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(yè)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(chǎn)探礦工程,又是地浸礦山的開拓采準(zhǔn)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(wǎng)、外套的環(huán)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(wěn)產(chǎn)生的巖屑與化學(xué)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(wǎng)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)、作用和效果等進行的系統(tǒng)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(shù)、被過濾物來源和物性等進行了系統(tǒng)梳理,結(jié)合壓汞試驗、過濾器孔隙直徑計算結(jié)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(zhì)組成包括碎屑、雜基和膠結(jié)物。碎屑分為巖石碎屑和礦物碎屑,巖石碎屑是母巖經(jīng)過機械破碎形成的巖石碎塊,常見花崗巖、火山巖、硅質(zhì)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(xué)沉淀物,多數(shù)屬同生沉積的粉砂和黏土礦物。膠結(jié)物是自生的化學(xué)沉淀物,常見的有碳酸鹽、硅質(zhì),以及一部分鐵質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(yōu)勢粒級大小,其巖性可分為礫巖、砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)巖4類,其中的砂巖類又分為粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖。然而,在自然界中礦石的粒級組成極其復(fù)雜,有時優(yōu)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(xì)砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)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(jié)物等固體物質(zhì)占據(jù)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。孔隙大小與碎屑組成和沉積物的壓密、膠結(jié)作用有關(guān)。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(jié)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(shù)經(jīng)濟指標(biāo)之一,礦層的滲透性是決定鉆孔抽注液量大小的最關(guān)鍵礦床因素;而滲透率是表征巖石滲透性的參數(shù),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(guān)。當(dāng)?shù)V層特別是鉆孔近井地帶孔隙被碎屑、化學(xué)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(nèi)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(shù)見表1(孔喉半徑只統(tǒng)計了對滲透率貢獻值>1%的孔喉),部分巖樣孔隙分布見圖1。可以看出,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。孔喉半徑大,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(shù)Table 1 Pore throat and pore permeability parameters of ore bearing rock samples

2 過濾器建造技術(shù)

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(nèi)置過濾器2大類。

2.1 一體式過濾器建造技術(shù)

無礫料包網(wǎng)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(huán)空灌注,凝固后成井。

無礫料包網(wǎng)過濾器由UPVC過濾管外包2層優(yōu)質(zhì)尼龍過濾網(wǎng)構(gòu)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(huán)空;在下部沉砂管外壁上安裝有導(dǎo)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(wǎng)。尼龍過濾網(wǎng)目數(shù)一般在50～80目,孔眼直徑在180～270μm。早期的尼龍過濾網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(huán)形骨架構(gòu)成(圖3)。安裝到位后使用投礫設(shè)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(xì)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(wǎng)構(gòu)成,材質(zhì)及固定方法同無礫料包網(wǎng)過濾器;改進后的石英礫石過濾器由UPVC過濾管外套環(huán)形骨架構(gòu)成,組裝成型后骨架圓環(huán)間的橫向縫隙寬度為700μm[11]。

圖3 組裝后的環(huán)形骨架Fig. 3 Assembled annular framework

2.2 分體式/內(nèi)置過濾器建造技術(shù)

有機礫石過濾器、陶粒貼礫過濾器屬于分體式/內(nèi)置過濾器,過濾器外徑小于井管內(nèi)徑,需先安裝井管并注漿固井,再從井管內(nèi)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(nèi)壁的設(shè)計位置。

有機礫石過濾器由UPVC過濾管外套環(huán)形骨架構(gòu)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(huán)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(nèi)壁上;然后從井管內(nèi)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(huán)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(zhì)過濾骨架管外貼陶瓷礫石層構(gòu)成(圖5)。目前的應(yīng)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(shù)穿透礦層部位水泥環(huán)和UPVC井管,再從井管內(nèi)下放過濾器和沉砂管組件到設(shè)計位置,將其用膨脹橡膠帶固定在井管內(nèi)壁上[15]。

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

3 鉆孔內(nèi)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(yè)。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(xué)沉淀物,疏通礦層,恢復(fù)鉆孔抽注液能力;該過程鉆孔內(nèi)水位波動幅度大,水力作用強。抽注浸出作業(yè)是從抽液鉆孔抽出浸出液,經(jīng)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(huán)浸出過程,也是浸出液中夾帶的部分粉砂黏土細(xì)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(zhuǎn)會切削、研磨巖石,產(chǎn)生大量巖屑;巖屑由泥漿攜帶返出地面,經(jīng)沉淀、過濾除渣的泥漿會被循環(huán)使用。由于泥漿密度大于地下水密度,且孔內(nèi)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(xì)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(xì)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(fā)生化學(xué)反應(yīng),會產(chǎn)生CaSO4、CaCO3、Al(OH)3、Fe(OH)3等沉淀,引起化學(xué)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(wěn)的粉砂黏土細(xì)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(tài)的O2也可能產(chǎn)生氣堵。含礦層及抽注液鉆孔堵塞,會導(dǎo)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(fù)鉆孔產(chǎn)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(xì)碎屑,在中性地浸中也可能包括非溶解態(tài)O2;中后期抽水洗井析出物主要是化學(xué)沉淀物。抽液鉆孔洗井析出物主要是化學(xué)沉淀物。

在巖石疏松、固結(jié)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(xiàn)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(yè)階段?？妆诳逅m然會產(chǎn)生大量巖屑,短時間內(nèi)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(fù)礦層滲透性。在巖石次疏松、固結(jié)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(wěn)定,水力作用較弱,較少發(fā)生抽液鉆孔孔壁垮塌掉砂現(xiàn)象;注液鉆孔則不會出現(xiàn)垮塌現(xiàn)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(nèi)切球體直徑為dl,當(dāng)?shù)[石呈正方體排列時最不穩(wěn)定,形成的孔隙最大,其直徑dl=0.414Dl;當(dāng)?shù)[石呈斜方體排列時最穩(wěn)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(xì)砂、粉砂和黏土碎屑能夠通過礫石層和尼龍網(wǎng)或環(huán)形骨架,從鉆孔內(nèi)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(wěn)定,大孔隙稍多;經(jīng)過抽水洗井和抽注浸出作業(yè)后,礫石層趨于穩(wěn)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(yè)過程中礫石層和孔壁可能不太穩(wěn)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(jīng)粘合劑粘結(jié)而成。陶粒是以優(yōu)質(zhì)黏土為基料,經(jīng)粉碎、團粒、高溫?zé)贫傻那蛐晤w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(xì)砂巖、中粗砂巖為主;因此陶粒粒徑應(yīng)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(xì)砂、粉砂和黏土碎屑能夠通過貼礫層,從鉆孔內(nèi)析出。

陶粒貼礫層性脆,在裝卸、運輸和安裝過程中,可產(chǎn)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(wǎng)孔隙與過濾能力

尼龍包網(wǎng)孔眼直徑0.180～0.270 mm。裝配好的無礫料包網(wǎng)過濾器的尼龍包網(wǎng)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(wǎng);而小于孔眼直徑的細(xì)砂、粉砂和黏土碎屑能夠直接通過尼龍網(wǎng),從鉆孔內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)過濾器鉆孔,在成井后和產(chǎn)能恢復(fù)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(xiàn)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(xì)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(wěn)定,礦層中失穩(wěn)的粉砂和黏土細(xì)碎屑以及化學(xué)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(zhì)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(zhì)基本沒有隔擋作用。過濾器結(jié)構(gòu)與效果比較見表2。

表2 鉆孔過濾器結(jié)構(gòu)與效果比較Table 2 Comparison of structure and effect of borehole filter

5 結(jié)論

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

1)砂巖鈾礦石膠結(jié)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(huán)形骨架和尼龍包網(wǎng)只有隔擋作用,可隔擋較大直徑碎屑進入鉆孔內(nèi)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。垮塌雖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(fù)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(nèi)水位基本穩(wěn)定,實踐中少見孔壁垮塌現(xiàn)象。所有過濾器對礦層中失穩(wěn)的粉砂黏土碎屑和化學(xué)沉淀基本沒有隔擋作用。