地浸采鈾過程中的礦層解堵增滲技術及現場應用

吉宏斌，陽奕漢，孫占學，周義朋

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

地浸采鈾過程中的礦層解堵增滲技術及現場應用

吉宏斌1，2，陽奕漢2，孫占學1，周義朋1

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

地浸；鈾；解堵增滲;化學洗孔

地浸采鈾在地下進行，地下水與圍巖之間的相互作用極為復雜，無論是采用酸法、堿法或CO2+O2中性浸出，開采過程中都存在不容忽視的礦層堵塞問題。礦層堵塞導致鉆孔抽、注液量下降，地浸無法正常進行[1]。

國內某大型可地浸砂巖型鈾礦床的礦體呈多層分布，滲透性低，水文地質條件較復雜，礦石中碳酸鹽含量高且分布不均勻。該礦床工業化開采采用的是CO2+O2中性地浸工藝[2-4]。自試生產以來，已投入采區8個。隨著浸出過程的進行，部分鉆孔出現抽、注液量下降，浸出液中鈣、鎂離子含量升高，潛水泵上出現紅色沉淀物等現象。這些紅色化學沉淀物主要為CaCO3、Fe(OH)3、MgCO3及Al(OH)3，采取常規的空壓機方式洗孔效果不理想，無法滿足穩定生產要求。因此，研究新的洗井方法，解決近井地帶及礦層堵塞問題，對提高礦層滲透性有重要意義。

1 浸出過程中存在的主要問題

1.1 抽、注液量下降

C1及C8采區浸出期間，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，其中C1采區抽液量由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始下降，說明礦層堵塞最先出現在注液井周圍，因注液量下降導致抽液量隨之降低。

圖1 C1及C8采區抽、注液量變化曲線

1.2 注液壓力增大

隨著化學堵塞的出現，各集控室注液壓力不斷增大，已由試生產時的0.4 MPa上升至0.8 MPa，個別采區已上升至1.0 MPa。

1.3 化學堵塞物產生

1.4 洗孔效果不佳

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

1.4.1 水鎖效應

外來液相進入含礦含水層后，會在過濾器周圍孔道中形成液相阻塞，其液-氣或液-油彎曲界面上存在毛細管壓力，毛細管力的大小與多孔介質的尺寸密切相關；氣-水界面張力往往大于油-水界面張力,因此致密氣藏中，毛細管力是氣驅水的主要阻力，液相進入礦層后極易形成水鎖效應，降低礦層滲透性[6]。

1.4.2 黏土膨脹

浸出過程中，礦層中的礦物緩慢溶解，同時新礦物不斷產生。新礦物主要有高嶺土、蒙脫石、蛭石、伊來石、水鋁英石等黏土礦物。各種黏土礦物都會吸水膨脹[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5.4%，其他少數礦物中也含有鐵元素，含鐵礦物在O2作用下轉化成Fe2+/Fe3+向溶液中遷移。Fe3+在pH>3條件下開始沉淀，用鹽酸進行化學洗孔，雖可溶解過濾器及近井地帶含鐵沉淀物，但也會使鉆孔周圍溶液pH發生變化。當pH>3時，原本溶解的游離態的鐵元素會再次沉淀，致使孔道堵塞，洗孔效果降低[8]。

1.4.4 堵塞物溶解不徹底

化學洗孔時，單獨加入鹽酸或硝酸200～300 kg，按理論計算，完全反應條件下能溶解約300 kg碳酸鹽。礦石中碳酸鹽質量分數按10%計，則礦石質量3.0 t。鉆孔過濾器一般長度為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，擴散范圍較小，達不到溶解過濾器附近礦層堵塞物的要求。

2 酸化解堵原理

從機械堵塞及化學堵塞2方面分析礦層的化學堵塞問題，根據大量空壓機洗井數據，初步判斷堵塞主要為化學堵塞，非機械堵塞。根據前期化學洗孔試驗結果，擬利用表面活性劑為前置液，鹽酸為主酸，輔以各種添加劑來配制綜合解堵劑，溶解化學堵塞物并防止二次沉淀及黏土膨脹。主要解堵機制如下：

2AlF3+9H2O+18R+。

酸液進入地層后，主酸首先與過濾器周圍沉積的CaCO3及MgCO3發生反應，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法溶解的黏土礦物，將化學沉淀物及堵塞通道的黏土礦物溶解。

3 試驗結果與討論

選擇生產過程中水量下降嚴重、出現斷流、反復洗孔效果不佳的9個鉆孔(1抽8注)，于2015年10月—2016年2月開展現場酸化解堵增滲試驗。

現場配置4個防腐槽罐，分別用來配制表面活性劑、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，通過洗孔風管直接將試劑注入至過濾器段，注入時間6.0 h左右。注完之后靜止24 h，然后用空壓機洗孔，直至洗孔液pH達到6以上時結束試驗。

根據試劑的不同性能，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對現場3個注液孔進行試驗，利用解堵劑-2對2個注液孔進行試驗，結果分別如圖2、3所示。

表1 解堵劑-1及解堵劑-2的配比

圖2 解堵劑-1洗孔前后水量對比

圖3 解堵劑-2洗孔前后水量對比

現場試驗結果表明：

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

2)解堵劑-1第1次化學解堵后，注液量維持在2.0 m3/h以上時間較短，在3～6 d之間，第2次化學解堵后，注液量高于最初水平，維持在2.0 m3/h以上時間較長，在50 d以上；解堵劑-2化學解堵后，洗孔效果維持時間明顯長于解堵劑-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、鐵離子穩定劑。利用解堵劑-3對現場3個鉆孔進行試驗，利用解堵劑-4對現場1個鉆孔進行試驗，結果分別如圖4、5所示。

現場試驗結果表明：

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

2)化學解堵后，洗孔效果維持時間明顯長于解堵劑-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洗孔前后水量對比

圖5 解堵劑-4洗孔前后水量對比

4 結論

地浸采鈾過程中，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組成發生變化，易形成化學堵塞，主要堵塞物為可溶解的鈣質及鐵質沉淀物。

采用單一的強酸浸泡洗孔，無法取得理想的洗孔效果，因為水-酸-礦相互作用過程會產生水鎖效應、黏土膨脹、鐵離子沉淀等對地層的二次傷害。

解堵劑中加入表面活性劑，可以解除礦層水鎖效應，增加解堵劑與堵塞物的接觸面積，提高解堵劑使用效率；添加鐵離子穩定劑，可避免鐵離子發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，且維持時間達130 d以上。

現場對比試驗結果表明，采用解堵劑-3處理含礦含水層的化學沉淀物，能有效解決礦層堵塞問題，可防止地層二次傷害，在技術及經濟上合理，是礦層解堵增滲的首選解堵劑。

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[3] 王海峰，武偉，湯慶四．新疆某礦床堿法地浸采鈾試驗[J]．鈾礦冶，2007，26(4)：169-173.

[4] 張建國．新疆某砂巖鈾礦堿法地浸加壓溶解氧浸出試驗[J]．鈾礦冶，2004，14(3)：138-142.

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[6] 魏茂偉，薛玉志，李公讓，等.水鎖解除技術研究進展[J].鉆井液與完井液，2009，26(6)：65-68.

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[8] 原青民，劉美祥.油氣田酸化中鈾離子穩定劑的效果及影響因素[J].天然氣工業，1982(4):62-68.

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

國家自然科學基金資助項目(4157020615)。

吉宏斌(1981-)，男，山西大同人，博士研究生，工程師，主要研究方向為地浸采鈾相關地質、水文地球化學技術。

TL212

A

1009-2617(2017)02-0143-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.02.013