膨润土止水环封孔在地浸采铀钻孔成井工艺中的应用

张 峰，李建东，原 渊

(1.中广核铀业发展有限公司，北京 100029；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)



膨润土止水环封孔在地浸采铀钻孔成井工艺中的应用

张 峰1，李建东1，原 渊2

(1.中广核铀业发展有限公司，北京 100029；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

目前地浸采铀钻孔封孔材料以水泥为主，由于其存在繁琐的注浆流程和降低矿层渗透性的风险，制约了成井效率和成井质量。为了提高钻孔封孔效果和采铀效率，将钠基膨润土应用于封孔材料，利用吸水膨胀后形成的高强度胶结物，封隔含矿含水层和其他含水层。哈萨克斯坦南部某铀矿根据该矿的水文地质特征，在无填砾结构的地浸采铀钻孔中进行了膨润土止水环封孔的室内实验和现场试验，成功地解决了封孔准确性和可靠性问题，减少了封孔质量瑕疵，保证了钻孔的施工质量。

膨润土止水环；地浸采铀；无填砾结构钻孔；含矿含水层

在地浸钻孔中，采用合适的止水材料封闭套管与孔壁之间环形空间的过程称为封孔。封孔是地浸采铀钻孔成井工艺中最重要的工序之一。封孔的目的是保证钻孔成井后封孔部分将含矿含水层与其他含水层完全隔断，钻孔只作用于含矿含水层，防止在酸化和浸出过程中浸出剂通过环空流散到上部含水层，降低采铀效率。另外，封孔还可保护上部含水层不受下部浸出剂的污染，保护地下水资源。目前，地浸采铀钻孔封孔的主要材料为水泥，因其具备成本低、不污染环境和流动性好，与围岩粘结牢固，强度高等优点。但由于水泥存在注浆流程繁琐以及可能降低矿层渗透性等局限性，影响了工艺钻孔的成井效率和成井质量。近年来，哈萨克斯坦铀矿钻探公司为了提高钻孔成井效率和质量，在地浸采铀钻孔成井工艺中采用膨润土止水环封孔技术，取得了良好的效果。

1 矿床基本概况

进行膨润土止水环现场试验研究的矿床产于南哈萨克斯坦锡尔达林盆地，矿体主要赋存于上白垩统土仑组上段的浅绿色不等粒砂岩和康尼亚克组浅灰色、白色、褐色和红色砂岩及细砾岩中。矿体埋深较深，为180～750m，平均深度在450m左右。伊尔科利矿床矿石岩性主要为中细粒的不等粒砂岩，渗透性好，矿石渗透系数0.3～5m/d，矿层渗透系数0.4～8m/d。矿石和围岩的矿物成分相似，金属矿物的成分略有不同，单矿物碎屑主要为石英(质量分数65%～75%)，长石(5%～7%)，不同色调的硅质岩碎屑(3%～5%)；矿床铀矿石化学成分属硅酸盐型，CO2、S、有机碳、P2O5等杂质含量低。

矿床位于一级大型锡尔达林自流盆地的北翼，属中锡尔达林盆地。根据地层岩性、埋藏条件、地质年代划分为第四系和上新统含水层；由卡姆帕-马斯特里赫组(卡拉木伦层)、桑顿组、上土仑组-康尼亚克组(伊尔科利层)及赛诺曼组含水层组成的中生界-下第三系层含水层；与基底表面的风化壳及构造断裂带有关的古生界含水层。

矿床含矿含水层为伊尔科利层，岩性由厚度为30～60m的康尼亚克组不等粒砂岩、细砾岩以及厚度为10～50m的上土仑组不等粒砂岩组成。该层总厚度40～100m，大部分地区厚度为70～80m。钻孔单位涌水量较高，一般为0.4～1.3L/s·m，含水层岩石的平均导水系数为750m2/d。含矿含水层具有顶板和底板隔水层，顶板隔水层岩性为5～15m厚的下桑顿组粉砂岩，夹薄层致密砂岩，区域上连续稳定，隔水性能较好。底板隔水层是由40～50m厚的下土仑组粉砂岩组成。

在膨润土止水环试验前，矿山工艺钻孔封孔采用的是水泥封孔工艺。钻孔结构采用托盘式结构，托盘由一个橡胶皮碗做成，皮碗直径比钻孔直径大10mm，可焊接或固定在套管上。钻孔在施工中采用变径结构，顶板泥岩上部钻孔直径为190mm，下部钻孔直径为161mm，在钻孔变径处形成一台阶结构。在套管上固定托盘，下放套管时托盘坐落在钻孔变径处，隔断含矿含水层与上部含水层。套管下放完成后先投入少量砾石和注入黏土泥浆进行临时止水，临时止水效果达到要求后，然后注入密度1.8g/cm3水泥浆，待水泥浆凝固20h左右后向环空注满密度为1.18～1.2g/cm3稀水泥浆，封隔水泥环至井口的环空部分。通过现场施工发现水泥封孔工艺存在以下缺点。①不能保证水泥浆在套管和井壁的环空部分均匀渗透，特别是在裂缝土壤层和深井的情况下。深井或大斜度钻孔会导致套管弯曲，水泥浆在环空分布不均匀，容易在套管与井壁的接触区域形成滞流带，影响封孔质量。②水泥浆可能沿托盘和井壁的夹缝渗透进含矿含水层，堵塞矿层，降低矿层的渗透性，影响钻孔抽注性能。③在水泥配浆、注浆、钻具冲洗上消耗大量的施工作业时间。

该矿山钻探承包商沃尔科夫狼队借鉴南哈萨克斯坦其他铀矿山的钻孔封孔经验，并结合该矿的含矿层地质和水文条件，推荐该矿山使用膨润土止水环封孔工艺。矿山采纳了承包商建议，进行了膨润土止水环的实验室实验和现场试验 。

2 膨润土止水环介绍

膨润土止水环是由改性处理过的钠基膨润土制成。天然膨润土又称斑脱岩、膨润土岩等，是以蒙脱石为主要成分的黏土岩-蒙脱石黏土岩，常含少量伊利石、高岭石及沸石、长石和方解石等。天然膨润土为钙基膨润土，由于钙基膨润土表面为硅氧结构具有极强的亲水性和层间可交换阳离子的水解，使其表面形成一层水膜，不能有效吸附疏水性有机物；且钙基膨润土虽吸附性显著，但膨胀容小。膨润土改性是通过离子交换改变蒙脱石层间可交换阳离子的种类，变成性能更优的钠基膨润土，以达到改善蒙脱石或提高膨润土的物化性能。人工钠基膨润土的理化性能除取决于它所含的蒙脱石种类和含量外，还取决于人工钠化的方法和人工钠化的程度。钠基膨润土制成的止水环，具备吸水率大，膨胀倍数大，和阳离子交换量大，在水介质中分散性好，胶质价高；它胶体悬浮触变性、粘度、润滑性好，pH值高，热稳定性好；有较高的可塑性和较强粘结性，热湿拉强度和干压强度高等优点。此外，为了有效控制止水环膨胀过程和膨胀时间，通常还向膨润土止水环里添加改进止水环物理和化学性质的聚合物成分。

现场试验采用的膨润土止水环是一个长400mm，外径125mm以上的管状制品。膨润土止水环外表具有各种样式的锯齿状压波纹形状(图1)，能有效降低下套管时与冲洗泥浆的阻力，同时增加了其外部与泥浆的接触面积，加速了吸水和膨胀过程；内部做成不光滑的表面，增加表面摩擦力，便于与套管固定，在膨胀时增加与套管的粘合性，增强与套管的密封性。

3 实验室实验

针对矿山的钻孔结构，进行了膨润土止水环的实验室实验，检验了膨润土止水环一些重要参数，例如膨润土止水环的吸水率、膨胀时间、止水可靠性等。首先，实验室里模拟钻孔裸眼结构，制作两个内径为190mm，深80cm的敞口厚铁皮桶，距桶底10cm焊上十字支架，使用厚铁皮桶是为了检验膨润土止水环的止水可靠性，防止因铁桶太薄，止水环涨裂铁桶，导致实验失败。然后分别在两节外径90mm的PE聚乙烯管套上安装一个40mm长的膨润土止水环，上下分别用金属卡片固定，居中放置在厚铁皮桶支架上，测量膨润土止水环外缘与铁桶壁的初始间隙厚度，并记录数据。最后分别向两个桶注满清水和1.05 g/cm3的黏土泥浆，每隔一小时记录膨润土止水环外缘与铁桶壁的间隙厚度，直至止水环完全密封。通过实验，得出了在不同时间段内膨润土止水环在水和泥浆里的膨胀百分比(表1、图2)。

图1 不同外型特征的膨润土止水环

时间/h介质012345678910水中/%07223552658090100泥浆中/%031519254055658095100

图2 在水和泥浆里膨润土止水环膨胀百分比与膨胀时间的关系曲线图

膨胀实验结束后，对膨胀后的膨润土止水环进行试压实验。密封PE套管顶部孔口，并在套管孔口密封盖上安装一个进气管线、阀门和压力表。用空压机往PE套管里充气加压，达到5个大气压后关闭空压机和进气阀门，试压12h，观察并记录压力值变化情况，同时检查止水环四周是否有气泡溢出。试压实验结果表明膨润土止水环四周无气泡溢出，压力维持5个大气压不变，表明其止水效果良好。

4 现场使用情况

4.1 钻孔结构

采用膨润土止水环的抽出井和注入井钻孔结构基本相同，无托盘结构，抽出井和注入井过滤器周围都不采用砾石填充工艺(图3)。抽出井从井口至105m深处裸眼直径为320mm。，从105m深处到石膏层裸眼直径为190mm，石膏层到钻孔底部裸眼直径为161mm，套管为Φ195/14mm+Φ90/8 PVC硬塑料管，过滤器为环形外骨架圆孔式，沉砂管为11m长的Φ90/8 PVC硬塑料管；注入井从井口到石膏层段裸眼直径为190mm，石膏层到钻孔底部裸眼直径为161mm，套管为Φ90/8mm PVC硬塑料管，过滤器为环形外骨架圆孔式，沉砂管为11m长的Φ90/8 PVC硬塑料管。

图3 钻孔结构图

在过滤器的顶部和下部分别安装一个40cm长的膨润土止水环，膨胀后形成人工托盘，能有效阻止上层和底部的沙土和水进入到过滤器。在顶板隔水层的位置安装10m长(40个)的膨润土止水环，上部和底部分别用金属卡子和垫片固定牢靠。膨润土止水环上部的环空部分用黏土填充。

4.2 膨润土止水环组装

膨润土止水环的组装和固定是该封孔工艺最重要的环节之一，关系到膨润土止水环是否能准确封隔含矿含水层，决定着成井工艺的成功与否，因此施工必须严格按照组装规范执行。

首先，根据套管和膨润土止水环的结构图，在过滤器的顶部和下部位置分别安装一个膨润土止水环，膨胀后形成上下两个托盘，将过滤器与外部空间隔开。防止非矿层地下水进入过滤器稀释浸出剂铀浓度或溶浸剂逸散出过滤器位置，同时防止上部和底部泥沙进入过滤器内，保护过滤器，延长其使用寿命。

最后，进行封隔层膨润土止水环的组装。在封隔段套管上涂上建筑泡沫胶，套上40个完整、表面无破损的膨润土止水环，总长度不低于10m。膨润土止水环顶部和底部分别用塑料垫片和金属卡子固定，垫片由性质稳定的聚丙稀材料制成，呈花瓣状结构，在下套管的过程中减少行进阻力，并保护底部止水环免受损毁。

4.3 下套管和黏土填埋要求

1)因膨润土止水环的厚度增加了套管组合的外径，为了将套管顺利下到钻孔底部，施工前必须用稀泥浆不停地洗清井壁，置换钻孔内的泥浆，直至从井口流出的泥浆密度达到1.05g/cm3左右，方可进行下套管施工；

2)如果套管在下放的过程中出现遇阻情况，应立即从钻孔里提出套管组合，然后用牙轮钻头扩孔，并用泥浆循环清洗钻孔，待处理完毕后方可再次下套管。套管遇阻时禁止使用钻具加压，防止因外力使膨润土止水环破损，降低或丧失其封隔止水功能；

3)套管下放到设计深度后，安装井口装置，固定套管，静候膨胀约8h。膨胀结束后，观察套管内外静水位的变化，然后用黏土填埋钻孔环空部分，完全封孔。最后向套管内下钻具，与套管内的加压钻具连接，提出加压钻具，成井施工结束。

4.4 膨润土止水环封孔质量检查

封孔结束后，需进行套管安装质量、技术状况、过滤器位置、膨润土止水环位置和封孔质量检查，以确保地浸采铀钻孔的使用寿命。

首先使用电流测井进行检测，电流测井曲线提供套管安装质量和完整性等信息，检查过滤器安装位置和套管是否有破损溢流情况。如检测到工艺钻孔成井质量有问题，可以在膨润土止水环未完全膨胀前进行处理，减少成井质量瑕疵并降低损失。

其次采用感应测井检验膨润土止水环位置，确定其隔断层位。固定膨润土止水环的卡子由金属制成，在测井中感应测井仪器遇到金属卡子时，在该金属卡子所在的深度感应测井值骤然偏高，显示为异常值。因此根据测井曲线上的异常值，物探工程师可解译出金属卡子的深度，进而确定膨润土止水环的位置，检查钻孔中膨润土止水环是否按照设计要求封隔含矿含水层顶板。

图4是某钻孔成井后电流测井和感应测井曲线。通过感应测井曲线在446.5m和456.7m深处的异常感应值，可以确定膨润土止水环顶部和底部的金属卡子位置分别位于446.5m和456.7m深处，再进一步分析得出膨润土止水环的位置在446.5～456.7m处。将该膨润土止水环的位置与其他测井曲线解译得出的顶板位置进行对比，可以确定膨润土止水环完整地将含矿含水层与上部含水层隔断。

最后观察套管内与套管外，封孔前与封孔后静水位变化，检查封孔效果。膨润土止水环将含矿含水层与上部含水层隔断后，含矿含水层仅能通过过滤器与套管内部连通。如果封孔质量得到保证，套管内静水位应下降，降至含矿含水层静水位，而套管外静水位仍是上部含水层静水位，高于套管内含矿含水层的静水位。

5 效果评价

实验室内采用的膨润土止水环在潮湿钻井液环境下，利用与钻井液间的离子交换，扩大膨胀至原始体积大小的几倍，取得了较好的膨胀效果。膨胀后的止水环牢牢固定钻孔套管，封闭套管和桶壁的环空部分。膨润土止水环试压过程中试压压力维持不变，且膨润土止水环未出现破损和溢流情况，证明膨润土止水环密封效果良好。

现场封孔试验结束后，从检查测井和静水位观察可以得出：膨润土止水环准确地位于顶板隔水层位置，与设计位置相差不大；套管内静水下降至含矿含水层静水位，静水位深度为18～20m，套管外静水位无变化，静水位深度维持在7～9m，仍是上部含水层静水位。这些结果都表明膨润土止水环成功地隔断含矿含水层。

试验结果表明，膨润土止水环能准确、快速、有效地将封堵顶板位置的钻孔环空部分，将含矿含水层与上部含水层隔断，保护采铀区域地下水环境。除此之外，膨润土止水环的运用缩短了钻孔成井周期，提高了成井效率，降低了人工和材料成本。

图4 某矿套管安装后的电流和感应测井曲线

6 结 论

通过现场试验，对膨润土止水环封孔工艺与水泥封孔工艺进行了对比分析，得出以下结论。

1)膨润土止水环是一种环保型的新型封孔材料，其化学成分对地下水和地层无污染，符合环境保护要求。

2)膨润土止水环具有吸水率大，膨胀倍数大，和有较高的可塑性和较强粘结性，热湿拉强度和干压强度高等优点，满足钻孔封孔要求。

3)膨润土止水环解决了封孔准确性和可靠性问题，减少了封孔质量瑕疵，延长了工艺孔使用寿命。

4)膨润土止水环封孔工艺简单、施工快捷。无需注浆和温度测井等工序，且膨胀时间远低于水泥凝固时间，提高了工艺孔成井速度。

5)膨润土价格低廉，膨润土止水环制作工艺简单，能有效降低钻孔成本。

由于膨润土止水环成本低廉、封孔便捷、封孔质量高等特点，哈萨克斯坦南部铀矿山已广泛地应用膨润土止水环封孔工艺，并逐渐完善其工艺和施工技术，积累了丰富的经验。随着管内填砾技术和含砾石过滤器工艺的发展，不久的将来膨润土止水环封孔工艺将更普遍地运用到到地浸铀矿山，推动钻孔成井工艺技术的长足进步和发展。

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Application of bentonite rings to borehole completion for in-situ leaching of uranium

ZHANG Feng1，LI Jian-dong1，YUAN Yuan2

(1.CGNPC Uranium Resource Co.，Ltd.，Beijing 100029，China； 2.Beijing Research Institutute of Chemical Engineering and Metallurgy，Beijing 101149，China)

Cement used to be main material of well completion process at in-situ leaching uranium mines.Quality and efficiency of well completion were been constrained in drilling process because of complicated process and damaged permeability of ore bad.Soduium-based bentonite is a suitable material of well completion process.It reacts with water to form high strength binder which can seal between ore-bearing aquifer and other aquifers.Based on researching the hydrogeological condition of a uranium deposit in the south of Kazakhstan，a series of laboratory and field tests were carried out for sealing with bentonite rings in none-gravel structure wells.The results indicate that precision and reliability of well completion have been improved.Meanwhile，the quality of production wells have been imporved in a certain degree.

bentonite ring；in-situ leaching of uranium；none-gravel structure well；ore-bearing aquifer

2016-01-05

张峰(1980-)，男，四 川中江人，硕士，工程师，从事地浸采铀工作。

TD868

A

1004-4051(2016)11-157-05