1、1美国地浸铀矿山钻孔成井工艺及井场运行王海峰 1 ,苏学斌 2 , 刘乃忠 2 , 邢拥国 3 , 武伟 3 ,程宗芳 2（1 核工业北京化工冶金研究院，北京，101149；2 中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古通辽，028000；3 新疆中核天山铀业有限公司，新疆伊宁，835000）摘要：对美国地浸铀矿山钻孔结构和承压能力试验、过滤器形式和使用、注浆方式和设备、套管性能和连接、井场浸出结束点和溶浸范围控制等技术和工艺的特点进行系统介绍。美国地浸矿山采用氧气和碱法浸出工艺，所开发的钻孔施工和成井工艺以及井场运行操作针对性强，与国内相比，所介绍的技术和工艺先进大都未在国内应用，对我国地浸采铀技术的
2、研究和开发有一定借鉴意义。关键词：地浸； 铀矿山； 成井工艺； 井场运行1957 年美国学者提出地浸采铀的设想是以分布在美国中西部、南部的大量疏松砂岩铀矿床为背景的，而后，地浸采铀试验始于上世纪 60 年代初，70 年代初怀俄明州、新墨西哥州和得克萨斯州先后建成多座地浸采铀矿山，鼎盛时期的 1981 年地浸铀产量达到最高峰，2020t U 3O8。目前，美国铀产量主要来自地浸矿山。在美国，几十年的地浸采铀实践促进了新技术、新工艺的开发和应用。由于受联邦政府和州政府环境保护要求的制约，浸出剂的使用从硫酸到碳酸铵+碳酸氢铵、碳酸钠+碳酸氢钠、二氧化碳+氧气、氧气，经过了多次演变。同样，在钻孔结构上
3、也曾经历多次探索，裸孔结构，射孔结构，套管、水泥层和矿层切割结构，隔塞式结构，套管内填砾结构等。成井注浆工艺上也从预留注浆孔逆向注浆发展为预留空隙逆向注浆。氧气注入方法上，从井口通过管路的注入进步到集中控制室氧气分配。虽然一些工艺在持续改进，但为保证成井质量的钻孔承压检查试验和为减少地表污染源的无配液池和集液池的井场工艺却始终贯彻至今。我国地浸采铀已走过 40 年，引进、研究和开发了一系列地浸工艺，诸如潜水泵提升、外骨架过滤器、硝酸盐淋洗、密实移动床水冶工艺、CO 2+O2浸出工艺等，特别是在低渗透砂岩型铀矿床的地浸开采、高矿化度地下水条件下的碱法浸出、井场和水冶厂生产自动控制、低品位矿床的开
4、发等方面的研究和实践取得令人瞩目的成绩并处于世界领先水平。但也应认识到，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、劳动生产率、基础理论研究、地下水治理等方面，都与美国有一定的差距，特别是直接影响成井质量和钻孔成本的逆向注浆技术、过滤器更换技术和薄壁套管应用技术的研究与应用在我国地浸领域尚属空白。笔者借本次美国地浸矿山考察的认识，集中讨论美国钻孔成井工艺和井场运行操作，希望与同行达成共识，尽快推动美国先进技术在我国的开2发和应用。2 钻孔施工、成井与承压测试2.1钻孔结构与施工美国地浸矿山的钻孔施工均以合同形式外包给专业钻探公司，在一些矿山，为保证抽注井互相交换，2
5、 种类型井的结构与成井工艺完全相同。得克萨斯州 Kingsville Dome 和Palangana 矿山，钻孔施工时先以 100150mm 直径钻头开孔钻穿矿层至底板，然后再用直径为 175250mm 钻头钻至矿层顶板，下入套管，注浆后在套管内下入扩孔钻头将矿层段扩大至直径为 330mm，如图 11。怀俄明州的 Christensen 矿和 Smith Ranch 钻孔结构和施工程序也与此相同。图 1 美国 Kingsville Dome 和 Palangana 矿山钻孔结构美国怀俄明州 Highland 矿山钻孔与上述施工程序不同，先用直径为 200250mm 钻头钻到矿层顶部，再换直径为
6、 130mm 钻头钻穿矿层 2。下入套管，水泥注浆后在套管内下入钻头对矿层扩孔至直径为 280mm。美国内布拉斯加州 Crow Butte 矿山钻孔施工用小钻头钻穿矿层，然后换大钻头扩孔至矿层底板，下入套管，注浆后将矿层段套管、水泥和矿层一起切掉形成裸孔，再下入过滤器。为获得较高浸出液铀浓度，人为缩短过滤器长度。另外，美国曾使用过隔塞式的钻孔结构，即在过滤管上端有隔塞，防止注浆水泥渗入矿层，如得克萨斯州的 Zamzow 和 Clay West 矿山。2.2 矿层段扩孔工艺美国地浸矿山矿层段扩孔可分为 2 种形式，无套管的扩孔和有套管的扩孔，图 1 为无套管的扩孔。这种扩孔结构套管下入至矿层顶板
7、，并水泥注浆封孔，然后从套管内下入扩水 泥 封 孔 套 管钻 孔 直 径 175-20中 心 定 位 器 3个可 更 换 过 滤 器注 浆 底 端扩 孔 导 孔3孔钻头将矿层段直径扩大。扩孔钻头侧边设有可张开扩孔刀具，前端安装钻进钻头，既能将矿层段直径扩大并能获得进尺，如图 2 所示。图 2 扩孔钻头示意图扩孔钻头上端与钻杆连接，在无压力下呈收缩状态，扩孔时将其从套管内下入至扩孔段。扩孔过程中由地表泥浆泵对泥浆加压，在压力作用下驱使刀具张开，完成扩孔操作。扩孔期间泥浆一直保持在压力状态下，扩孔结束后停止加压，刀具自动收缩，从套管内提出。经多年实践证明，尽管存在钻孔偏斜和钻杆在套管内旋转问题，但
8、从未发生因扩孔造成套管损坏的事故。2.3 钻孔承压能力测试无一例外，美国地浸矿山在钻孔成井后也必须进行承压测试，检查套管在一定压力下的完好程度，发现泄漏及时处理，必要时重新施工钻孔。美国铀能源公司（Uranium Energy Incorporation）地浸矿山装备有专门的成井耐压测试设备，该设备安装在拖挂车上，如图 3。车上装备有水和氮气贮罐，封隔器提升和下放绞车，压力分配器，管路及压力表等。车的前端为拖挂支架，便于机动车牵引，在井场内自由移动，完成对不同位置井的测试工作。4图 3 钻孔承压测试装置孔内施压通过车上压力分配器完成，分配器设有一个出口和 2 个进口，与主管路方向一致的出口为排
9、气孔，一侧与主管路垂直的支管为大流量进水口，另一侧支管为小流量进水口。测试中如果孔内水位很低，先利用大流量的进水口将孔内充满水，然后再利用小流量的进水口加压。测试前将 2 个封隔器（图 4）下入孔内，一个位于过滤器上方，一个位于井口，然后通过氮气对封隔器加压。封隔器在压力作用下橡胶鼓开始膨胀，与套管内壁紧密结合达到密封效果。维持测试压力为 1.1Mpa（每隔 2min 读取一个压力值） ，持续10min，压力降低小于 2%为标准。如果有泄漏发生，则将过滤器上端的封隔器上移继续测试，判断泄漏位置，进行修复，严重时重新施工钻孔。5图 4 钻孔承压能力测试封隔器美国 Smith Ranch 等矿山均
10、采用测试车对成井后的钻孔进行承压能力测试。在Highland 矿山，钻孔成井后用一个聚焦双点电阻探头进行测井,确认井的机械完整性，同时，还有一个装在汽车上的钻孔摄像机来直观观察井的完整性。3 钻孔过滤器类型与使用3.1 过滤器形式美国铀能源公司使用的过滤器为缠丝式，如图 5。这种过滤器由专门厂家加工，通过热熔将塑料丝缠绕在过滤管的外围并固定，过滤器内管上钻有直径 10mm 的孔，孔隙率 30%。与美国早期使用的叠圈式过滤器相比，该种过滤器的最大优点是整体性好、强度高。过滤管外缠绕的是一根连续不断的塑料丝，增强了内管的强度。而叠圈式过滤器叠圈与过滤管分离，每个圈套在过滤管外，整体性和强度都较差。
11、另外，叠圈式过滤器由钻孔施工队伍在现场加工，规范性差，加工时间长。两圈相邻缠丝的缝隙由丝直径和缠紧程度控制，适应不同矿层的需要。图 5 美国铀能源公司钻孔可更换式缠丝过滤器这种过滤器在美国地浸矿山 Smith Ranch 也有使用，称之为 Jonson 缠丝式过滤器。3.2 过滤器更换化学堵塞是由于地层中存在与注入试剂发生化学反应生成沉淀物的成份，这些沉淀物堵塞过滤器。如果矿层中钙含量过高，在酸法浸出时会因注入 H2SO4而生成 CaSO4沉淀；在碱法浸出时，会因注入碳酸盐而生成 CaCO3沉淀。无论是机械洗井还是化学洗井（美国技术人员认为，过滤器因细菌作用而堵塞） ，都无法保证过滤器的能力能
12、恢复如初。由于化学堵塞的存在，钻孔抽液量或注液量下降，严重的使井报废，影响矿山产量，更换过滤器是6解决这一问题最根本的方法美国铀能源公司及其它地浸矿山采用相同的可更换式过滤器钻孔结构，如图 1。过滤器顶端设有挂钩，与卡口灯泡结构相同，以便与下入和提出装置接头连接（与卡口灯泡底座结构相同） 。套管上端套有两个橡胶密封圈，相隔 300mm，与套管内壁紧密结合，达到密封止水效果，如图 5。美国 Hightland 等矿山曾采取的在钻孔内下入切割刀具将旧过滤器切割成碎屑，用清水冲洗至地表，然后下入新过滤器的办法现在已很少应用。3.3 套管内填砾工艺美国铀能源公司目前采用的钻孔结构，因矿层段在水泥封孔后
13、扩孔，再下入过滤器，只能采取套管内填砾工艺。更换时，旧过滤器提出钻孔后，过滤器周围的砾石会自然塌落在钻孔底部，为下入新过滤器，必须将砾石冲至地表。然后下入新过滤器，再完成套管内填砾操作。为进行套管内填砾，美国铀能源公司在可更换式过滤器（图 5）底端以相反方向安装两个既止顺流又止逆流的截止阀。过滤器下入前，将小直径内管穿过 2 个截止阀并与过滤器提升装置接头连接，然后一起下入套管内。填砾时，通过内管利用压缩空气将砾石充填至过滤器周围，根据地表压力表的压力变化判断填砾是否结束。这种套管内的填砾方法砾石可使用人造塑料球或石英砂。过滤器底端安装 2 个截止阀的作用是适应抽注井液流不同方向的流动，并保证
14、内管抽出后砾石不会进入套管。这种套管内填砾的方法美国怀俄明州 Smith Ranch 地浸矿山 DEStover 总工程师2003 年来核工业北京化工冶金研究院讲学时曾介绍，该方法在美国地浸矿山普遍采用，可有效地配合过滤器更换工艺。4 钻孔成井逆向注浆4.1 预留注浆孔注浆美国地浸矿山均采用逆向注浆方式封孔，即水泥浆从套管内压入钻孔底部，然后沿钻孔内壁与套管外壁之间的环形空间上返。与正向注浆方式比较，逆向注浆更科学，可避免混浆段的产生。预留注浆孔注浆是在套管底端钻 2 个直径 25mm 的注浆孔（图 6） 3，水泥浆在压力作用下经套管通过注浆孔进入钻孔内壁与套管外壁之间的环形空间。这种逆向注浆
15、方式将套管和过滤器一起下入孔内，在套管内的过滤器上部预设隔塞，防止水泥浆渗入过滤器，注浆结束后将隔塞打掉。7图 6 预留注浆孔逆向注浆结构4.2 预留空隙注浆预留空隙注浆方式也是逆向注浆的一种，与预留注浆孔注浆方式所不同，套管底端不预留注浆孔。这种注浆方式套管底端距钻孔变径台阶处 200300mm ，使水泥浆能从套管内压入套管与孔壁之间的环形空间（图 1） 。另外，这种注浆方式套管和过滤器分次下入，注浆结束后下入钻头扩孔，然后下入可更换式过滤器。该工艺简单、可靠，但必须使用可更换式过滤器。美国地浸矿山 Palangana 和 Goliad 采用此种逆向注浆方式。4.3 注浆设备钻孔封孔注浆是一
16、项繁重耗时的工艺，为加快成井速度，降低劳动强度和人工成本，美国一般通过拖挂车实现注浆操作，可自由移动至每个钻孔位置。注浆拖挂车上装备水泥浆搅拌槽、泥浆泵、控制阀门、压力表、水和水泥浆输送管路等，如图 7。注浆时将干水泥倒进入泥浆搅拌槽，经设在搅拌槽内的水管冲水搅拌，然后经泥浆泵压送至钻孔套管内，当水泥浆从钻孔内壁与套管外壁之间的环形空间返至地表后，继续向套管内压入与套管体积量相等的清水，将套管内水泥浆压出，封闭井口，保持压力，注浆结束。待水泥浆凝固后，靠近地表段收缩下沉，再从地表将收缩段填实。8图 7 钻孔封孔注浆设备注浆所需水泥量为计算钻孔内壁与套管外壁之间的环形空间体积的 110%。不但矿
17、山装备水泥注浆设备，而且还有专门的钻孔清洗设备。钻孔清洗设备安装在汽车上，便于移动，车上装备潜水泵下放和提升装置。该装置不但能完成钻孔清洗，而且还能承担抽水试验任务。5 钻孔成井套管5.1 套管材质与壁厚美国地浸矿山使用的钻孔套管比较统一，均为美国 SPEARS 公司生产的 PVC 管。这种PVC 管每根长 6m，直径 127mm，壁厚 6.55mm，可承受 1.5MPa 的压力。另外，美国也曾使用过玻璃钢套管。5.2 套管的连接方式由于受套管壁厚的限制，美国套管连接不采用螺纹方式，目前连接方式有 2 种，胶接和密封圈连接。胶接套管一端加工成 150mm 长的连接头，内径与套管外径相同。连接时
18、将胶涂抹在套管另一端，然后插入连接头内。套管还可通过密封圈连接，美国铀能源公司地浸矿山均采用这种方法。套管一端加工成 150mm 长的连接头，内径与套管外径相同。连接头内有 2 条环形沟槽，顶端沟槽置入橡胶圈。连接时将套管另一端插入连接头内，然后将另一根密封圈插入，图 8。据多年实践验证，这种连接方式简单、可靠。9图 8 套管密封圈连接形式6 井场生产运行6.1 抽注平衡控制美国铀能源公司 Palangana 矿在设计阶段便对井场钻孔抽注液量科学分配，图 9，使每一抽注单元达到平衡。生产期间，为使井场能按设计方案运行，操作人员每天根据抽注平衡要求对井的抽注液量进行调整，总体上始终保持抽液量大于
19、注液量 1%。由于该矿山矿层渗透性为 5m/d，所以可以对各井抽注液量自由调整，美国地浸矿山几乎不存在钻孔注不进液的情 况。注 液 井抽 液 井10图 9 井场抽注平衡设计为节省能源并减少污染源，美国地浸矿山均无集液池和配液池。Kingsville Dome 矿山有 60 个抽出井和 60 个注入井，浸出液由潜水泵直接送入水冶厂，经袋式过滤器后进入吸附塔。这种设计避免了潜水泵能量的释放和集液泵房输送泵的能源浪费，经多年实践验证，运行良好。6.2 浸出结束点地浸矿山井场运行年限由浸出结束点控制，浸出率和浸出液铀浓度通常作为判断井场结束与否的参数 4。浸出率反应了矿石浸出的难易程度、地浸的技术水平
20、及经济效果，与浸出时间有直接关系。浸出液铀浓度直接影响矿山生产能力和生产成本，是判断井场能否持续运行的重要指标。另外，有些矿山也将液固比作为判断井场浸出能否持续的指标。目前，美国地浸矿山判断井场浸出是否结束完全不采用浸出率、浸出液铀浓度或液固比，而是以成本作为唯一指标，换句话说，市场铀价格决定井场能否持续运行。得克萨斯州 Kingsville Dome 于 2009 年 8 月停止生产时浸出液铀浓度 20mg/L，而 Rosita 矿山井场浸出率仅达到 40-50%时就停止生产，因市场铀价格走低，继续生产已无利可图。由于停止生产时的浸出液铀浓度相对较高，浸出率较低，因此，美国井场运行时间短，一
21、般为一年左右，Kingsville Dome 井场仅运行 8 个月就已结束。6.3 浸出剂类型及使用由于铵盐造成的地下水污染和钠盐引起的粘土膨胀问题，美国地浸矿山仅使用二氧化碳和氧气浸出剂。得克萨斯州铀资源公司（Uranium Resources Incorporation）的Kingsville Dome、Rosita 和 Vasauez 矿山仅用氧气作浸出剂，质量浓度为 300mg/L，浸出过程中碳酸氢根质量浓度 320700mg/l。Kingsville Dome 矿体埋深 170230m，地下水水位 24m。注入井氧气管为软管，长为 60m，底端连接 1.2m 长的钢管。钢管仅为软管下
22、入井内方便考虑，上面并无微孔。美国试验证明，使用微孔的钢管并未改善氧气溶解度。该矿氧气注入方法与美国怀俄明州的 Smith Ranch 等矿山不同，Smith Ranch 矿山氧气从集中控制室加入，分配到各注入井。铀能源公司的 Palangana 矿床在生产时将使用 NaHCO3和 CO2作为浸出剂，根据情况两者同时或分开使用，CO 2主要作用是调节 pH 值，有堵塞发生时加入。另外，该矿床未做现场试验，准备直接投入生产，设计浸出液平均铀质量浓度 75mg/L，平均抽液量 7m3/h。为11控制溶浸范围，井场外围布置抽出井。6.4 溶浸范围控制为控制溶浸范围，减少对地下水的污染，铀能源公司使用
23、 PathCAD 软件模拟生产时注入井溶浸范围和抽出井溶浸范围。模拟时可从第 1d 起至生产结束，实现实时监测，通过计算机绘制不同时间的注入井溶浸范围和抽出井溶浸范，两者图形相比较，确保抽出井波及的范围大于注入井的范围，溶液不外流。如果模拟中发现某区段注入井溶浸范围大于抽出井溶浸范围，必须调整该区段井抽注液量，重新模拟，直到达到要求。7 认识与结论1）矿层段扩孔是美国地浸矿山普遍采用的钻孔结构，由于扩孔，钻孔直径增大，抽注液量增加，同时扩孔还可清除掉残留在孔壁上的钻井泥浆，恢复矿层渗透性能。目前，我国地浸钻孔基本不扩孔，而且我国可地浸铀矿床渗透性普遍低于美国，因此，有条件时应借鉴美国扩孔结构；
24、2）成井后钻孔承压能力测试是检查钻孔成井质量的最好办法，美国已普遍使用，矿山装备专用承压测试设备，手段完备，技术先进。钻孔成井质量检查我国采用电流测井的方法，该方法是在无外加压力情况下检查套管渗漏状态，但有些钻孔是在承压下工作，特别是注入孔，而该方法无法检查到因压力作用套管的渗漏情况。美国钻孔承压能力测试需专用设备，试验过程相对复杂，但我国仍有必要探索该方法应用的可行性；3）目前我国普遍使用的叠圈式过滤器是从美国和乌兹别克斯坦引进，更新了原来外包尼龙网的过滤器。但是，与美国使用的缠丝过滤器比较，强度低、整体性和加工规范性差，而且现场加工费时费力。如果采用美国缠丝过滤器，必须找到固定的生产厂家。
25、实际上，这种过滤器在国内水井施工中经常采用，有应用的基础和生产条件。另外，过滤器更换技术在国内已呼吁多年，目前仍不具备该项技术。早期因我国无碱法地浸矿山未被引起重视，但随新疆 738 厂和通辽铀矿的投产，过滤器堵塞问题将突出，因此，有必要研究开发该项技术。过滤器更换技术应用必然存在套管内填砾的问题，该项技术虽然在美国普遍采用，但在我国从未尝试，如果钻孔使用可更换式过滤器，那么，套管内填砾工艺就必然提到日事日程；4）与美国钻孔封孔逆向注浆方式比较，我国一直沿用的正向注浆方式存在极大弊病，不科学，不但容易产生混浆段，封孔质量差，而且注浆管损坏套管管箍的现象时有发生。在 2008 年的新疆 731
26、厂建设钻孔施工中，18 个钻孔有 3 个因套管破裂而重新施工；2009年施工的 84 个钻孔中，有 10 个钻孔套管破裂而重新施工，这与正向注浆插入注浆管密切12相关。逆向注浆工艺并不复杂，我国石油部门已采用多年，在地浸铀矿山钻井工艺中应尽快采用；5）受前苏联地浸技术的影响，我国钻孔一律使用厚壁管，而美国所有地浸矿山统一使用壁厚 6.55mm 的薄壁管。从目前条件看，套管生产和每根套管之间的连接已不是问题，更何况美国 SPEARS 公司在中国设有多处代理商和厂家。为降低套管成本，开展薄壁套管的应用试验已迫在眉睫；6）美国地浸矿山抽注平衡控制靠调整井抽注液量实现，虽然思维方式差异，但方法与我国相
27、同。美国地浸铀矿床渗透性好，井的抽注液量有很大调整余地。而我国地浸矿床渗透性普遍低于美国，因此，美国控制抽注平衡的设计方法在我国很难实现。7）美国地浸矿山全部为私人经营，以盈利为目的，浸出结束点完全决定于成本和市场铀价格可以理解。与美国不同，我国地浸铀矿山不可能仅以成本为浸出结束点，至少目前不能；8）地浸矿山浸出剂的使用受环境保护的限制，但同时也受矿床矿物成分和化学成分等因素的制约。美国多座地浸矿山仅利用氧气浸出，收到良好效果，我国虽然开展过仅注入氧气的现场试验，但都因浸出液铀浓度低而失败。在浸出剂使用上我国探索多种类型，目前新疆 510 矿床的微酸浸出已显露出初步效果，在有条件的地方开展多类
28、型浸出剂应用试验是非常必要的；9）我国开展溶浸范围的研究历史较长，也推出过相应计算机程序，但目前却无一种应用的模拟软件。美国使用的 PathCAD 溶浸范围模拟软件可调整井抽注液量，模拟任意时间的抽出井和注入井的溶浸范围，为溶浸范围的控制提供了依据。我国曾多次提出开发类似软件的设想，但至今尚未实现，影响了地浸科技进步。参考文献1 Uranium Energy Corporation，Palangana 3 Plant 739 of Tianshan Uranium Industry Ltd.Co, CNNC，Yining Xinjiang,835000）Abstract：With sites
29、investigation and documents reviewing on in-situ leaching of uranium mines in US,the techniques and technologies of well configuration and completion test, type and application of filter, way and equipment of cementing,special feature and jointing of casing,endpoint of well field leaching and contro
30、l of leaching area have been well known and deep understood. It is the oxygen and alkaline leaching procedure that are used in US in-situ leaching of uranium mines for which the drilling and well completion as well as the behaviour of well field operation were developed, compared with in-situ leaching of uranium mines in China, most of the technologies introduced above are not applied and will be referenced. Keywords: in-situ leaching; uranium mine; well completion; well field operation作者于 2010 年 2 月 27 日-3 月 9 日考察了美国铀能源公司 Goliad、Palangana 和 Hobson 地浸矿山和水冶厂，铀资源公司 Kingsville Dome 地浸矿山和水冶厂。
