張德存，湯慶四，趙生祥，孫 祥

(1.中國(guó)鈾業(yè)有限公司，北京 100013；2.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

原地浸出采鈾浸出液中的懸浮顆粒質(zhì)量濃度為30～80 mg/L[1]，隨著生產(chǎn)運(yùn)行，這些顆粒引起的堵塞作用會(huì)導(dǎo)致井生產(chǎn)能力下降。另外，采區(qū)含礦含水層地下水中各種離子濃度的變化也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)堵塞，導(dǎo)致井生產(chǎn)能力下降[2]。

錢家店鈾礦床采用“CO2+O2”原地浸出工藝，其采區(qū)溶浸范圍內(nèi)的地下水pH為6.8～7.5[3]11，基本保持含礦含水層地下水原有pH環(huán)境。溶浸液和浸出液的鈣、鎂、鐵等金屬離子濃度基本保持含礦含水層地下水的本底水平[4]53。在采區(qū)浸出運(yùn)行初期，抽出井和注入井的化學(xué)堵塞與機(jī)械堵塞特征均不明顯；但隨著采區(qū)長(zhǎng)期抽注運(yùn)行，抽出井和注入井的生產(chǎn)能力逐漸下降，尤其注入井的注液能力下降明顯。根據(jù)井生產(chǎn)能力變化特征，認(rèn)為顆粒引起的機(jī)械堵塞是導(dǎo)致生產(chǎn)能力逐漸下降的主要因素。

空壓機(jī)洗井是一種使用廣泛、操作簡(jiǎn)潔、成本低廉的洗孔方法，是各類地質(zhì)勘探水文地質(zhì)孔洗井[5]、農(nóng)田水利機(jī)井洗井[6]、地?zé)峋淳甗7]的常用物理洗井方法。針對(duì)鉆井清洗難度大問(wèn)題，新疆某地浸礦山提出“自動(dòng)壓氣活塞洗井”[8]。內(nèi)蒙某地浸礦山自動(dòng)化壓氣洗井工藝的研究與應(yīng)用效果顯著[9]，內(nèi)蒙某地浸礦山通過(guò)微酸增注、空壓機(jī)洗井、化學(xué)洗井等不同方法的應(yīng)用[10-11]，有效解決了鉆井堵塞問(wèn)題。

錢家店某采區(qū)選用空壓機(jī)洗井方法對(duì)工作能力下降的生產(chǎn)井進(jìn)行洗井，50%～60%的生產(chǎn)井恢復(fù)了工作效率，但剩余40%～50%的生產(chǎn)井洗井效果不明顯。針對(duì)空壓機(jī)洗井效果不明顯，結(jié)合錢家店鈾礦“CO2+O2”原地浸出工藝和礦床水文地質(zhì)特點(diǎn)，研究空壓機(jī)化學(xué)聯(lián)合洗井、高壓氣活塞洗井、高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井等多種洗井方法。

1 礦床水文地質(zhì)概況

錢家店鈾礦床在區(qū)域上隸屬松遼平原西遼河盆地開(kāi)魯拗陷水文地質(zhì)區(qū)，區(qū)內(nèi)分布巨厚的中新生界碎屑巖及松散堆積層，形成了豐富的孔隙水和孔隙裂隙承壓水。依據(jù)礦床的含水構(gòu)造和埋藏條件，礦區(qū)可劃分出第四系松散砂含水層、上白堊統(tǒng)嫩江組含水層、上白堊統(tǒng)姚家組上段含礦含水層、上白堊統(tǒng)姚家組下段含礦含水層等含水層[12]118。

上白堊統(tǒng)姚家組下段含礦含水層是錢家店鈾礦床主礦體發(fā)育層位。含水層埋深218.9～238.2 m，厚63.0～71.2 m。含礦含水層巖性以淺灰色、淺紅色含粉砂細(xì)-中粒砂巖、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖為主，其次為細(xì)砂巖和少量粉-細(xì)砂巖，具有粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。其礦物成分以石英、黏土礦物為主，含少量長(zhǎng)石、云母，其次為含泥礫巖屑長(zhǎng)石中砂巖、粗砂巖、灰色粉砂巖等，局部含炭屑。上白堊統(tǒng)姚家組下段含礦含水層滲透系數(shù)0.13～0.19 m/d，其承壓水水位埋深較淺，一般5.94～13.08 m，承壓水頭217.96～372.49 m，礦化度3.64～4.89 g/L，pH 7.15～7.79，水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl-Na型及Cl·HCO3-Na型[12]127。

錢家店鈾礦床礦石類型，按鈾礦成因可劃歸為辮狀河流相砂體中后生層間氧化帶型鈾礦床；按礦石結(jié)構(gòu)及含礦巖石類型劃歸，該鈾礦床以細(xì)粒砂巖型鈾礦床為主，部分為中粒砂巖型鈾礦床。礦床含礦砂巖碳酸鹽總體偏高，礦體中含少量碳酸鹽膠結(jié)的薄層狀小透鏡體，這些透鏡體碳酸鹽含量很高(>12%)[13]27。

2 堵塞原因分析

2.1 微粒運(yùn)移堵塞

隨著抽注浸出運(yùn)行，礦層中的微粒隨液流運(yùn)移，在抽出井和注入井近井地帶沉積下來(lái)形成堵塞。這種微粒主要包括黏土(粒徑小于4 μm的層狀硅酸鹽)和粉砂(粒徑4～64 μm的硅酸鹽或鈾硅酸鹽)。微粒堵塞通常發(fā)生在井周圍半徑3～5 m內(nèi)，配液池中沉積的粉塵和粉砂隨浸出劑被注入井下，也是微粒堵塞的重要原因[14]。

錢家店鈾礦床含水層巖石顆粒相對(duì)比較均勻，含水巖石以中砂粉細(xì)砂巖、含粉砂細(xì)砂巖為主，粒徑<0.05 mm粉粒占比高達(dá)10.07%～37.22%[12]121。錢家店鈾礦床抽出井和注入井采用環(huán)型外骨架過(guò)濾器，外骨架縫隙0.8 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示[13]53。過(guò)濾器對(duì)粗砂、中砂、細(xì)砂能起到防砂作用，無(wú)過(guò)濾粉砂作用。

圖1 環(huán)型外骨架過(guò)濾器示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ring type outer frame filter

2.2 化學(xué)反應(yīng)堵塞

化學(xué)試劑注入礦層后，從礦石中溶解出來(lái)的某些離子可能發(fā)生水解沉淀，產(chǎn)生單一或混合的難溶物質(zhì)，在礦層內(nèi)堵塞孔隙，降低礦層滲透性，最常見(jiàn)的是CaCO3、CaSO4，還有FeCO3、Fe(OH)3等，碳酸鹽沉淀是由于地下浸出環(huán)境pH控制不當(dāng)引起的。

另外，地浸開(kāi)采時(shí)地層流體中的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Na+濃度較高，這一方面會(huì)引起黏土蒙脫石化，即黏土向膨脹型轉(zhuǎn)化；另一方面，在一定pH下Fe2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+容易沉淀堵塞礦層[3]182。

2.3 氣體堵塞

CO2+O2原地浸出采鈾工藝需采用氣液混合裝置將O2溶解于水中，配制溶浸液。氣液混合裝置通過(guò)將O2擊碎成微小氣泡，形成富含大量微氣泡的溶浸液，達(dá)到溶氧目的。當(dāng)溶浸液由注入井過(guò)濾器進(jìn)入礦層時(shí)，部分未溶入于水的O2微氣泡充斥在近井地帶砂體孔道，由于微氣泡的表面張力作用以及砂體顆粒對(duì)氣泡的吸附作用，使其難以像液體一樣在礦層中流動(dòng)，而產(chǎn)生“氣堵”現(xiàn)象。

氣體堵塞主要通過(guò)井口排氣，釋放多余氣而消除；也可通過(guò)減少O2加入量，并保持抽注運(yùn)行，逐漸抽出富含氣泡的溶浸液，或?qū)⒆⑷刖某槌鼍焖俪槌鑫慈軞馀萑芙憾鴾p輕。

3 洗井方法

3.1 空壓機(jī)洗井

3.1.1 洗井原理

采用空氣壓縮機(jī)氣體提升抽水原理進(jìn)行洗井。利用壓縮空氣在井管過(guò)濾器區(qū)域產(chǎn)生的空氣震蕩作用和氣體提升作用反復(fù)抽水，帶出過(guò)濾器及周邊礦層機(jī)械堵塞物來(lái)達(dá)到洗井目的。

3.1.2 空壓機(jī)參數(shù)確定

空壓機(jī)洗井所需的風(fēng)量計(jì)算公式[4]39為

式中：V—每提升1 m3水所需的空氣量，m3；k—系數(shù)，k=2.17+0.016 4h；h—從動(dòng)水位到孔口的高度，m；H—風(fēng)管下端至動(dòng)水位的高度，m。

所需的壓力計(jì)算公式[4]39為

P=0.01H+ΔP

式中：P—壓縮空氣壓力，MPa；H—風(fēng)管沉沒(méi)靜水位以下的長(zhǎng)度，m；ΔP—壓力沿井壁磨擦損失，一般<0.05 MPa。

根據(jù)錢家店鈾礦床的特點(diǎn)及浸出工藝的特性，井出水量5.0～8.0 m3/h，計(jì)算所需空壓機(jī)風(fēng)量不小于2.5 m3/min，壓力大于4.0 MPa。

3.1.3 洗井方式

實(shí)踐表明，空壓機(jī)連續(xù)抽水洗井效果遠(yuǎn)低于間歇式抽水洗井，風(fēng)管一次性下至過(guò)濾器段的洗井效率遠(yuǎn)低于風(fēng)管分段下至過(guò)濾器段的洗井效率。根據(jù)礦床含水層的涌水特點(diǎn)及井內(nèi)水位恢復(fù)特點(diǎn)，空壓機(jī)壓風(fēng)洗井時(shí)間30～45 min，停止壓風(fēng)等待時(shí)間10～15 min。根據(jù)礦床含水層的深度及過(guò)濾器深度，設(shè)定風(fēng)管下放深度為150～200 m、250～300 m和過(guò)濾器上段，以洗出溶液清澈為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 空壓機(jī)化學(xué)聯(lián)合洗井

3.2.1 洗井原理

CO2+O2地浸采鈾生產(chǎn)井的化學(xué)沉淀物主要為CaCO3、CaSO4、MgCO3、FeCO3、Fe(OH)3等。該類物質(zhì)沉積在過(guò)濾器及含水層縫隙、孔隙內(nèi)，機(jī)械洗井難以去除。利用鹽酸易與該類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成可溶性鹽類的特性[15]，首先將鹽酸注入過(guò)濾器段，通過(guò)浸泡充分化學(xué)反應(yīng)，溶解生產(chǎn)井化學(xué)沉淀物；再利用空氣機(jī)洗井帶出堵塞物，起到綜合洗井目的。

3.2.2 鹽酸用量計(jì)算

洗井所需的鹽酸用量計(jì)算公式為

式中：V—壓縮空氣壓力，m3；h—過(guò)濾器長(zhǎng)度，m；D—預(yù)期外擴(kuò)直徑，m；d—井管直徑，m；K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；F—巖石孔隙度。

根據(jù)錢家店鈾礦過(guò)濾器長(zhǎng)10～12 m，預(yù)期外擴(kuò)范圍0.3 m，井管直徑0.148 m，巖石孔隙度25%～30%，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.1～1.2，計(jì)算得出鹽酸用量為0.36～0.60 m3。

3.2.3 洗井方式

采用管道直接加入試劑，靜態(tài)浸泡方式進(jìn)行化學(xué)洗井。將φ32 mm的PE管下放到過(guò)濾器部位，通過(guò)泵將所需體積的工業(yè)鹽酸(濃度32%)注入過(guò)濾器段，然后壓入等管道體積的清水排空管道，最后關(guān)閉閥門浸泡。鹽酸浸泡8～12 h后，采用空壓機(jī)洗井，將井內(nèi)化學(xué)反應(yīng)溶液抽出，以抽出液pH達(dá)到地下水本底值和溶液清澈為洗井完成判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 高壓氣活塞洗井

3.3.1 洗井原理

活塞洗井是通過(guò)活塞裝置提拉、下放做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成局部“負(fù)壓”環(huán)境和猛烈水流沖擊進(jìn)行洗井[16]。活塞洗井易對(duì)井管造成損壞，尤其在300 m以上深度的生產(chǎn)井更易發(fā)生損壞。高壓氣活塞洗井是在井內(nèi)形成有規(guī)律的壓氣、泄壓，模擬活塞洗井往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到活塞洗井效果，使過(guò)濾器及周邊礦層機(jī)械堵塞物產(chǎn)生松動(dòng)、位移，最終達(dá)到疏通堵塞的目的。

3.3.2 壓氣參數(shù)確定

向密閉井內(nèi)壓氣，將井內(nèi)水壓入礦層排空，需要克服的最小壓力是含礦含水層的承壓水頭壓力，即2.2～3.7 MPa。壓氣井內(nèi)排空體積為靜水位至孔口管內(nèi)體積和壓氣管出口至過(guò)濾器底部管內(nèi)體積之和，計(jì)算公式為

V=H·π·r2+h·π·r2，

式中：V—壓氣井內(nèi)排空體積，m3；H—靜水位至孔口距離，m；h—壓氣管出口至過(guò)濾器底部距離，m；r—井管內(nèi)半徑，m。

根據(jù)生產(chǎn)井綜合物探電流測(cè)井曲線，靜水位至孔口距離15～30 m，壓氣管出口至過(guò)濾器底部15～20 m，井管內(nèi)半徑0.064 m，測(cè)算得出壓氣井內(nèi)排空體積為0.5～0.7 m3。壓氣空壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：公稱容積流量3.4 m3/min，額定排氣壓力4.0 MPa。

3.3.3 壓氣方式

風(fēng)管下至井管過(guò)濾器上部3～5 m，安裝井口密封裝置、排水管及閥門、排氣管及控制閥，進(jìn)行間歇式壓氣。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定壓氣時(shí)間15～20 min，保壓10 min，排氣2 min；循環(huán)往復(fù)3～5次后，采用空氣壓縮機(jī)抽水。

3.4 高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井

3.4.1 洗井原理

高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井原理與空壓機(jī)化學(xué)聯(lián)合洗井基本相同，它通過(guò)高壓氣活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成過(guò)濾器部位地下水的擾動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化鹽酸化學(xué)洗井作用。

3.4.2 洗井方法

鹽酸浸泡化學(xué)洗井步驟與空壓機(jī)化學(xué)聯(lián)合洗井中的相應(yīng)步驟相同。鹽酸浸泡結(jié)束，安裝高壓氣活塞洗井裝置，進(jìn)行間歇式壓氣。壓氣時(shí)間15～20 min，保壓時(shí)間40～60 min，排氣時(shí)間2 min；如此往復(fù)3～5次后，采用空氣壓縮機(jī)抽水。

4 洗井效果

4.1 不同洗井方式的洗井效果

錢家店鈾礦床近幾年先后采用了空壓機(jī)洗井、空壓機(jī)化學(xué)聯(lián)合洗井、高壓氣活塞洗井、高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井等洗井方式，洗井效果見(jiàn)表1。

表1 錢家店鈾礦床洗井效果統(tǒng)計(jì)Table 1 Well washing result statistics of Qianjiadian uranium deposit

由表1可知：高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井效果最佳，其次為空壓機(jī)化學(xué)聯(lián)合洗井、高壓氣活塞洗井和空壓機(jī)洗井。4種洗井方式均可有效洗井，采用物理化學(xué)聯(lián)合的空壓機(jī)化學(xué)聯(lián)合洗井和高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井，其洗井效果明顯優(yōu)于空壓機(jī)洗井和高壓氣活塞洗井的效果。

注液量小于2.0 m3/h的注液井，洗井后注液量增加42%～190%，通過(guò)洗井可有效提升注液井工作效果；注液量≥2.0～3.0 m3/h的注液井，洗井后注液量增加25%～55%；注液量≥3.0 m3/h的注液井，洗井后注液量增加率10%～38%，洗井對(duì)注入井工作效果提升一般。

4.2 不同洗井方式的洗井效率

不同洗井方式的洗井效率如圖2所示。采用高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井的效果最為明顯，但采用該方法用時(shí)較長(zhǎng)，平均每眼井洗井耗時(shí)1 420 min，洗井效率較低。因此，錢家店礦床為提高洗井效率并保證洗井效果，采取多種洗井方式綜合使用。針對(duì)注液量低的井選用高壓氣體活塞式洗井，保證洗井效果，最大幅度提高運(yùn)行水量。

圖2 不同洗井方式效率對(duì)比Fig. 2 Efficiency comparison of different well washing methods

5 結(jié)論

導(dǎo)致錢家店鈾礦床生產(chǎn)井工作能力下降的因素有機(jī)械堵塞和化學(xué)堵塞，以機(jī)械堵塞為主，這2種堵塞均集中于近井地帶。生產(chǎn)井的堵塞主要存在于注液井，洗井工作重點(diǎn)放在注液量低于2.0 m3/h的注液井。高壓氣活塞化學(xué)聯(lián)合洗井可直接作用于過(guò)濾器段，洗井效果較明顯。注液井流量下降是多種堵塞作用疊加的結(jié)果，單一洗井方式難以徹底解決問(wèn)題，需要多種洗井方式聯(lián)合應(yīng)用。