濾器外徑小于井管內徑,需先安裝井管并注漿固井,再從井管內下放過濾器和沉砂管組件,通過膨脹橡膠帶或封隔坐封器將其固定在井管內壁的設計位置。

有機礫石過濾器由UPVC過濾管外套環形骨架構成。鉆孔全段先安裝井管并注漿固井,然后采用鍛洗鉆具整體切割礦層部位水泥環和UPVC井管,再安裝過濾器、沉砂管與反向填礫裝置組件[12],并用封隔坐封器將其固定在井管內壁上;然后從井管內下入投礫管,使其連接到沉砂管底端的帶單向閥的反向填礫裝置上[13],向過濾器和沉砂管外環空投入有機礫石。礫石材料為高密度聚乙烯(HDPE)塑料(圖4),顆粒直徑2～5 mm,密度0.91～0.97 g/m3。

圖4 聚乙烯礫料Fig. 4 Polyethylene gravel

陶粒貼礫過濾器由UPVC/鋼質過濾骨架管外貼陶瓷礫石層構成(圖5)。目前的應用實例是在礦層之上先安裝井管并注漿固井,礦層部位為裸眼鉆孔[14];或全孔先安裝井管并注漿固井,采用水力噴砂割縫技術穿透礦層部位水泥環和UPVC井管,再從井管內下放過濾器和沉砂管組件到設計位置,將其用膨脹橡膠帶固定在井管內壁上[15]。

圖5 陶粒貼礫過濾器Fig. 5 Filter of porcelain granule pre-coated

3 鉆孔內析出物分析

地浸采鈾鉆孔在成井后,會有抽水洗井和抽注浸出作業。通常采用壓縮空氣間歇式抽水洗井,從沉砂管、過濾器及其近井地帶中抽出碎屑和化學沉淀物,疏通礦層,恢復鉆孔抽注液能力;該過程鉆孔內水位波動幅度大,水力作用強。抽注浸出作業是從抽液鉆孔抽出浸出液,經離子交換樹脂吸附鈾,吸附尾液添加試劑后再從注液鉆孔注入礦層中的循環浸出過程,也是浸出液中夾帶的部分粉砂黏土細碎屑從抽液鉆孔遷移到注液鉆孔的過程。

3.1 成井后抽水洗井

鉆孔施工中,會用水、膨潤土和添加劑配制鉆井泥漿,用于攜沙、護壁、冷卻和潤滑鉆頭;鉆頭旋轉會切削、研磨巖石,產生大量巖屑;巖屑由泥漿攜帶返出地面,經沉淀、過濾除渣的泥漿會被循環使用。由于泥漿密度大于地下水密度,且孔內泥漿水位一般高于地下水水位;因此在液柱壓力作用下,泥漿和巖屑會附著在孔壁上形成濾餅(俗稱“泥皮”),保護孔壁,濾液及其攜帶的粉砂黏土細碎屑會深入含礦層近井帶[16],污染礦層,降低滲透性。成井后必須進行抽水洗井,以破壞井壁泥皮,抽出深入礦層近井帶中的細碎屑和泥漿。

3.2 抽注浸出過程及抽水洗井

在抽注浸出過程中,溶液與礦石發生化學反應,會產生CaSO4、CaCO3、Al(OH)3、Fe(OH)3等沉淀,引起化學堵塞。由于抽液鉆孔動水位低于含礦層中的水位,抽液是含礦層地下水壓力的釋放過程,在水力作用下礦層中失穩的粉砂黏土細碎屑被浸出液夾帶,遷移到注液鉆孔,形成機械堵塞。在中性地浸中,非溶解態的O2也可能產生氣堵。含礦層及抽注液鉆孔堵塞,會導致抽注液能力下降,這是地浸采鈾過程難以避免的問題,通過抽水洗井可在一定程度上恢復鉆孔產能。

注液鉆孔一般先于抽液鉆孔堵塞,初期抽水洗井析出物主要包括源自抽液鉆孔的粉砂黏土細碎屑,在中性地浸中也可能包括非溶解態O2;中后期抽水洗井析出物主要是化學沉淀物。抽液鉆孔洗井析出物主要是化學沉淀物。

在巖石疏松、固結程度低、過濾器部位沒有礫石支撐的裸眼孔壁和井管破損部位,孔壁容易垮塌掉砂,垮塌掉砂多出現在抽水洗井,特別是成井后的抽水洗井以及頻繁啟停抽注浸出作業階段?？妆诳逅m然會產生大量巖屑,短時間內涌砂量大、洗井難度增加;但可以徹底破壞孔壁泥皮,快速解除近井地帶堵塞,恢復礦層滲透性。在巖石次疏松、固結程度較高,或過濾器部位充填礫石支撐且充填密實的鉆孔,孔壁不易垮塌掉砂。在正常的抽注浸出過程中,由于溶液流向固定,流量基本穩定,水力作用較弱,較少發生抽液鉆孔孔壁垮塌掉砂現象;注液鉆孔則不會出現垮塌現象。

4 過濾器孔隙與過濾效果比較

4.1 礫石濾層孔隙與過濾能力

石英礫石和有機礫石過濾器的過濾能力取決于礫石濾層的孔隙直徑。假定礫石為等粒圓球體,直徑為Dl,礫石層孔隙的內切球體直徑為dl,當礫石呈正方體排列時最不穩定,形成的孔隙最大,其直徑dl=0.414Dl;當礫石呈斜方體排列時最穩定,形成的孔隙最小,其直徑dl=0.155Dl[17]。過濾器部位充填的礫石粒徑通常為2～5 mm,按照等粒圓球體粒徑中值且呈斜方體排列,孔隙直徑為0.543 mm;最大粒徑且呈正方體排列時,最大孔隙直徑為2.070 mm;最小粒徑且呈斜方體排列時,最小孔隙直徑為0.310 mm。

在自然界中,顆粒的排列方式常介于正方體排列和斜方體排列之間,礫石層孔隙大小兼而有之,厚度一般>35 mm。因此,礫石層具有隔濾作用,即粒徑大的碎屑被隔擋在礫石層之外,不能進入礫石層;而粒徑中等的碎屑,雖然能夠進入礫石層,嵌入礫料孔隙中,但不能通過礫石層;理論上只有粒徑<0.310 mm的中砂、細砂、粉砂和黏土碎屑能夠通過礫石層和尼龍網或環形骨架,從鉆孔內析出。

石英礫石由采掘的巖塊破碎而成,磨圓度差,充填初期礫石層不太穩定,大孔隙稍多;經過抽水洗井和抽注浸出作業后,礫石層趨于穩定,小孔隙更多,過濾效果更好。有機礫石是用高密度聚乙烯原料人工合成的,分選性和磨圓度好;相比石英礫石層,孔隙偏大且密度小,難以充填密實,在抽水洗井和抽注浸出作業過程中礫石層和孔壁可能不太穩定,過濾效果稍差。

4.2 陶粒貼礫層孔隙與過濾能力

陶粒貼礫過濾器以UPVC塑料管或鋼管作襯管,以陶粒作濾料,經粘合劑粘結而成。陶粒是以優質黏土為基料,經粉碎、團粒、高溫燒制而成的球形顆粒,它的主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3等[18]。陶粒粒徑可以與含水層碎屑粒徑匹配,砂巖鈾礦石巖性主要以中細砂巖、中粗砂巖為主;因此陶粒粒徑應以2～4 mm為主體,按比例混合1～2 mm的陶粒,按照粒徑中值且呈斜方體排列計算,其孔隙直徑dl=0.388 mm,最大孔隙直徑為1.656 mm,最小孔隙直徑為0.155 mm。陶粒貼礫層厚度在15 mm左右,具有與礫石層類似的隔濾作用,理論上只有粒徑<0.155 mm的細砂、粉砂和黏土碎屑能夠通過貼礫層,從鉆孔內析出。

陶粒貼礫層性脆,在裝卸、運輸和安裝過程中,可產生微裂隙和碎裂;膨脹橡膠帶固定強度也有限,滑脫、受損或老化后,過濾器可能會失去封隔和隔濾作用。

4.3 尼龍包網孔隙與過濾能力

尼龍包網孔眼直徑0.180～0.270 mm。裝配好的無礫料包網過濾器的尼龍包網孔眼分布基本均勻,孔眼直徑大致相同,只具有隔擋作用,即大于孔眼直徑的碎屑不能通過尼龍網;而小于孔眼直徑的細砂、粉砂和黏土碎屑能夠直接通過尼龍網,從鉆孔內析出。

4.4 過濾效果比較

綜合以上分析可知,陶粒貼礫過濾器、充填密實的石英礫石和有機礫石過濾器具有隔濾作用,其孔隙直徑隨時間延長會逐漸變小,總體過濾效果好;無礫料包網過濾器只具有隔擋作用,過濾效果差。

礦層部位為裸眼的陶粒貼礫過濾器、充填不密實的石英礫石和有機礫石過濾器以及無礫料包網過濾器鉆孔,在成井后和產能恢復性抽水洗井過程中,或者在鉆孔抽注頻繁啟停的情況下,孔壁可能會垮塌掉砂,浸出液中夾帶的巖屑較多;但割縫開窗的貼礫過濾器鉆孔孔壁裸露面積小,跨塌掉砂現象不明顯。

砂巖鈾礦層巖石最大孔喉直徑0.032 mm(表1、圖1),只有粉砂和黏土細碎屑能夠在水力作用下遷移。在正常的抽注浸出過程中,孔壁相對穩定,礦層中失穩的粉砂和黏土細碎屑以及化學沉淀物的直徑遠小于過濾器最小孔隙直徑,理論上這些物質都能通過過濾器從鉆孔中析出。因此,各種型式過濾器對這些物質基本沒有隔擋作用。過濾器結構與效果比較見表2。

表2 鉆孔過濾器結構與效果比較Table 2 Comparison of structure and effect of borehole filter

5 結論

過濾器的選用與礦床條件、鉆孔結構及其施工工藝有關。單從被過濾物、過濾機理和效果分析,主要結論如下:

1)砂巖鈾礦石膠結疏松、次疏松,最大孔喉直徑0.032 mm,在水力作用下只有粉砂和黏土碎屑能夠在巖石孔隙中遷移。

2)礫石層和貼礫層具有隔濾作用,在運行過程中孔隙直徑會進一步變小,過濾作用增強,但滲透性會減弱。環形骨架和尼龍包網只有隔擋作用,可隔擋較大直徑碎屑進入鉆孔內的過濾層。

3)過濾器部位沒有充填礫石或充填不密實的鉆孔,孔壁可能會垮塌掉砂?？逅m然增大了涌砂量和洗井的難度;但可以徹底破壞孔壁泥皮,快速解除近井地帶堵塞,有利于恢復地層滲透性。

4)在正常的抽注浸出過程中,溶液流向固定,抽注液量和孔內水位基本穩定,實踐中少見孔壁垮塌現象。所有過濾器對礦層中失穩的粉砂黏土碎屑和化學沉淀基本沒有隔擋作用。