某砂岩型铀矿床井间示踪技术应用研究
2021-05-20孙刚友程光华付海鹏王合祥
孙刚友，程光华，付海鹏，王合祥，门 宏，刘 波
(1.中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021；2.核工业二○八大队，内蒙古 包头 014010)
0 引 言
我国北方某砂岩铀矿床按硬岩指标进行勘查，查明资源量较大，具有较高的开发利用价值。但该矿床的地下水丰富，承压水头高，含矿含水层的岩石密度为1.83～2.57 g/cm3，平均为2.20 g/cm3，孔隙率为5.74%～30.51%，平均为16.17%；含水岩组单位涌水量为0.030～0.280 L/(m·s)，平均为0.195 L/(m·s)，富水性中等；含水层渗透系数为0.112～0.644 m/d，平均为0.418 m/d，透水性中等；水文地质参数变化较大，水文地质条件复杂，给常规开采带来极大难度。然而，从已获得的水文地质参数看，矿床部分地段存在采用地浸开采的可能性。
地下水的赋存性质、连通性以及矿层渗流速度是评价地浸采铀工艺可行性的三个主要指标，裂隙发育、空气连通性差、流速过快或过慢都会对地浸开采产生不利影响[1-3]。因此，为了评价该矿床的地浸可能性，还需进一步查明该矿床地下水的赋存性质、连通性和连续抽出条件下地下水渗流速度等地浸地质条件。
井间示踪试验是研究抽注井间溶液流动特征参数的有效手段。井间示踪试验通过在注入井内投放示踪剂，在抽出井抽液的同时动态监测示踪剂浓度变化情况，实现对抽注井间溶液渗流参数和孔隙连通状况的定量或定性评价[4-6]。因此，确定在该矿床选择一个地浸有利地段先期开展井间示踪试验。
1 示踪试验
1.1 试验地点概况
试验利用一组水文地质试验孔(ZKHD-1和ZKHD-2)开展示踪剂试验。试验地点位于某铀矿床的中南部纵H34号水文地质剖面线上，如图1所示。试验目标层位于494～512 m之间，为一个厚度约15 m的亚含矿含水层，其上部为一个厚度约1 m的粉砂质泥岩不透水隔水层，下部为厚度约5 m的粉砂岩不透水隔水层，中间包含27-1、28-1-1和29-1三层砂岩型矿体。目标层为粗砂岩和中砂岩，天然状态下砂岩密度为2.27 t/m3，孔隙率11%～15%，渗透系数0.456～0.520 m/d，裂隙不发育，具备采用地浸工艺开采的地质条件，本次试验选择此处作为示踪试验地点。
图1 试验钻孔平面布置图Fig.1 Layout plan of test borehole
1.2 示踪试验方案
1.2.1 示踪剂的选择
示踪剂的类型有许多种，地下水常用的示踪剂类别可分为化学类和放射性标记类。根据试验区块的地层情况、地下水情况综合分析不同示踪剂的特性，井间示踪剂检测试验区示踪剂选择化学示踪剂类别中的荧光素钠作为本次试验的示踪剂。荧光素钠是目前国内外广泛采用的一种示踪剂，其检测手段为荧光分光光度计法，优点是检测方便、快速、示踪效果好，示踪剂无毒无害，对地下水影响小，同时试剂成本较低[7-9]。
1.2.2 示踪剂投放量
示踪剂投放量应充分考虑矿床试验区段的地质条件、地下水赋存状态和检测设备的灵敏度等参数，本文借鉴均匀稀释模型公式[10]确定示踪剂用量，其表达式见式(1)和式(2)。
VP=πR2hφ
(1)
A=μ×MDL×VP×10-3
(2)
式中：A为示踪剂加入量，kg；μ为保障系数；MDL为示踪剂设备最低检测限，mg/L；VP为井组预期稀释体积，m3；R为注入井与抽出井的距离，m；h为含水层厚度，m；φ为孔隙度，%。其中，示踪剂设备最低检测限MDL与所选用的示踪剂类型和检测设备相关。
根据现场试验区段参数，保障系数μ取30，示踪剂设备最低检测限MDL为0.1 mg/L，R=20 m，含水层厚度h=16.25 m,孔隙度φ=13%，代入式(1)和式(2)，计算得示踪剂荧光素钠用量为7.96 kg，为保障试验效果，确定本次示踪试验荧光素钠投放量为10 kg。
1.2.3 试验工艺方案
试验采用连续抽液方式，将ZKHD-1孔作为示踪剂注入井，将ZKHD-2孔作为抽出井，试验工艺方案示意图如图2所示。
图2 示踪剂试验工艺示意图Fig.2 Schematic diagram of tracer test process
将荧光素钠固体溶解至盛有1 m3地下水的配液桶内，利用高压水泵和输液管将配液桶内的荧光素钠液体瞬时一次性输送至ZKHD-1孔中，输液管下入孔深500 m处。
示踪剂投放完毕后，在抽出井下放压气管，并安装孔口排水装置，孔口装置排水端连接排水管，末端连接三角堰，压气管与空压机连接。启动空压机进行全天不间断抽水作业。根据确定的取样频次进行取样分析工作。
1.2.4 试验操作方案
抽水制度：采用空压机抽水，全天不间断抽水(不含检修停机)，抽水过程水力坡度≥1.41，抽水量～400 m3/d。
取样频率：抽出井ZKHD-2取样监测在注入井投放示踪剂后开始，每天取1个样品，具体时间为每天的08∶00；取样点在三角堰出水口取，每次取样500 mL，取样瓶为黑色遮光瓶。
监测要求：对每天的取样样品送化验室分析，主要分析荧光素钠浓度，采用F96pro荧光分光光度计测定。
2 试验结果与分析
2.1 示踪试验结果
2018年7月5日在注入井ZKHD-1注入示踪剂并开始抽水试验；7月11日开始在抽出井ZKHD-2进行取样检测；7月25日，在抽出井ZKHD-2检测到示踪剂荧光素钠，然后抽水试验一直持续到10月5日。取样检测结果显示，本项试验示踪剂突破时间为15 d，峰值时间为54 d，峰值浓度为2.561 mg/L。检测结果统计见表1，示踪剂浓度随时间变化情况见图3。
表1 检测结果统计情况Table 1 The statistical situation of the test results
图3 示踪剂浓度随时间变化图Fig.3 Diagram of tracer concentration with time
2.2 结果分析与讨论
2.2.1 试验区段渗流速度估算
示踪剂在含矿含水层中随着地下水从注入井向抽出井渗流，从注入井弥散到抽出井的平均时间为抽出井示踪剂出现浓度峰值时间，据此可求得含矿含水层的溶液渗流速度。 溶液渗流速度计算见式(3)。
(3)
式中：v为溶液在含矿含水层中的渗流速度，m/d；L为注、抽井间的距离，m；t为抽出井出现示踪剂浓度峰值所需时间，d。
试验区段抽注井间距L=20 m,抽出井出现示踪剂浓度峰值所需时间为试验日历时间54 d(1 296 h)，示踪剂浓度峰值2.561 mg/L，扣除抽水停机时间354.5 h，最终出现示踪剂浓度峰值所需时间t=39.23 d。代入式(3)，示踪剂在两井之间的平均运移速度v为0.51 m/d。
2.2.2 试验区段地下水流动性分析
示踪试验日历时间共计87 d。试验期间受客观条件影响，共造成两次时间较长的停机情况。8月17日—8月25日，停机9 d；9月7日—9月11日，停机5 d。两次停机前后示踪剂浓度变化情况见表2。由表2可知，在两次间隔较长的停机前后示踪剂浓度值变化很小，并没有随停机时间的长短变化呈现线性关系。因此，该矿床范围内的地下水在天然状态下流动性较弱。
表2 停机前后示踪剂浓度变化情况Table 2 The concentration of tracer changes before and after stopping pumping
2.2.3 试验区段地下水类型验证分析
1) 对比石油行业示踪试验。在石油开采行业，常用示踪剂试验来判断地层中高渗透条带、大孔道、天然裂缝、人工裂缝的存在与否。井间示踪剂可以对裂缝及大孔道等注水优势方向进行监控。裂隙型油藏注水连通示踪剂采出曲线特征是示踪剂突破时间短，示踪剂采出浓度高。如大庆油田某区某注采井组示踪试验，示踪剂浓度随时间变化曲线见图4。由图4可知，A井示踪剂突破时间短，示踪剂采出浓度高，是典型的以裂隙型油藏注水连通示踪剂采出曲线。本次示踪剂试验得出的示踪剂浓度随时间变化曲线与图3一致，曲线特征为示踪剂突破时间较晚，长达15 d，示踪剂采出浓度低，浓度峰值仅为2.561 mg/L。说明试验区段存在天然裂缝沟通能力可能性较低，不存在高渗透带，符合低渗透性的孔隙水特征。
2) 试验段岩芯验证。ZKHD-1孔位于H34号勘探线上，ZKHD-2孔位于其东侧，ZKHD-2孔过滤器下入深度494.29 m，过滤器长度15 m，揭露矿层埋深范围为494.29～509.29 m。通过观察ZKHD-2孔施工过程中取得的岩芯照片(图5)，目标层含矿段以细砂岩至粗砂岩为主，没有发现明显的裂隙存在，裂隙发育程度很不发育。
对比图4和图5可以得出，试验区段地下水类型不符合裂隙水特征，进一步证明该矿床试验区段孔隙连通性较好，地下水类型为孔隙水。
图4 A井示踪剂浓度随时间变化曲线Fig.4 The concentration of tracer in well A varies with time
图5 ZKHD-2孔岩芯照片Fig.5 Photo of ZKHD-2 hole core
3 结 论
1) 通过示踪试验，在抽出井降深47 m左右的条件下，地下水在ZKHD-1孔与ZKHD-2孔之间的平均渗流速度为0.51 m/d，这与现场稳定流抽水试验的结果基本一致。
2) 通过分析示踪试验期间两次停机前后示踪剂浓度值变化情况，显示示踪剂浓度变化微弱，浓度值并没有随停机时间的长短变化呈现线性关系。可以得出，矿床试验区段范围内的地下水在天然状态下流动性较弱。
3) 示踪剂浓度曲线特征显示示踪剂突破时间较晚，长达15 d；示踪剂采出浓度低，浓度峰值仅为2.561 mg/L。说明试验区段存在天然裂缝沟通能力可能性较低，不存在高渗透带，符合低渗透性的孔隙水特征。对比石油开采行业典型的裂隙水示踪剂产出曲线图和试验孔岩芯编录情况，可以得出试验区段地下水类型不符合裂隙水特征，进一步证明该矿床试验区段地下水类型是以孔隙水为主。
