1 我国地浸采铀技术存在的问题
王海峰1 肖作学2
（1核工业北京化工冶金研究院，北京 101149，2 新疆天山铀业有限公司739厂，新疆伊宁
835000）
摘要：地浸采铀已是我国主要的天然铀生产方法之一，多年的实践使我国在低渗透、低品位、高承压自涌水、地下水高矿化度砂岩型铀矿床的地浸开采方面的研究和开发处于世界领先地位。但必须认识到，在某些方面与世界先进国家的差距仍然存在。高效，高自动化操作的车载钻机仍属空白；可避免产生混浆段，消除浸出剂与非矿层沟通隐患的逆向注浆工艺无人问津；解决碱法矿山碳酸钙结垢的过滤器更换办法和逆向填砾方法尚未尝试；降低钻孔成本的薄壁套管得不到实践；较有潜力和实用性的压裂封堵建造人工隔水层和压裂增大矿层渗透性的技术无人探索；降低碱法矿山成本的氧气大型液态贮罐未使用；无配液池和集液池的矿山模式未敢触及；地下水污染治理工艺迟迟不能实施；地浸基础理论研究未能深入，矿山规模、整体形象和劳动生产率仍未改善。
关键词： 地浸； 采铀； 技术； 问题
1 前言
我国地浸采铀技术的研究和开发可追溯到上世纪70年代初，自那时起，地浸采铀技术获得了飞速发展，无论是科学研究、试验还是生产都取得了长足进步。地浸采铀已成为我国铀矿采冶的重要方法，地浸铀产量逐年增加。在30多年的科研与生产中，研究和开发了成井工艺、浸出液处理、井场监控、实验室试验、铀矿床地浸评价等一系列新技术。在开发新技术的同时，我国地浸生产企业还特别注重引进国外先进技术。在钻孔洗井工艺上，成功使用了脉冲洗井方法，获得良好的效果；在探测地下浸出剂渗流范围上，采用热测井方法，方便准确地掌握溶液流动方向；在浸出液过滤技术上使用管道过滤器，效果显著；在浸出工艺上，开展了碱法试验，并成功建成了碱法地浸矿山；在钻孔过滤器形式上广泛应用外骨架过滤器，同时探索射孔过滤器和裸孔过滤器；在浸出液提升方式上，潜水泵提升已是有条件的地方的首选；在浸出液处理工艺上成功应用密实移动床和饱和再吸附技术，提高了合格液铀浓度；在地浸采铀现场试验技术上多次采用两孔法和九点法，缩短了浸出时间，提高了试验数据的准确性。
但是，也应认识到，无论从地浸技术研究的深度和广度，还是从钻孔施工、成井工艺、矿山生产规模、矿石实验室试验、劳动生产率、基础理论研究、地下水治理等方面，都与国 2 外先进国家有一定的差距，钻孔施工技术有待改进和提高，实验室试验矿石样品的保存方法可望突破，薄壁套管的应用需要探索，液态氧和二氧化碳的使用应尝试，地下水治理技术的研究和应用应得到应有重视，基础理论研究期望加强。
2 钻孔成井工艺
2.1 钻孔施工
在30多年的地浸采铀研究、试验和生产中，我国钻孔施工速度始终未得到突破性提高。哈萨克斯坦、美国、澳大利亚等的地浸钻孔施工的速度是我国的几倍。在这些国家1台钻机一d平均进尺100m，包括安装在内，2d完成1个钻孔（150～200m）。而在我国一般情况下，200m深的孔需要7d完成，差距较大。这主要因钻机能力小所致（图1）。国外钻机能力很大（图2），且通过砾石层等苛刻岩层的能力强，故障率低，速度快，而且钻孔成本低。再则，国外钻机多为车载式，移动方便。
图1 我国地浸钻机施工 图2 美国地浸矿山钻机搬家
但国外钻机投资很大，1台钻机的价格是我国地浸千米钻机的几倍甚至十几倍，这也是为什么我国钻孔施工队伍宁愿使用功效低的国产钻机的原因之一。同时，与国外相比我国地浸矿山规模小，钻孔施工量小，即便是在限定时间内工程量大，也是采用多台国产低效钻机，而不用国外高效钻机。另外，美国等使用的地浸钻机都为柴油发动机驱动，而我国使用的地浸钻机都为电力驱动，再转换为动力。
为推动我国地浸技术的发展和进步，有必要尝试使用效率高、能力大的钻机，并评价其成本和投资的可行性。
2.2 钻孔逆向注浆 3 地浸矿山主要是通过钻孔来实现生产，钻孔成井质量的好坏直接影响矿山产量与成本。为隔离各含水层，保护钻孔，在钻孔中下入套管后要对孔壁与套管之间的环形空间注水泥浆封孔。我国目前采用的注浆方法为正向注浆，即将水泥浆从上向下注入。这种方法最大弊端是产生混浆段，封孔质量得不到保证。美国地浸矿山广泛使用的是逆向注浆封孔技术，水泥浆从套管内注入，水泥浆经套管上预留的小孔进入孔壁与套管之间的环形空间，排挤掉泥浆，上升至地表。这种注浆方法避免了混浆段的产生。
我国自开展地浸采铀技术研究以来，钻孔施工中一直采用正向注浆方式。2000年起着手逆向注浆的现场试验[1]，但目前为止，还未在生产中应用。对于这项关键的钻孔施工技术，需进一步研究。
2.3 钻孔套管切割
为更好地保证钻孔封孔注浆质量，美国在施工中钻孔钻穿矿层部位至终孔深度，然后全段下入套管，成井时整个井的深度内注浆。待水泥浆固结后，矿层段用切割刀具将套管和注浆水泥环一起切掉，形成裸孔过滤器或下入可更换式过滤器。这种方法可保证注浆水泥与套管和孔壁紧密黏结，利于封堵溶液在矿层上下非矿砂岩中的通道，较托盘式和分段注浆的填砾式更可靠。另一种过滤器形成方法是水力穿孔，即在成井时整个井的深度内下入套管，全段注浆，然后在矿层段用高压水穿透套管和管外固结的水泥，深入矿层，形成多孔型过滤器。
目前，在我国地浸采铀领域尚未开展套管和水泥环切割的成井技术以及水力穿孔技术的研究，最主要的原因是缺乏相应设备。虽然在地浸现场开展了射孔成井工艺探索，但采用的是聚能射孔弹，且效果不明显。我国无论是在地浸采铀试验还是生产阶段，普遍应用填砾式或托盘式钻孔，这种结构的钻孔，由于钻井泥浆的渗入，或多或少会影响矿层渗透性。
2.4 逆向填砾与过滤器的更换
套管内插入填砾管的逆向填砾法在美国普遍使用。这种填砾方法工艺过程类似于逆向注浆，填砾过程中砾石从底部向上运动，可保证过滤器周围砾量均匀，密实。
如图3所示，过滤器底端装有2个反向单向阀，在下过滤器前，在地表将填砾管安装好，填砾管要穿过2个单向阀。填砾时，用泵将水和砾石的混合物从填砾管上端注入到矿层位置，一般水和砾石混合物中砾石的质量含量在5%左右，填砾的流速约为1.83m/s。填砾结束后，将填砾管抽出，关闭过滤器下端的2个单向阀，保证过滤器底端既不能出水也不能进水。过滤器下部无沉砂管。
4
图3 逆向填砾示意图
过滤器是钻井的咽喉[2]，如果被破坏或不能正常工作都将不同程度使井失去作用，甚至导致生产中断。在生产过程中，过滤器常发生的问题是堵塞。地浸矿山1个采区的生产一般需2～5a时间，下入井内的过滤器由于受许多因素的影响，有的可以持续到生产结束，而有的则不能保证在整个生产阶段完好无损。特别是在碱法地浸矿山，由于碳酸盐结垢会严重影响过滤器工作性能，使过滤器寿命大大缩短。实践表明，依靠洗孔方法不但影响生产，而且无法从根本上解决问题，而且，在钻孔成井时，还可能发生因注浆管插入过猛而损坏过滤器的事故，所以更换过滤器是唯一有效的途径，既节省资金又节省时间。美国地浸矿山采用的可更换式过滤器如图4所示。
5
图4 可更换式过滤器
过滤器更换分破坏性更换和替换性更换。破坏性更换是在孔内下入切割刀具，将过滤器切割成碎片，然后用高压水冲至地表，再下入新过滤器。替换性更换是将已无法正常工作的过滤器从孔内提出，下入新过滤器。
我国尚未尝试逆向填砾法，而正向投砾管投砾或地表直接投砾的方法很难准确控制投砾量和投砾高度。2000年我国在地浸现场开展了可更换式过滤器的试验，取得了初步成功。可更换的过滤器是在叠圈过滤器的顶端接螺纹管，螺纹管上设有环扣，方便下入和取出过滤器。单纯过滤器更换较易实现，特别是对于裸孔结构的井，但是当井采用填砾式结构时，如果不采用逆向填砾方法，过滤器更换便无法实施。过滤器更换迄今为止尚未在生产中应用。我国目前正建设多个碱法地浸矿山，过滤器堵塞现象时有发生，因此，开展过滤器更换技术的研究有重要意义。
3 套管壁厚与套管连接
在地浸实践中，一味追求增加套管壁厚来增加拉力的作法存在一些问题。计算表明，无论是否考虑地下水浮力，壁厚6mm套管的安全系数都等于壁厚15mm套管的安全系数，并非壁厚15 mm的套管更保险。这是因为套管在下放过程中只承担套管本身自重，而无任何外来载荷。但是，同样材质的PVC套管，当长度200m时，壁厚6 mm套管比壁厚15 mm套管节省成本约1万元。
在美国地浸矿山中，薄壁管的使用已较广泛。在Smith Ranch地浸矿山所用套管直径127 mm，壁厚6.55 mm，每根长6 m。这种套管在Christensen和Crow Butte地浸矿山同样 6 也使用。
在我国，无论是现场试验还是生产绝大多数情况下使用的是厚壁套管，生产矿山全部使用厚壁套管。因此，要在国内开展薄壁套管的研究与应用首先需正确认识薄壁套管的优缺点，突破习惯势力的束缚，纠正长期以来靠增大套管壁厚来增加套管拉力的作法，开展必要的探索性试验。阻碍应用薄壁套管的另一个原因是注浆方式，我国的正向注入水泥浆方式不但保证不了注浆质量，增大套管的径向压力，而且套管外壁与孔壁的环形空间插入直径约40 mm钢制注浆管，是否会伤害套管也值得商榷。
如果使用薄壁套管，则不可能采用丝扣连接方式。因此，胶结被广泛应用，几十年的实践证明，这种连接方法是完全可行的。在国内，套管连接均采用丝扣方式(图5)，如果采用胶结（图6）就必须找到或研制出强度高、凝固时间短的粘合剂，这是能否应用薄壁套管的关键。
图5 我国套管丝扣连接 图6 美国套管黏结过程
4 压裂封堵与压裂助渗
4.1 压裂建造人工隔水层
近些年，为拓宽地浸采铀技术的应用范围，对于如何将地浸采铀技术应用于低渗透砂岩开展了大量的研究和试验，但多年的试验仍然无法摆脱矿层渗透性低、钻孔抽注液量无法满足生产需要的困扰。为此，能否借鉴石油开采地层压裂技术增大铀矿层渗透性问题不至一次地被提出。
实际上，在地浸采铀中前苏联已经将压裂技术成功地应用在人工建造隔水层上。某矿床以面积计算20%的地段矿层下部无隔水层，面积130×190m。试验采用压裂方法注入防酸水泥，建造的隔水层面积24600m2。试验中施工压裂孔9个，呈方格布置，间距60m [3]。为检查压裂注入水泥的封堵效果，在该试验块段设置检查孔6个。经检查和实践得出，经压裂 7 注入的水泥波及半径为12.5～17.5m。人工建造隔水层后，抽注有效厚度由原来的25m减少到7m；注液量和抽浸量为原来的1/3；铀浓度是原来的3.25倍；酸化时间和开采时间是原来的0.67倍。实践证明，在地浸开采中通过压裂技术人工建造隔水层是完全可行的，可显著地改善地下浸出条件。
我国近年来在地浸生产和试验中曾遇到一些矿床含矿含水层厚度大，而矿层厚度小的矿床。对于这样的矿床，浸出过程不单浸出液铀浓度低，同时试剂耗量大。针对这种类型的矿床压裂封堵是值得一试的措施，但至今我国尚未在地浸采铀领域实施压裂封堵技术。为解决此类矿床的地浸开采问题，国内某地浸矿山已着手探索压裂封堵建造人工隔水层技术，方案正在制定之中。
4.2 压裂改变矿层渗透性
石油压裂助渗技术早在上世纪80年代前苏联已在地浸矿山进行试验，并获得较好的效果。1984年，为在凝灰粉砂岩中建造强渗透带改善地浸条件，某矿床采用水力压裂技术进行试验[6]。矿床渗透系数0.01m/d。压裂钻孔呈5点型布置，中心孔与4个对角孔间距15 m，中心孔揭露矿层中部， 2对对角孔分别揭露矿层上部和下部，目的是通过水力压裂建造3条水平延伸的裂缝。压裂使用水砂射孔器，压力17～22 MPa，流量8.3～8.8L/s，砂含量45～135g/L。压裂后注水效率提高4～9倍，抽水效率提高1～2倍。
近几年我国一直在低渗透砂岩铀矿床开展地浸采铀试验，虽然在钻孔施工和成井工艺上采取了多种措施，但因矿层渗透性太低，钻孔抽注效果始终不理想。这种矿床的存在为我们探索压裂增大矿层渗透性提供了试验条件。
5 液态氧的使用
氧气是普通的工业原材料，具有较强的氧化性能，而且，选择性好，无副作用，氧化效率高。因此，一些地浸矿山特别是碱法浸出地浸矿山多用氧气作为氧化剂。以氧气作为氧化剂成本低。据报道，采用氧的费用仅为采用过氧化氢费用的10%～20%。迄今为止，我国地浸领域以氧气作为氧化剂的研究已从实验室走向现场，但是采用液态氧作氧化剂的研究尚未开展。
二氧化碳大量被碱法地浸矿山所使用，通过二氧化碳有助于产生调节溶液pH值的碳酸氢根，既有利于金属铀的浸出又可抑制沉淀的发生。目前，我国碱法地浸矿山均使用二氧化碳。
为降低成本，减小劳动强度，美国碱法地浸矿山多半使用液态氧和二氧化碳。实践证明，使用液态氧和二氧化碳成本低，操作简单，劳动强度低，安全。我国在几个矿山的试验中均