戴明建，彭云彪，焦養(yǎng)泉，苗愛生，榮輝，陳法正，申科峰，劉璐

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢430074；2.核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古包頭014010）

納嶺溝鈾礦床局部隔水層分布樣式及對鈾礦開發(fā)的影響

戴明建1，2，彭云彪2，焦養(yǎng)泉1，苗愛生2，榮輝1，陳法正2，申科峰2，劉璐2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢430074；2.核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古包頭014010）

納嶺溝砂巖型鈾礦是鄂爾多斯盆地重要的鈾礦床之一，具有含礦含水層厚、巖礦比大的特點。通過詳細(xì)研究該礦床局部隔水層的空間分布特征，將其總結(jié)為3種類型：完整型、殘缺型和天窗型，并細(xì)分為11種亞類型。詳細(xì)分析了局部隔水層的空間分布對鈾礦開發(fā)的影響，不同的局部隔水層空間發(fā)育樣式，控制著浸出液的不同分布模式。以完整型的同頂不同底亞類和殘缺型的雙邊缺底板亞類進(jìn)行了動態(tài)注采模擬分析，將整個模擬過程分為反應(yīng)前階段、初始反應(yīng)階段、反應(yīng)中階段、浸出液連通階段、見礦階段和穩(wěn)定階段，對該礦床的下一步有效開采將具有很好的借鑒意義。

納嶺溝鈾礦床；鈾儲層；局部隔水層；分布樣式；礦體開發(fā)

可地浸砂巖型鈾礦是當(dāng)今世界上最具經(jīng)濟(jì)意義的鈾礦床類型之一。自20世紀(jì)90年代初以來，我國鈾礦勘查的主攻方向由南方的火山巖型和花崗巖型鈾礦調(diào)整為在北方中新生代沉積盆地中尋找儲量大、開采成本低的可地浸砂巖型鈾礦［1］。中核地質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)過10多年的不懈努力，相繼發(fā)現(xiàn)和探明了一批大型、特大型砂巖型鈾礦［2-4］。其中，納嶺溝地浸砂巖型鈾礦床的成功發(fā)現(xiàn)，為內(nèi)蒙古鈾業(yè)大基地的建設(shè)提供了資源保障。它的順利投產(chǎn)，將成為我國最大的鈾生產(chǎn)基地之一。

納嶺溝鈾礦床含礦含水層厚度巨大，一般為80～160 m，平均124 m，隔水頂、底板距離礦層較遠(yuǎn)，可堪稱具有巨厚鈾儲層。而從砂體的鈾成礦幾率來看，成礦砂體的最佳厚度是25～44 m，其中30～35 m區(qū)間成礦幾率最高［5］。根據(jù)國內(nèi)外地浸砂巖型鈾礦開采經(jīng)驗，巖礦比（含礦含水層厚度與礦層厚度之比）10～20為地浸采鈾技術(shù)的適宜條件，最好是小于10［6］。而納嶺溝鈾礦床含礦含水層厚度與礦層厚度之比一般為15～35，平均25。夾層對油田的開發(fā)影響國內(nèi)、外已有許多學(xué)者做過研究［7］，針對地浸砂巖型鈾礦開采具有同樣意義的局部隔水層研究則涉及較少。作者以具有巨厚鈾儲層的納嶺溝地浸砂巖型鈾礦床為例，研究其局部隔水層空間分布特征，可為該礦床的有效開采提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

納嶺溝可地浸砂巖型鈾礦床位于鄂爾多斯盆地北東部呼斯梁巨型鈾成礦帶上，次級構(gòu)造單元屬伊盟隆起，該隆起帶為向南緩傾的穩(wěn)定斜坡帶，其北為河套斷陷，南為伊陜斜坡，西為西緣逆沖帶，東為晉西隆起［8］（圖1）。納嶺溝鈾礦床鉆孔揭見層位自下而上分別為中侏羅統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）和下白堊統(tǒng)（K1）。中侏羅統(tǒng)直羅組下段為賦礦層，為一套辮狀河沉積［3，9-10］（圖2）。

圖1 鄂爾多斯盆地北部構(gòu)造分區(qū)略圖Fig.1Structure schematic map in northern part of Ordos Basin

2 局部隔水層樣式及分布規(guī)律

隔水層指鈾礦地浸開采過程中不能透水并不能給水或不能透過與給出極少量水的巖層，包括隔水頂板和隔水底板，分別位于含礦含水層的頂部和底部。局部隔水層是相對隔水層而言的，同樣分為局部隔水頂板和局部隔水底板兩類，一般分布范圍小，延伸長度一般為100～300 m，在進(jìn)行地浸開采時，只對礦床內(nèi)局部礦體具有隔水作用。

根據(jù)納嶺溝鈾礦床的局部隔水層空間發(fā)育情況，將其總結(jié)為3種類型：完整型、殘缺型和天窗型，并可進(jìn)一步細(xì)分為11種亞類型。

2.1 完整型

完整型即局部隔水頂、底板均發(fā)育。根據(jù)局部隔水頂、底板是否為同一個局部隔水層又可以細(xì)分為同頂同底、同頂不同底、同底不同頂和頂?shù)装寰煌?種亞類型（圖3）。同頂同底板亞類，即抽、注孔的局部隔水頂、底板為同一個，該亞類在礦床中部分布較廣泛，含礦含水層厚度分布穩(wěn)定；同頂不同底亞類，即抽、注孔具有相同的局部隔水頂板，但是局部隔水底板不同，兩個局部隔水底板呈空間疊置狀；同底不同頂亞類，即抽、注孔具有相同的局部隔水底板，但是局部隔水頂板不同，兩個局部隔水頂板呈空間疊置狀；頂?shù)拙煌瑏嗩悶榫M間局部隔水頂、底板均發(fā)育，且均由單孔控制，各局部隔水層互不相連。

2.2 殘缺型

殘缺型即局部隔水頂板或底板未發(fā)育。根據(jù)局部隔水層殘缺的位置又可以細(xì)分為單邊缺底板、單邊缺頂板、雙邊缺頂板、雙邊缺底板和異邊缺板5種亞類型（圖4）。單邊缺底板亞類指井組的一側(cè)局部隔水頂、底板發(fā)育齊全，一側(cè)只發(fā)育局部隔水頂板，缺失底板；單邊缺頂板亞類，為一側(cè)局部隔水頂、底板發(fā)育齊全，一側(cè)只發(fā)育局部隔水底板；雙邊缺頂板亞類，即未發(fā)育局部頂板；雙邊缺底板亞類指井組兩側(cè)只發(fā)育局部隔水頂板，未發(fā)育局部隔水底板；異邊缺板亞類指井組的一側(cè)缺失局部隔水頂板，一側(cè)則缺少局部隔水底板。

圖2 鄂爾多斯盆地直羅組綜合柱狀圖Fig.2Comprehensive column of Zhiluo Formation in Ordos Basin

2.3 天窗型

圖3 完整型局部隔水層分布樣式Fig.3Distribution patterns of completed-type local impermeable layers

圖4 殘缺型局部隔水層分布樣式Fig.4Distribution patterns of incomplete-type local impermeable layers

天窗型指局部頂、底板均不發(fā)育。根據(jù)局部隔水層發(fā)育的位置又可以細(xì)分為單邊天窗和單邊有板2種亞類型（圖5）。單邊天窗指一側(cè)局部隔水頂、底板均發(fā)育，一側(cè)未發(fā)育局部隔水層；單邊有板指只有一側(cè)發(fā)育局部隔水頂或底板。

圖5 天窗型局部隔水層分布樣式Fig.5Distribution patterns of scuttle-type local impermeable layers

3 局部隔水層空間分布對鈾礦開發(fā)的影響

3.1局部隔水層空間分布樣式對浸出液的控制

局部隔水層與石油地質(zhì)中所提的夾層具有同樣的意義，它束縛了浸出液在鈾儲層中的滲流，是控制液態(tài)鈾空間分布的主要因素之一，同時，它的存在增強了鈾儲層的非均質(zhì)性。在辮狀河相鈾儲層內(nèi)，尤其是在垂向上，局部隔水層的出現(xiàn)改變了浸出液的分布模式，影響了垂向滲透率、波及系數(shù)和見水時間［11］。流體的垂向流動受阻，局部的驅(qū)替效果變差，礦體的浸出效果自然也會變差，從而形成了溶浸死角區(qū)。在沒有局部隔水層發(fā)育的含礦含水層中，浸出液的空間分布主要受儲層物性規(guī)律、非均質(zhì)性的控制［12］。不同的孔隙度、滲透率影響浸出液的運移，高孔、高滲區(qū)是浸出液的優(yōu)勢運移通道［5］。因此，厚鈾儲層層內(nèi)局部隔水層樣式是進(jìn)行可地浸砂巖型鈾礦開采井場部署方案時最重要的影響因素之一，是合理調(diào)整注液結(jié)構(gòu)和抽液結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)［13］。

不同的局部隔水層空間發(fā)育樣式，控制著浸出液的不同分布模式，需采用不同的抽注方案來提高浸出率，進(jìn)而提高礦山經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。如完整型的局部隔水頂、底板均發(fā)育，該類的井場可依照完整型布置，可適當(dāng)放寬井距，將局部隔水層離礦層較近的一側(cè)設(shè)為注液孔，而將離礦層較遠(yuǎn)的一側(cè)設(shè)為抽液孔，反之則不利于含鈾液體在局部隔水層內(nèi)有效運移至抽液孔，從而不能有效開采鈾礦體；殘缺型的井場布置方案則應(yīng)將注液孔設(shè)在局部隔水層發(fā)育齊全的一側(cè)，而將抽液孔設(shè)在局部隔水層有殘缺的一側(cè)，根據(jù)滲流力學(xué)，注入的溶液在離開注液孔后呈發(fā)射狀，只有在局部隔水層的控制下才能有效沿地層向抽液孔運移；天窗型進(jìn)行井場布置總體原則是讓注入溶液從有局部隔水層發(fā)育的鉆孔向沒有局部隔水層發(fā)育的鉆孔運移，沒有局部隔水層發(fā)育的抽液段選擇重點考慮垂向韻律特征和滲透率，將位置定在離礦層最近的高滲段。

3.2 典型鉆孔動態(tài)抽注模擬

研究區(qū)的局部隔水層空間分布樣式以完整型和殘缺型為主，下面以完整型的同頂不同底亞類型和殘缺型的雙邊缺底板亞類型2種典型分布樣式進(jìn)行動態(tài)注采模擬分析。

3.2.1 完整型動態(tài)抽注模擬

圖6 完整型局部隔水層抽注示意圖Fig.6Schematic diagram of injection and production simulation of completed-type local impermeable layers

以ZKN12-12與ZKN12-16（圖6）為例，該組鉆孔具有相同的局部隔水頂板，局部隔水頂板呈水平展布，但兩個鉆孔的局部隔水底板不在同一標(biāo)高，ZKN12-12的局部隔水底板距離礦層更近，為典型完整型的同頂不同底亞類。ZKN12-12由局部隔水層控制的含礦含水厚度為19.20 m，ZKN12-16由局部隔水層控制的含礦含水厚度為23.50 m，較ZKN12-12的含礦含水層厚度要大。兩個鉆孔的鈾礦化位置近水平。綜合分析以上因素，將ZKN12-12定為注液孔，注液位置為埋深411.10～421.10 m；ZKN12-16為抽液孔，抽液位置為埋深407.59～417.59 m。若反之，將ZKN12-16定為注液孔，會導(dǎo)致部分注入溶液沿ZKN12-12的局部隔水底板的下部運移，從而達(dá)不到經(jīng)濟(jì)有效開采的效果。對該組鉆孔抽注過程進(jìn)行動態(tài)模擬分析，主要有以下幾個階段：

1）反應(yīng)前階段

將溶有O2＋CO2的浸出液由注液孔向含礦含水層進(jìn)行注入，浸出液很快到達(dá)孔底沉砂管。該階段時間短，且浸出液幾乎不與礦體發(fā)生反應(yīng)。

2）初始反應(yīng)階段

在強大注入壓力作用下，注入的浸出液開始由注液位置向含礦含水層內(nèi)運移。由于含礦含水層垂向上的非均質(zhì)性，不同深度的滲透率和孔隙度不同，從而使不同層位的浸出液推進(jìn)速度不一樣，浸出液會首先選擇高孔、高滲區(qū)運移，然后才是選擇較低的孔、滲條件區(qū)運移，因此，浸出液在離開注液孔位置呈不規(guī)則的錐體向四周推進(jìn)。同時，浸出液在向含礦含水層推進(jìn)的過程中，當(dāng)浸出液沿礦層滲透遷移時，浸出液與礦石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。浸出液與礦石的相互作用是一個多相（液-固）化學(xué)反應(yīng)過程［7］，溶解氧把礦石中的4價鈾氧化成6價鈾，在碳酸氫根的作用下，6價鈾同碳酸氫根反應(yīng)生成碳酸鈾酰絡(luò)合離子，鈾礦物從固相轉(zhuǎn)入液相的浸出液中，從而浸出礦石中的鈾金屬。受反應(yīng)速度的影響，浸出液的前端液體不含6價鈾，只是含O2＋CO2的浸出液。

3）反應(yīng)中階段

該階段為注入一段時間后，大量浸出液在含礦含水層內(nèi)與鈾礦體發(fā)生反應(yīng)，含鈾液體呈發(fā)射狀繼續(xù)向前推進(jìn)。受抽液孔抽液影響，在抽液孔位置形成一個負(fù)壓圈，浸出液向抽液孔方向的推進(jìn)速度將大大高于其它方向，且其他方向的推進(jìn)速度將緩慢，注液錐體呈一邊倒的形態(tài)。

4）浸出液連通階段

該階段為注入的浸出液開始到達(dá)抽液孔階段，根據(jù)納嶺溝鈾礦床地浸實驗結(jié)果，從注液鉆孔注入浸出液到達(dá)抽液鉆孔附近的時間一般為20～25 d，與國內(nèi)外地浸礦山相近。首先到達(dá)抽液孔孔口的浸出液不含6價鈾，且受含礦含水層的非均質(zhì)性影響，不同層位到達(dá)抽液孔的時間不一樣。經(jīng)過抽液段位置的液體將沿抽液孔直接被抽至孔口，然后輸送至集液池，而從封隔器上、下部經(jīng)過的浸出液將繼續(xù)向前推進(jìn)，包括部分含鈾液體。

5）見礦階段

該階段為含鈾液體到達(dá)抽液孔孔口階段。該階段浸出液與礦體發(fā)生充分反應(yīng)，應(yīng)及時調(diào)節(jié)O2＋CO2的含量。加入CO2一方面是調(diào)節(jié)浸出液pH值，避免pH值升高引起地下水中鈣鎂等離子的化學(xué)沉淀，導(dǎo)致含礦含水層堵塞；另外可以補充地下水中碳酸氫根的消耗，保持浸出液中浸出劑碳酸氫根的活度，有利于鈾的有效浸出。

6）穩(wěn)定階段

經(jīng)過生產(chǎn)過程中不斷調(diào)節(jié)抽、注液量，使得抽、注過程達(dá)到一個相對平衡階段。該階段不但使抽、注液量在含礦含水層內(nèi)達(dá)到相對平衡，而且浸出液的空間運移通道由先前的發(fā)射狀通道，慢慢變成連通注液孔與抽液孔的高速平行通道，其寬度也基本由抽液段和注液段的位置控制，其他方向的溶液運移速度慢慢變小，直至基本停止。

圖7 殘缺型局部隔水層抽注示意圖Fig.7Schematic diagram of injection and production simulation of incomplete-type local impermeable layers

3.2.2 殘缺型動態(tài)抽注模擬

以ZKN4-16與ZKN4-12（圖7）為例，該組鉆孔具有相同的局部隔水頂板，未發(fā)育局部隔水底板，局部隔水頂板呈近水平展布，為典型殘缺型的雙邊缺底板亞類。ZKN4-16發(fā)育兩層鈾礦化體，為鈾礦化孔；ZKN4-12發(fā)育一層工業(yè)鈾礦體，其品位和平均鈾含量均高于ZKN4-16。綜合分析以上因素，將ZKN4-16定為注液孔，ZKN4-12為抽液孔。由于沒有局部隔水底板，因此注液段、抽液段的位置應(yīng)充分考慮鈾礦化與局部隔水頂板位置，以及垂向非均質(zhì)性。將注液位置頂部分隔器放在ZKN4-16局部隔水頂部處，底部分隔器放在第二層鈾礦化的底部，埋深為427～437 m；抽液位置頂部分隔器放在ZKN4-12含礦單砂體的沉積韻律頂部，底部分隔器放在礦體之下沉積韻律底部，即儲層物性較差的部位，埋深為432～442 m。對該組鉆孔抽注過程進(jìn)行動態(tài)模擬分析，與完整型動態(tài)抽注模擬一樣，亦可分為反應(yīng)前階段、初始反應(yīng)階段、反應(yīng)中階段、浸出液連通階段、見礦階段和穩(wěn)定階段。需要重視的是充分利用本區(qū)儲層垂向非均質(zhì)性遠(yuǎn)大于平面非均質(zhì)性的特點，合理利用儲層物性規(guī)律，適當(dāng)提高抽、注液量，讓抽、注液量在含礦含水層內(nèi)盡快達(dá)到動態(tài)平衡，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）總結(jié)了納嶺溝鈾礦床局部隔水層的空間分布樣式。根據(jù)納嶺溝鈾礦床局部隔水層空間發(fā)育情況，將其總結(jié)為3種類型：完整型、殘缺型和天窗型，并細(xì)分為11種亞類型。礦床內(nèi)以完整型和殘缺型為主，天窗型只是局部發(fā)育。

2）不同的局部隔水層空間發(fā)育樣式，控制著浸出液的不同分布模式。尤其是在垂向上，局部隔水層的出現(xiàn)改變了浸出液的分布模式，影響了垂向滲透率、波及系數(shù)和見水時間。在沒有局部隔水層發(fā)育的含礦含水層中，浸出液的空間分布主要受儲層物性規(guī)律、非均質(zhì)性的控制。因此，在厚鈾儲層內(nèi)局部隔水層的不同空間分布樣式，需采用不同的抽注方案來提高浸出率，進(jìn)而提高開采效益。

3）以完整型的同頂不同底亞類型和殘缺型的雙邊缺底板亞類型進(jìn)行了動態(tài)注采模擬分析，并將整個過程分為反應(yīng)前階段、初始反應(yīng)階段、反應(yīng)中階段、浸出液連通階段、見礦階段和穩(wěn)定階段，對納嶺溝鈾礦床的開采具有一定的借鑒意義。

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Spatial distribution patterns of local impermeable layers and their influence on uranium development in Nalinggou uranium deposit

DAI Mingjian1，2，PENG Yunbiao2，JIAO Yangquan1，MIAO Aisheng2，RONG Hui1，CHEN Fazheng2，SHEN Kefeng2，LIU Lu2

（1.China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Geologic Party No.208，CNNC，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

Nalinggou sandstone type uranium deposit is one of the most important uranium deposits in Ordos Basin which is characterized by thick ore-bearing aquifer and the bigger rock-ore thickness rate. Based on the detailed study on spatial distribution patterns of local impermeable layers，this paper classified the patterns into three types:completed-type，incompleted-type，and scuttle-type and 11 subtypes.Besides，the influence of spatial distribution patterns of local impermeable layers to uranium exploitation was analyzed.The different patterns had the different functions in controlling the movement patterns of leaching liquid.Moreover，this paper made the dynamic injection and production simulation analysis to subtype of completed-type with same top and different floors between two adjacent areas and incompleted-type with no floor subtype，and the simulation process wasdivided into six stages，which are before-reaction stage，initial reaction stage，reaction stage，leaching liquid intercommunication stage，uranium-bearing liquid discovery stage，and stable stage. The study result will provide important geological basis for the further exploitation in Nalinggou uranium deposit.

Nalinggou uranium deposit；uranium reservoir stratum；local impermeable layers；distribution pattern；uranium exploitation

P619.14；P641.4

A

1672-0636（2016）02-0084-07

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．02．004

［資金項目］中國地調(diào)局重點項目“鄂爾多斯盆地砂巖型整裝勘查區(qū)專項填圖與技術(shù)應(yīng)用示范”（編號：12120114076501）資助。

2015-04-10；

2016-01-04

戴明建（1984—），男，湖南邵陽人，在職博士研究生，主要從事儲層沉積學(xué)（油氣、鈾）研究和鈾礦勘查工作。E-mail：384289527@qq.com。