地浸采铀过程中抽注液量影响因素分析

2022-04-27廖文胜王立民

铀矿冶 2022年2期

廖文胜，王立民

(1.中核矿业科技集团有限公司，北京 101149；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

原地浸出采铀已成为中国主要的铀矿开采工艺。抽注液量是这种工艺最重要的经济指标之一，也是评价原地浸出采铀矿床可浸性的基本因素[1]。中国砂岩型铀矿床渗透性普遍偏差，钻孔抽注液能力偏小[2]。此外，在地浸采铀过程中，注液、洗井等过程所使用的流体进入矿层后，由于这些流体可能与矿层岩石不完全匹配，使得矿层受到不同程度的伤害，进而降低抽注井的生产能力，致使地浸采铀成本增加，影响矿床开采的经济性[3]。

针对地浸采铀抽注液量变化，前人进行了较多的分析与研究。苏学斌等提出了1种钻孔结构施工方法，通过钻孔结构来增大地浸采铀抽注液量[4]。吉宏斌等研究了化学洗孔，在解堵剂中加入表面活性剂和氢氟酸可有效解决矿层堵塞，提高抽注液量[5]。王飞等对注液能力下降进行了分析，提出通过增大注液压力、控制二氧化碳加入量、在线微酸增注、空压机洗孔等措施保持和提高钻孔注液量[6]。赵生祥等对地浸采铀矿山低流量钻孔O2加注方式进行了优化研究，以降低气堵的可能性[7]。

以上文献针对特定矿床进行了提高抽注液量方法研究，但未进行系统的影响因素分析。相比较而言，石油系统针对抽注液量下降进行了大量的研究。石油系统将抽注液量下降定义为“储层伤害”或“油层伤害”(Formation damage)，并认为其主要是由以下4个因素综合作用造成的：1)外部流体的侵入，如注入水、提高产量所用的化学药剂、钻井液和修井液的侵入；2)外来颗粒侵入和原生颗粒的移动，包括砂、泥质细粒、细菌和碎屑；3)作业参数，如油气井的产量、井筒压力、温度；4)地层流体的性质和孔隙介质[8]3-4。

因此，借鉴石油行业的研究成果，对铀矿床进行注液量影响因素分析，以防止原地浸出采铀过程中矿层受到损害，保护矿层渗透率，提高并稳定生产井的抽注液量。这对铀矿床经济开采具有重要作用。

1 抽注液量下降情况

在地浸开采过程中，注入的浸出剂与矿层岩石接触，由于注入流体与地下水组成不同，在矿层中产生物理化学变化，以及本身含有一定量不同粒径的颗粒物，不可避免地会堵塞矿层，使矿层渗透性受到不同程度的伤害，进而影响抽注液量。

在中国地浸现场试验和开采过程中，绝大多数情况下都是随着浸出时间的推移，抽注液量越来越小。

某矿床1#采区单井平均抽注液量的变化如图1所示。该区域采用NH4HCO3+O2工艺进行生产。可以看出，经过几年的浸出运行，单井的平均抽液量由起始约8 m3/h降至3 m3/h左右，降幅达62.5%；而单井平均注液量由起始约为3 m3/h降至1 m3/h左右，降幅达66.7%，生产受到严重的影响。在运行过程中，进行了地表除钙、HCl浸泡洗井、压缩空气洗井、加HCl调节浸出剂pH等措施，措施实施后抽注液量在一段时间内有所改善，但总体呈下降趋势。

图1 某矿床1#采区单井平均抽注液量变化

某矿床C2采区抽注液量的变化如图2所示。该采区采用酸法浸出，由于酸耗较高，水岩相互作用强烈，在其酸化过程(酸化期110 d)中，单井平均抽液量与注液量大幅下降，单井平均抽液量从起始的8.0 m3/h左右降至4.0 m3/h以下，最低降至3.5 m3/h左右，降幅约56.2%；而单井平均注液量从起始的4.0 m3/h左右降至0.8 m3/h左右，降幅达80%以上。

图2 某矿床C2采区单井平均抽注液量变化

图2中抽液量下降幅度相对注液量较小的原因是由于静水位高出地面，导致抽液量本身较大；但注液困难，注液量下降导致抽液量下降。该抽液量降幅不能反映真实情况。

从上述2个典型的酸法和碱法浸出情况来看，抽注液量下降情况都比较严重。浸出前期的下降幅度大；但随着时间推移，逐渐趋于稳定。相对于碱法工艺(包括CO2+O2工艺)，酸法浸出工艺由于酸的作用强烈，酸化期对抽注液量的影响更为显著。

2 抽注液量下降的影响因素分析

砂岩型铀矿地浸开采与石油开采的运行过程有较大不同，其差异主要体现在：1)地浸开采是化学反应，而石油开采是物理驱替；2)地浸开采过程中由于埋藏较浅，渗透性相对较好，其地层压力和运行压力变化较小；3)铀矿地浸开采时，循环使用地下水，在注入前加入试剂，会增加地下水的矿化度，而石油开采是水驱油，驱替水矿化度小于一般地层水。分析认为，地浸开采过程中主要有以下因素影响其抽注液量变化。

2.1 浸出剂中微粒造成的矿层堵塞

对于地浸采铀，提高浸出剂的干净程度是保持地层渗透性稳定的前提。从理论分析看，CO2+O2工艺浸出过程中，浸出流体碱度、盐度、pH及流速的变化均对渗透率影响较小，甚至还有助于提高渗透性[9]。但现场试验表明，矿层伤害依然存在，抽注液量不断下降；一个主要的因素就是流体中微粒的伤害作用。

从浸出过程来看，浸出流体中的微粒主要有3个来源：1)浸出剂与矿层或矿层水原位生成的沉淀，并最终由浸出液带至地面[10]；2)浸出液带来的黏土颗粒[11]；3)浸出剂中其他的固体微粒，包括大气中的微粒及管道的锈蚀物等。

在实验室采用某矿床模拟地层水，并加入不同粒径超细碳酸钙模拟微粒，在岩心流动实验装置上对微粒的伤害作用进行了研究，试验结果如图3所示。可以看出，不同粒径碳酸钙微粒对岩心的伤害程度不同。粒径小的颗粒容易堵塞平均孔喉小、渗透率低的岩心；而渗透率高的岩心则对粒径较大的颗粒敏感。由于在砂岩型铀矿床中各种孔径皆有分布[12]，因此不同粒级的固体微粒均可堵塞相应孔径的孔隙，降低矿层渗透性。

图3 S43-27岩心微粒运移伤害曲线

在实际地浸过程中，由于抽出的液体不同程度含有黏土和沉淀微粒，贮存系统、管道系统可能有锈蚀，离子交换后可能带有树脂颗粒，刮风会带来大气微粒，种种原因导致注液中存在固体颗粒。虽然采用了袋式过滤器进行过滤，但过滤效率较低。中国地浸开采早期采用20 μm的过滤袋，过滤精度高；但过滤袋更换次数多，现场运行工作量大。现在普遍采用50～200 μm规格的过滤袋，导致大量微粒进入地层，对井下过滤器段及井周边地带造成伤害，降低了注液能力。

针对地浸不同流体中微粒的分布，采用颗粒计数器对某矿床地浸溶液进行了粒度分析。不同水样的分析结果见表1。分析结果为3次测定的平均值(计数点)。可以看出，一期浸出液有较多的颗粒微粒，经石英砂过滤后，≥2 μm的微粒数依然有88 058个；但经树脂塔吸附后，微粒数降至21 969个，降幅达75.0%。对于正常运行的19采区注液，经过浸出液过滤、树脂塔吸附后，注液中已基本无50 μm以上的微粒，且总的微粒数也较少，其过滤效率约69.2%。13-0701洗井返排液中的微粒数量远远多于正常运行的浸出剂，且含有较多的大颗粒，其转为正常注液必然会造成较严重的堵塞。

表1 不同水样的微粒分布计数

浸出剂中固相含量的影响是长期的，其影响作用可能很大。对1个流量为500 m3/h的矿山，如果浸出剂固含量为0.50 g/m3，以年运行8 000 h计，则每年注入地下的固体微粒为2 t，其累积影响不容小视。

2.2 浸出剂与地下水或岩石反应产生沉淀而堵塞矿层

在酸法浸出铀时，浸出剂能够与矿石中多种矿物发生反应，如方解石、白云石、黄铁矿、黏土矿物、氧化铁等。在矿层中流动、反应，其水岩相互作用，导致渗流特征发生变化。其中比较重要的有形成石膏和铁铝氢氧化物，离子交换使黏土膨胀和分散[13]，这些变化都将导致矿层堵塞。在常规酸法浸出中，硫酸与碳酸钙接触即开始反应，并产生CO2和硫酸钙(石膏)；CO2气堵是临时性的，但石膏的堵塞很难解除。对于高酸耗、高铁铝矿床来说，其铁、铝化合物的产生，对矿层渗透性影响很大。这主要是铁铝沉淀以胶体、絮状形式存在，很小的量即可产生堵塞，且不易恢复。

某矿床酸法地浸过程中潜水泵上附着沉淀物的化学组成见表2。可以看出，酸法地浸工艺的沉淀物以铁或铝为主，且硫酸盐含量较高。

表2 潜水泵上附着沉淀物的化学组成

对于碱法或中性浸出，其主要的风险在于碳酸钙的形成。由于这些工艺以碳酸氢根为配合剂，且浓度较高，当流体中碳酸根、钙离子浓度超过其溶度积后，即可能产生碳酸钙沉淀。此外，对于黄铁矿含量较高的矿床，硫酸根的大量产生，也可能导致生成硫酸钙沉淀[14]。

需要指出的是，在浸出过程中有时难以区分化学沉淀堵塞与固体颗粒堵塞。当沉淀物在矿层中堵塞孔道时为化学堵塞；但通过抽液泵抽至地面，则沉淀物就成了固体颗粒，其作为浸出剂的颗粒物时则是固体颗粒堵塞。

2.3 气体堵塞

对于加入气体为溶浸试剂的浸出，特别是采用氧气且浓度较高时，气体堵塞作用也是影响抽注液量的重要因素。在岩心流动实验装置上，对氧气作为浸出试剂的伤害进行了研究，试验结果如图4所示。

图4 溶氧浸出剂对岩心S43-68渗透率影响

从图4可看出，溶氧浸出剂对岩心有不同程度的伤害，溶氧量越高，伤害越严重，最终用地层水也不能恢复。注入溶氧浸出剂后，渗透率普遍降低；而且随着地层水中溶氧量增大，注入过程中岩心的渗透率下降越明显。从部分岩心渗透率可恢复的情况看，溶氧液的伤害主要是气体堵塞。这部分气体在气液两相中以微小气泡形式存在，在流动过程中对岩心有一定的伤害；但由于气泡小，伤害不严重，用地层水恢复时较易恢复。但是当溶氧量较高时，气泡的量和气泡尺寸都增大，将导致气体堵塞加重。如果长期用溶氧液浸出，可能导致堵塞难以恢复。

在实际生产中也发现，停止加入氧气，注液量上升、注液压力下降；反之，氧气加入量越大，气堵效应越强。

2.4 其他影响因素

影响抽注液量的其他因素还包括抽注液量的瞬间急剧变化，以及矿层黏土的水化分散、膨胀、收缩等。这些因素可能影响矿层的孔隙结构，对渗透性能造成伤害。

地浸采铀通过抽注作业将溶解的铀提升至地面。注液量的瞬间变化造成流体流速的波动，流速的变化增大了流体对孔喉的剪切力，使得孔喉表面颗粒或内壁容易碎断、剥离脱落，分散黏土微粒，从而导致黏土微粒的产生和运移。这种因素对含易分散的高岭石和伊利石黏土的矿层影响更大。

在浸出过程中，浸出剂长期接触地层岩石，由于浸出剂中加入了试剂，导致矿层所处环境发生变化，打破了黏土表面的离子平衡，造成黏土矿物和硅质胶结物的结构破坏，使黏土水化分散、膨胀。即使不发生微粒运移，也会使孔喉或孔径缩小，减小渗流通道。

3 提高抽注液量措施

为保持或提高抽注液量，需要对拟采用浸出方法、矿床渗透性的潜在影响因素进行试验研究，并采取有针对性的措施。

3.1 研究与地下水、岩层更匹配的浸出剂配方

针对酸耗较高、矿层中含铁铝矿物较多的矿床，为避免在酸法浸出过程中产生硫酸钙、铁铝氢氧化物沉淀，需控制适当的酸度，使硫酸根浓度在合理的范围内；同时需要研究氧化剂的种类、加入方式、浓度，优化浸出工艺，以最大程度减轻化学沉淀对抽注液量的影响。

3.2 采用高精度过滤装置

一般认为，外来固相颗粒对地层的伤害有以下特点：1)颗粒一般在近井筒地带造成的伤害较严重；2)颗粒粒径小于孔径的1/10且浓度较低时，颗粒侵入深度大，初始伤害程度可能较低，但伤害程度会随时间的延长而增大；3)对中、高渗透率的砂岩地层来说，外来固相颗粒侵入地层的深度和所造成的伤害程度相对较大[8]12-13。

根据上述伤害特点，对中国通辽铀矿床、鄂尔多斯铀矿床进行了大量的铸体薄片和压汞测试，结果表明孔隙平均直径普遍小于150 μm，鄂尔多斯铀矿床孔隙平均直径小于100 μm。根据架桥理论[15]，其直径1/2～1/3的颗粒即50 μm以下的颗粒可以在孔道内沉积、架桥，堵塞孔道。

因此，对于浸出剂的过滤，根据表1的分析结果并结合岩心孔径分布，建议采用高精度的过滤设备。对于低渗透砂岩铀矿床，其精度应达到2～3 μm[16]；对于渗透性较好的砂岩铀矿床，建议精度为10 μm。考虑到过滤精度及过滤量，应采取二级过滤。从劳动强度来看，全自动反清洗过滤器是应用的方向。