低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透高效開采新模式

白 鑫 駱桂君 王 艷 曾 晟 薛希龍 馮倪立

（1.南華大學資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；3.南華大學經濟管理與法學學院，湖南 衡陽 421001）

鈾資源是國家戰略資源，是核工業發展的基礎。安全穩定的鈾資源供應，對保障我國國家安全，促進核工業可持續健康發展具有重要意義［1］。近年來，隨著核電技術不斷發展，作為綠色能源的核電技術在世界范圍內迅猛發展，對鈾礦資源的需求也與日俱增［2］。地浸采鈾工藝是集采、選、冶于一體的開采工藝，與其他常規采礦方法相比具有明顯的優勢［3］。到2020年，地浸采鈾技術產能已占我國天然鈾產能的90%以上［4］。2005年，國防科工委發布的《地浸砂巖型鈾礦水文地質勘察規范》（EJ/T 1194—2005），明確指出地浸采鈾技術僅適用于滲透系數為0.5～10.0 m/d，且具有穩定隔水頂底板的疏松砂巖礦床［5］。蘇學斌等［6］指出我國鈾礦資源不豐富，僅有41.57%為可地浸開采的砂巖型鈾礦，礦石滲透系數小于0.5 m/d的致密儲層占砂巖型資源儲量的70%以上，迫切需要加強低滲透砂巖型鈾資源高效開采技術攻關［6］。根據國際原子能機構發布的《2020年鈾資源、生產和需求》報告，2019年我國核電領域鈾需求量為9 200 t，而國內鈾產量僅為1 600 t，對外依賴度已超過80%，嚴重影響了我國核工業的可持續發展［2］。可見，如何有效提高低滲透砂巖鈾礦儲層的滲透性已成為我國千噸級鈾礦基地建設的核心技術。

為改善低滲透砂巖鈾礦儲層的滲透性，TAN［7］、劉玉龍等［8］通過柱浸試驗表明，在浸出液中加入不同濃度的表面活性劑可使含礦層的滲透系數提高42.7%～88.6%。杜志明等［9］研究表明，15 kW大功率超聲波解堵增滲技術對砂巖鈾礦抽注孔具有解堵增滲作用，可以改善地層的滲透性和聯通性。王偉等［10］提出了低滲透砂巖型鈾礦床爆破增滲方法，開展了低滲透砂巖型鈾礦床爆破增滲初步模型試驗和優化模型試驗及模型滲透性試驗，發現爆破后模型滲透率由4.62×10-5D增加至0.002～0.086 D，提高了42～1 858倍。文獻［7-8］采用化學方法改善了儲層與溶浸液的侵水性，提高了溶浸液進入礦層的數量；文獻［9］通過物理方法清除了鈾礦層化學沉淀堵塞，從而改善了礦層滲透性；文獻［10］通過爆生氣體沖擊波對礦層進行破壞，增加儲層的裂隙含量，但由于砂巖鈾礦儲層特殊的水文地質條件及開采工藝要求，爆破瞬間釋放能量大，可能會導致頂底板破壞，形成優勢流通道，因此亟需對低滲砂巖鈾礦致裂增透技術進行研究。

液態CO2相變致裂技術是利用CO2瞬間受熱氣化膨脹，產生高壓氣體射流進行巖石致裂破碎的一種物理爆破方法，克服了以往用炸藥爆破致裂存在的破壞性大、危險性高等缺點，已被廣泛應用于低透煤層致裂增滲、臨近建筑土石方開挖等工程［11］。2014年，董慶祥等［12］對Cardox系統進行了改進，提出了液態CO2相變致裂增透技術，理論分析及現場實踐驗證了該技術的煤層致裂增透效果。近年來，張東明［13-14］等建立了液態CO2相變氣體射流壓力模型，分析了液態CO2相變射孔破巖力學機理，提出了煤層液態CO2相變定向射孔致裂優勢方向判斷方法。針對我國低滲砂巖型鈾礦地浸高效開采需求，在前期低滲煤層液態CO2相變致裂增透技術理論及應用研究的基礎上，本研究提出了采用液態CO2相變致裂技術進行低滲含鈾砂巖儲層改造增滲的技術模式，即利用液態CO2相變致裂技術，在地浸采鈾抽、注液孔之間產生大量的聯通裂隙，增加溶浸液與鈾礦石之間的接觸面積，提高低滲透鈾礦儲層的滲流能力。在系統分析砂巖型鈾礦地浸采鈾技術現狀、地浸開采滲透率的主要影響因素及現有處理技術的基礎上，結合液態CO2相變致裂技術原理，分析了該技術的TNT當量，根據爆破工程相關理論，計算了液態CO2相變致裂技術影響半徑。結合CO2+O2地浸開采工藝，提出了低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透地浸采鈾技術流程，采用自主研發的液態CO2相變致裂實驗裝置，開展了巖石試件致裂破壞試驗，并進一步分析了該技術用于破巖致裂的可行性。

1 砂巖型鈾礦CO2+O2地浸開采工藝及影響因素

1.1 地浸采鈾技術概況

地浸采鈾是在天然產狀條件下，通過地表鉆孔將溶浸液注入礦床，與礦石中的有用礦物發生化學反應，生成可溶性化合物在擴散、滲流作用下離開化學反應區，進入沿礦層滲透遷移的溶浸液［15］。溶浸液經過礦層從另外的鉆孔提升至地表，抽出后輸送至回收車間進行離子交換等工藝處理，最后得到合格產品，地浸采鈾工藝流程如圖1所示。

地浸采鈾工藝可避免常規采礦方法中巷道開拓、回采、通風、礦石運輸等復雜工序，具有流程簡單、投資少、建設周期短、產品成本低、有利于環境保護和安全生產等優點。目前，常用的地浸采鈾工藝主要有酸法地浸、堿法地浸、CO2+O2地浸。

（1）酸法地浸。酸法浸出是利用硫酸和鈾能夠發生化學反應的特性，使礦床中的鈾溶解在含酸性溶浸液中成為浸出液。酸法地浸工藝溶浸液和鈾礦石的化學反應劇烈，鈾的浸出速度快、濃度高、周期短、回收率高。酸法地浸工藝的缺點為［16］：①浸出液成分復雜，水冶難度大；②地下水污染風險大，修復困難；③儀器管路腐蝕嚴重。

（2）堿法地浸。堿法地浸利用HCO3-與六價鈾反應生成易溶解絡合物的原理，采用Na2CO3、NaHCO3、（NH4）2CO3、NH4HCO3等作為溶浸液［17］。堿法地浸工藝比酸法浸出選擇性好，Ca、Me、Fe、Al等元素在堿性浸出環境下很難溶解，堿性浸出液的腐蝕性較小。該工藝適用于碳酸鹽含量較高的礦床，不足之處在于浸出率較低、浸出時間長。

（3）CO2+O2地浸。CO2+O2地浸采鈾工藝是在堿法地浸基礎上發展起來的第三代鈾礦采冶技術，是在自然埋藏條件下，通過注入CO2+O2溶浸液，將非溶性鈾（IV）氧化為可溶鈾（VI），形成絡合陰離子，隨浸出液抽出地表［18］。由于CO2+O2地浸方法具有生產成本低、地下水污染風險低、腐蝕性較小、浸出液鈾濃度穩定等優點，因此該工藝已成為國內外砂巖型鈾礦的主要開采方式。

1.2 砂巖型鈾礦CO2+O2地浸開采滲透率影響因素

CO2+O2地浸開采滲透率的主要影響因素有［3，6，10，16］礦層滲透性、化學沉淀堵塞等。

（1）礦層滲透性。CO2+O2地浸開采過程中，含鈾礦層的滲透性是決定浸出效率的重要因素。受礦層礦物成分、孔隙結構、黏土及其他膠結物等因素影響，含鈾砂巖礦層多為低滲透性儲層［10］。以內蒙古某盆地含鈾砂巖地浸開采遠景區為例，該區域砂巖型鈾礦礦物成分以石英、鉀長石和鈉長石為主，多為灰色疏松或次疏松結構，發育有以蒙脫石、綠泥石、高嶺石等黏土礦物為主的孔隙式膠結，遇水后黏土礦物膠結物體積膨脹，嚴重降低了礦層的滲透性［3，9-10］。孔徑分析表明，該區域礦層孔隙度為15.5%～20.1%，孔喉半徑為2.95～4.07 μm，平均孔喉半徑僅為3.45 μm，因此礦層的低孔隙度、低孔喉分布也是造成滲透率低的因素之一。

（2）化學沉淀堵塞。CO2+O2地浸開采過程中化學沉淀主要受浸出過程中溶浸液與礦層中的礦物質一系列化學反應影響。由于含鈾砂巖礦層中分布大量碳酸鹽礦物質，CO2+O2地浸開采過程中，CO2與碳酸鹽反應生成HCO3-的同時，也產生了大量的Ca2+、Mg2+離子，在礦層中形成鈣、鎂沉淀，堵塞礦層中溶浸液運移通道［16，19］。另一方面，礦層中黃鐵礦與氧化劑O2反應生成鐵離子，在一定的酸性條件下水解形成氫氧化鐵沉淀，堵塞孔隙。由此可見，化學沉淀會堵塞礦層孔隙，減少溶浸液運移通道，嚴重影響礦層的滲透性，從而影響了地浸開采效率。

1.3 提高CO2+O2地浸開采砂巖滲透性的方法

（1）堵塞產生。抑制堵塞產生主要的措施有［16］：①合理控制CO2、O2用量，控制礦層中碳酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鐵沉淀。但此方法在應用過程中會降低氧化劑氧化鈾的效率，影響浸出鈾的效率。②降低鈣鎂離子濃度，采用陽離子交換樹脂來降低Ca2+、Mg2+離子的濃度，減少化學沉淀。該方法的不足為，長時間離子吸附后，會增加地下水中其他離子濃度，引起黏土膨脹問題。③降低礦化度，通過向礦層注入淡水，控制溶浸液pH值，降低碳酸鈣沉淀，但對于淡水缺乏的我國北方地區，此方法不適用。

（2）鉆孔洗井。在CO2+O2地浸開采過程中，在化學反應作用下，產生的沉淀不斷積累，會造成礦床滲透率降低。以往的鉆孔洗井技術是采用強酸浸泡洗孔，但由于強酸作用下會對礦層產生二次傷害，如產生水鎖效應、鐵離子沉淀、黏土膨脹等問題。目前常用的鉆孔洗井解堵方法是利用表面活化劑作為前置液，鹽酸為主酸與其他各類添加劑配置形成綜合解堵劑，預防鐵離子沉淀，并防止黏土礦物膨脹［7-8］。

（3）深孔爆破。深孔爆破增透技術已在煤層氣、石油開采領域進行了廣泛應用，但在低滲砂巖型鈾礦增透方面還處于試驗研究階段［10］。該技術原理為利用爆破產生的爆炸沖擊波使得巖體產生裂紋，利用微差爆破產生大反射拉伸波場，使得破壞裂隙進一步破碎；且爆破生成的高溫高壓氣體進入巖體致裂裂隙，在應力集中作用下，裂紋尖端持續擴展，使得微裂隙貫通形成聯通裂隙，從而提高低滲透礦層的滲透性［10］。該技術應用過程中由于釋放能量大，會導致礦層頂底板隔水層破壞，造成溶浸液滲透進入地下水，造成水體污染，因此目前該技術還處于理論研究階段，尚未在鈾礦地浸開采中進行工業應用。

2 低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透原理及影響半徑

2.1 液態CO2相變致裂技術原理

液態CO2相變致裂器主要由釋放管、儲液管、定壓破裂片、發熱器、通纜鉆桿、封孔器及其他配件組成（圖2）。其中，儲液管直徑為150 mm，長度為1 100 mm；破裂片閾值壓力為276 MPa。該技術的原理為：將內含液態CO2、發熱器的致裂器置于低滲砂巖型鈾礦儲層，接通電流啟動發熱器，管內CO2迅速從液態轉化為氣態，使其壓力劇增，高壓液態CO2沖破定壓剪切片迅速轉化為氣態，體積膨脹600多倍［11］；高壓CO2氣體通過釋放管的排放孔，形成高壓CO2氣體射流，作用于孔壁，使砂巖型鈾礦儲層產生張拉裂隙，致使儲層破碎。

2.2 液態CO2相變致裂當量理論計算

根據液態CO2相變致裂技術原理可知，該技術是一個物理變化過程，該過程所釋放的能量主要與氣體壓力、容器容積以及介質在容器內的相態有關。目前對于介質全部為液體、液化氣體與高溫飽和水、壓縮氣體3種物理狀態的相變爆炸能量計算方法較為常用［12］。在液態CO2相變致裂過程中，儲液管內液態CO2瞬間受熱膨脹，處于壓縮氣體狀態，當其壓力大于定壓破裂片額定壓力后，產生相變爆炸，忽略液態CO2受熱氣化過程做功，由壓縮氣體相變爆炸能量計算方法得到液態CO2相變致裂器釋放的爆破能量為［12］

式中，Eg為氣體的爆破能量，kJ；V為容器的容積，m3；p為容器內絕對壓力，MPa；k為絕熱系數，液態二氧化碳氣體k=1.295。

本研究使用的定壓泄能片的破裂壓約276 MPa，儲液管的容積約4.99 L（儲液管內徑為76 mm，長度為1.1 m），能夠啟動致裂的裝液量約1.46 kg。利用式（1）計算的液態CO2相變致裂裝置釋放的能量近似為4 658.67 kJ。

液態CO2相變致裂技術的TNT當量WTNT可進行如下計算：

式中，QTNT為1 kg TNT炸藥的爆炸能，取4 250 kJ/kg。

經式（2）計算，該型儲液管的致裂當量為1.10 kg TNT。

2.3 液態CO2相變致裂影響半徑理論計算

2.3.1 液態CO2相變致裂裂隙區形成過程

孔內液態CO2相變致裂器啟動后，相變膨脹形成高壓氣體沖擊波，直接作用在砂巖鈾礦孔壁上，使得砂巖鈾礦破裂形成預裂破碎區。之后，沖擊波經過衰減，能量不斷減小，高壓氣體進入破碎裂隙及原生裂隙，使得破碎區尖端裂紋繼續擴展，形成交叉裂隙網，即裂隙區，整個過程如圖3所示。

2.3.2 液態CO2相變致裂裂隙區半徑理論分析

由上述分析可知：液態CO2相變致裂TNT當量為1.10 kg，致裂器長度為2.7 m，直徑150 mm，鉆孔直徑210 mm。本研究將液態CO2相變致裂等效為TNT孔內爆炸，根據炸藥爆破工程中不耦合裝藥條件下的相關理論進行致裂裂隙區半徑計算。

（1）破粉碎區半徑。液態CO2相變致裂器在孔內啟動后，會在孔內形成高壓氣體沖擊波。由于沖擊波的強度遠大于孔壁砂巖鈾礦巖體的抗壓強度，巖體將被強烈壓縮粉碎，形成壓碎圈。根據TNT當量計算結果，結合彈性力學及斷裂力學相關理論，可以得到破碎區半徑為［20］

式中，Rc為破碎區半徑，m；ρ0為等效裝藥密度，根據TNT當量與致裂器封孔器隔斷部分鉆孔空間體積計算得到，取15.12 kg/m3；D為TNT爆速，取3 600 m/s；n為爆轟產物碰撞炮孔壁的壓力增大系數，取10；K為裝藥徑向不耦合系數，K=db/dc；dc為致裂器直徑，取0.15 m；db為鉆孔直徑，取0.21 m；γ為膨脹絕熱指數，取1.29；le為裝藥軸向不耦合系數，取0.53；α為載荷傳播衰減指數，α=2+μd/(1-μd)；μd為砂巖鈾礦巖體動態泊松比，取0.16；σcd為砂巖鈾礦巖體動態抗壓強度，取21 MPa；b為側向應力系數，b=μd/(1-μd)。

（2）裂隙區半徑。液態CO2相變膨脹產生的沖擊波在傳遞過程中逐漸衰減。衰減后的高壓氣體對孔壁圍巖產生切向拉伸作用，當切向拉伸強度大于巖體抗拉強度時，產生的徑向裂隙區半徑為［20］

式中，σR為徑向應力，MPa，；σtd為砂巖鈾礦巖體的動態抗拉強度，5 MPa；β為應力波向外傳播的衰減指數，β=2-μd/(1-μd)。

根據式（3）、式（5）計算的液態CO2相變致裂破粉碎區半徑Rc=0.28 m，裂隙區半徑Rp=6.25 m，故液態CO2相變致裂影響半徑R為6.53 m。

3 低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透技術特征

3.1 技術優勢及工藝流程

CO2+O2地浸采鈾工藝流程主要分為［3，6］：①鉆孔施工；②將配制的溶浸液通過注液孔注入礦層；③溶浸液在礦層中滲透運移，與鈾礦物發生化學反應；④浸出液通過抽液鉆孔抽出地表。在上述工藝流程中，影響CO2+O2地浸采鈾效率的主要是流程③，主要影響因素為含鈾砂巖滲透率、溶浸過程中產生的化學沉淀堵塞。目前的增透技術主要針對化學沉淀堵塞進行處理［16，19］，如抑制堵塞產生、鉆孔洗井等技術，但該類技術無法有效提高礦層本身的滲透率。深孔爆破增透技術雖然具有一定的應用前景［10］，但由于炸藥爆破釋放能量大，不僅會對礦層頂底板、鉆孔產生一定程度的破壞，而且易造成溶浸液滲漏，污染地下水環境。

液態CO2相變致裂技術與深孔爆破相比，屬于物理爆破范疇，其運輸、儲存和使用可避免火工品管制帶來的繁瑣審批流程，無需驗炮、操作簡便，被廣泛應用于煤層氣開采、料倉清堵、土石方開挖等工程，因此可將其應用于低滲透性砂巖鈾礦增透。本研究提出的低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透技術，是在CO2+O2地浸開采工藝的基礎上，增加液態CO2相變致裂增透施工過程，即在注液孔和抽壓孔施工完畢后，將液態CO2相變致裂器安裝進入目標礦層，啟動致裂器，在高壓氣體作用下使孔壁產生破壞裂隙，其施工工藝流程如圖4（a）所示，具體的液態CO2相變致裂增透施工流程如圖4（b）所示。該技術主要產物為CO2，進入礦層可參與溶浸液pH調節，因此可與現有的CO2+O2地浸開采工藝協同實現低滲砂巖型鈾礦高效開采。

孔距為20 m的7點型網狀鉆孔布置及其致裂增透效果如圖5所示。由上述理論計算可知液態CO2相變致裂增透影響半徑為6.53 m，即在注液孔及抽液孔周圍6.53 m范圍內產生裂隙區，增加溶浸液在該區域內的滲漏速度及與礦體的接觸面積，可加快鈾礦與溶浸液的反應速度。為了避免注液孔與抽液孔之間形成連通裂隙，產生優勢流通道，造成溶浸液滲流速度過快，不利于鈾礦溶浸反應，在相鄰注液孔、抽液孔之間分別保留至少6.94 m、7.52 m的原始滲流區域，使得含鈾溶浸液在壓差作用下由注液孔向抽液孔滲流。

3.2 破巖致裂

為深入分析液態CO2相變致裂技術的致裂破巖效果，研發了液態CO2相變致裂實驗裝置［11］，如圖6所示。該系統主要由液態CO2相變致裂系統、三軸加載系統、測試系統、數據采集系統等組成，結合聲發射監測系統，開展了地應力條件下含鈾砂巖液態CO2相變致裂試驗研究，采用尾礦砂、石膏、水泥按照5∶1∶3比例，澆筑制備成邊長200 mm的立方體相似材料試件，干燥后保存備用。

試驗過程中，為模擬地層三維應力狀態，將σX、σY、σZ均設置為4.5 MPa，試驗系統內CO2初始壓力設置為14 MPa，得到該條件下試件破壞形態如圖7（a）所示。由該圖可以看出，液態CO2相變致裂后，致裂孔周邊產生明顯的致裂裂隙，結合CT層析掃描結果（圖7（b）和圖7（c）），可以看出巖石試件由致裂孔處產生的主裂隙已完全貫通試件，在致裂孔附近還有部分微裂隙產生，且微裂隙聯通形成裂隙網絡，表明液態CO2相變致裂技術能夠實現三維應力條件下巖體致裂破壞，能夠有效增加巖體損傷裂隙網絡分布。故該技術應用于低滲砂巖型鈾礦進行礦層致裂，可有效增加其聯通裂隙數量，提高溶浸液在礦層中的滲透率，增加溶浸液與礦層的接觸面積，實現低滲砂巖型鈾礦的高效開采。

3.3 降低化學沉淀

由上述分析可知，化學沉淀堵塞之所以會降低CO2+O2地浸開采過程礦層滲透率，主要是因為產生了Ca（Mg）CO3沉淀。目前預測Ca（Mg）CO3沉淀的主要方法為Stiff&Daivs飽和指數法，計算公式為［21］

式中：SI為飽和指數；lg[w(Ca2+)]為Ca2+離子濃度的對數值；lg[w(HCO3-)]為HCO3-離子濃度的對數值；pH為溶液pH值。當SI=0時，Ca（Mg）CO3處于溶解平衡狀態，不產生沉淀；當SI>0時；地下水呈過飽和狀態，Ca（Mg）CO3析出產生沉淀，且SI越大沉淀量越大；當SI<0時，地下水呈不飽和狀態，不會產生沉淀。

結合式（6）進一步分析可知：Ca（Mg）CO3沉淀產生的主要因素為地下水中Ca2+濃度、Mg2+濃度、HCO3-濃度與pH值。地下水中，Ca2+濃度、Mg2+濃度、pH值增加，形成Ca（Mg）CO3沉淀的傾向性增加；溶液中pH值減小，形成Ca（Mg）CO3沉淀的傾向性減小。因此，在地浸開采過程中如果發生Ca（Mg）CO3沉淀，通過改變Ca2+濃度、Mg2+濃度、HCO3-濃度與pH值，可使沉淀的Ca（Mg）CO3再次溶解。采用液態CO2相變致裂技術進行低滲砂巖鈾礦床增透過程中，產生的CO2氣體進入礦床，降低了地下水pH值，增加了地下水中HCO3-濃度，可在一定程度上溶解部分Ca（Mg）CO3沉淀，避免化學沉淀堵塞降低礦層滲透率。

3.4 經濟性

在實際生產過程中，砂巖型鈾礦的滲透率不僅影響地浸開采效率，而且對鉆孔間距會產生重要影響［22］。對于滲透性較好的礦層，在地浸開采過程中可以適當增加鉆孔間距。地浸采鈾過程中，鉆孔施工基建費用一般占地浸產品成本的30%。因此采用液態CO2相變致裂技術進行低滲砂巖型鈾礦增透，不僅可以提高溶浸液滲流速度，還可以減少鉆孔施工量，有助于降低生產成本，經濟性較顯著。

4 結 論

（1）針對我國低滲透性砂巖型鈾礦在地浸開采中存在的浸出困難技術難題，提出了低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透高效開采技術模式，采用理論方法計算了液態CO2相變致裂影響半徑，建立了液態CO2相變致裂增透地浸開采流程，系統進行了低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透高效開采技術特征研究。研究成果對今后突破低滲透性砂巖鈾礦地浸浸出率低的難題具有重要的意義。

（2）理論分析得到液態CO2相變致裂器TNT當量為1.10 kg，其致裂影響半徑為6.53 m。試驗及分析表明：該技術能夠實現三維應力條件下巖體致裂破壞，能夠有效增加巖體損傷裂隙網絡分布，具有破巖致裂增透、降低化學沉淀的技術特點。

（3）低滲砂巖型鈾礦液態CO2相變致裂增透是復雜的系統工程，本研究僅對該方法破巖致裂、降低化學沉淀及經濟可行性進行了初步研究，有關該技術的致裂破巖裂隙演化及分布規律、增透效果參數及其持久性等關鍵科學問題還需要進一步深入研究。