几种洗井技术在钱家店铀矿床的应用

张德存，汤庆四，赵生祥，孙 祥

(1.中国铀业有限公司，北京 100013；2.中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

原地浸出采铀浸出液中的悬浮颗粒质量浓度为30～80 mg/L[1]，随着生产运行，这些颗粒引起的堵塞作用会导致井生产能力下降。另外，采区含矿含水层地下水中各种离子浓度的变化也会产生化学堵塞，导致井生产能力下降[2]。

钱家店铀矿床采用“CO2+O2”原地浸出工艺，其采区溶浸范围内的地下水pH为6.8～7.5[3]11，基本保持含矿含水层地下水原有pH环境。溶浸液和浸出液的钙、镁、铁等金属离子浓度基本保持含矿含水层地下水的本底水平[4]53。在采区浸出运行初期，抽出井和注入井的化学堵塞与机械堵塞特征均不明显；但随着采区长期抽注运行，抽出井和注入井的生产能力逐渐下降，尤其注入井的注液能力下降明显。根据井生产能力变化特征，认为颗粒引起的机械堵塞是导致生产能力逐渐下降的主要因素。

空压机洗井是一种使用广泛、操作简洁、成本低廉的洗孔方法，是各类地质勘探水文地质孔洗井[5]、农田水利机井洗井[6]、地热井洗井[7]的常用物理洗井方法。针对钻井清洗难度大问题，新疆某地浸矿山提出“自动压气活塞洗井”[8]。内蒙某地浸矿山自动化压气洗井工艺的研究与应用效果显著[9]，内蒙某地浸矿山通过微酸增注、空压机洗井、化学洗井等不同方法的应用[10-11]，有效解决了钻井堵塞问题。

钱家店某采区选用空压机洗井方法对工作能力下降的生产井进行洗井，50%～60%的生产井恢复了工作效率，但剩余40%～50%的生产井洗井效果不明显。针对空压机洗井效果不明显，结合钱家店铀矿“CO2+O2”原地浸出工艺和矿床水文地质特点，研究空压机化学联合洗井、高压气活塞洗井、高压气活塞化学联合洗井等多种洗井方法。

1 矿床水文地质概况

钱家店铀矿床在区域上隶属松辽平原西辽河盆地开鲁拗陷水文地质区，区内分布巨厚的中新生界碎屑岩及松散堆积层，形成了丰富的孔隙水和孔隙裂隙承压水。依据矿床的含水构造和埋藏条件，矿区可划分出第四系松散砂含水层、上白垩统嫩江组含水层、上白垩统姚家组上段含矿含水层、上白垩统姚家组下段含矿含水层等含水层[12]118。

上白垩统姚家组下段含矿含水层是钱家店铀矿床主矿体发育层位。含水层埋深218.9～238.2 m，厚63.0～71.2 m。含矿含水层岩性以浅灰色、浅红色含粉砂细-中粒砂岩、中细砂岩、细砂岩为主，其次为细砂岩和少量粉-细砂岩，具有粒状结构，块状构造。其矿物成分以石英、黏土矿物为主，含少量长石、云母，其次为含泥砾岩屑长石中砂岩、粗砂岩、灰色粉砂岩等，局部含炭屑。上白垩统姚家组下段含矿含水层渗透系数0.13～0.19 m/d，其承压水水位埋深较浅，一般5.94～13.08 m，承压水头217.96～372.49 m，矿化度3.64～4.89 g/L，pH 7.15～7.79，水化学类型主要为HCO3·Cl-Na型及Cl·HCO3-Na型[12]127。

钱家店铀矿床矿石类型，按铀矿成因可划归为辫状河流相砂体中后生层间氧化带型铀矿床；按矿石结构及含矿岩石类型划归，该铀矿床以细粒砂岩型铀矿床为主，部分为中粒砂岩型铀矿床。矿床含矿砂岩碳酸盐总体偏高，矿体中含少量碳酸盐胶结的薄层状小透镜体，这些透镜体碳酸盐含量很高(>12%)[13]27。

2 堵塞原因分析

2.1 微粒运移堵塞

随着抽注浸出运行，矿层中的微粒随液流运移，在抽出井和注入井近井地带沉积下来形成堵塞。这种微粒主要包括黏土(粒径小于4 μm的层状硅酸盐)和粉砂(粒径4～64 μm的硅酸盐或铀硅酸盐)。微粒堵塞通常发生在井周围半径3～5 m内，配液池中沉积的粉尘和粉砂随浸出剂被注入井下，也是微粒堵塞的重要原因[14]。

钱家店铀矿床含水层岩石颗粒相对比较均匀，含水岩石以中砂粉细砂岩、含粉砂细砂岩为主，粒径<0.05 mm粉粒占比高达10.07%～37.22%[12]121。钱家店铀矿床抽出井和注入井采用环型外骨架过滤器，外骨架缝隙0.8 mm，结构如图1所示[13]53。过滤器对粗砂、中砂、细砂能起到防砂作用，无过滤粉砂作用。

图1 环型外骨架过滤器示意图Fig. 1 Schematic diagram of ring type outer frame filter

2.2 化学反应堵塞

化学试剂注入矿层后，从矿石中溶解出来的某些离子可能发生水解沉淀，产生单一或混合的难溶物质，在矿层内堵塞孔隙，降低矿层渗透性，最常见的是CaCO3、CaSO4，还有FeCO3、Fe(OH)3等，碳酸盐沉淀是由于地下浸出环境pH控制不当引起的。

另外，地浸开采时地层流体中的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Na+浓度较高，这一方面会引起黏土蒙脱石化，即黏土向膨胀型转化；另一方面，在一定pH下Fe2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+容易沉淀堵塞矿层[3]182。

2.3 气体堵塞

CO2+O2原地浸出采铀工艺需采用气液混合装置将O2溶解于水中，配制溶浸液。气液混合装置通过将O2击碎成微小气泡，形成富含大量微气泡的溶浸液，达到溶氧目的。当溶浸液由注入井过滤器进入矿层时，部分未溶入于水的O2微气泡充斥在近井地带砂体孔道，由于微气泡的表面张力作用以及砂体颗粒对气泡的吸附作用，使其难以像液体一样在矿层中流动，而产生“气堵”现象。

气体堵塞主要通过井口排气，释放多余气而消除；也可通过减少O2加入量，并保持抽注运行，逐渐抽出富含气泡的溶浸液，或将注入井改抽出井快速抽出未溶气泡溶浸液而减轻。

3 洗井方法

3.1 空压机洗井

3.1.1 洗井原理

采用空气压缩机气体提升抽水原理进行洗井。利用压缩空气在井管过滤器区域产生的空气震荡作用和气体提升作用反复抽水，带出过滤器及周边矿层机械堵塞物来达到洗井目的。

3.1.2 空压机参数确定

空压机洗井所需的风量计算公式[4]39为

式中：V—每提升1 m3水所需的空气量，m3；k—系数，k=2.17+0.016 4h；h—从动水位到孔口的高度，m；H—风管下端至动水位的高度，m。

所需的压力计算公式[4]39为

P=0.01H+ΔP

式中：P—压缩空气压力，MPa；H—风管沉没静水位以下的长度，m；ΔP—压力沿井壁磨擦损失，一般<0.05 MPa。

根据钱家店铀矿床的特点及浸出工艺的特性，井出水量5.0～8.0 m3/h，计算所需空压机风量不小于2.5 m3/min，压力大于4.0 MPa。

3.1.3 洗井方式

实践表明，空压机连续抽水洗井效果远低于间歇式抽水洗井，风管一次性下至过滤器段的洗井效率远低于风管分段下至过滤器段的洗井效率。根据矿床含水层的涌水特点及井内水位恢复特点，空压机压风洗井时间30～45 min，停止压风等待时间10～15 min。根据矿床含水层的深度及过滤器深度，设定风管下放深度为150～200 m、250～300 m和过滤器上段，以洗出溶液清澈为判断标准。

3.2 空压机化学联合洗井

3.2.1 洗井原理

CO2+O2地浸采铀生产井的化学沉淀物主要为CaCO3、CaSO4、MgCO3、FeCO3、Fe(OH)3等。该类物质沉积在过滤器及含水层缝隙、孔隙内，机械洗井难以去除。利用盐酸易与该类物质发生反应生成可溶性盐类的特性[15]，首先将盐酸注入过滤器段，通过浸泡充分化学反应，溶解生产井化学沉淀物；再利用空气机洗井带出堵塞物，起到综合洗井目的。

3.2.2 盐酸用量计算

洗井所需的盐酸用量计算公式为

式中：V—压缩空气压力，m3；h—过滤器长度，m；D—预期外扩直径，m；d—井管直径，m；K—经验系数；F—岩石孔隙度。

根据钱家店铀矿过滤器长10～12 m，预期外扩范围0.3 m，井管直径0.148 m，岩石孔隙度25%～30%，经验系数1.1～1.2，计算得出盐酸用量为0.36～0.60 m3。

3.2.3 洗井方式

采用管道直接加入试剂，静态浸泡方式进行化学洗井。将φ32 mm的PE管下放到过滤器部位，通过泵将所需体积的工业盐酸(浓度32%)注入过滤器段，然后压入等管道体积的清水排空管道，最后关闭阀门浸泡。盐酸浸泡8～12 h后，采用空压机洗井，将井内化学反应溶液抽出，以抽出液pH达到地下水本底值和溶液清澈为洗井完成判断标准。

3.3 高压气活塞洗井

3.3.1 洗井原理

活塞洗井是通过活塞装置提拉、下放做往复运动，形成局部“负压”环境和猛烈水流冲击进行洗井[16]。活塞洗井易对井管造成损坏，尤其在300 m以上深度的生产井更易发生损坏。高压气活塞洗井是在井内形成有规律的压气、泄压，模拟活塞洗井往复运动，从而达到活塞洗井效果，使过滤器及周边矿层机械堵塞物产生松动、位移，最终达到疏通堵塞的目的。

3.3.2 压气参数确定

向密闭井内压气，将井内水压入矿层排空，需要克服的最小压力是含矿含水层的承压水头压力，即2.2～3.7 MPa。压气井内排空体积为静水位至孔口管内体积和压气管出口至过滤器底部管内体积之和，计算公式为

V=H·π·r2+h·π·r2，

式中：V—压气井内排空体积，m3；H—静水位至孔口距离，m；h—压气管出口至过滤器底部距离，m；r—井管内半径，m。

根据生产井综合物探电流测井曲线，静水位至孔口距离15～30 m，压气管出口至过滤器底部15～20 m，井管内半径0.064 m，测算得出压气井内排空体积为0.5～0.7 m3。压气空压机主要技术参数：公称容积流量3.4 m3/min，额定排气压力4.0 MPa。

3.3.3 压气方式

风管下至井管过滤器上部3～5 m，安装井口密封装置、排水管及阀门、排气管及控制阀，进行间歇式压气。现场设定压气时间15～20 min，保压10 min，排气2 min；循环往复3～5次后，采用空气压缩机抽水。

3.4 高压气活塞化学联合洗井

3.4.1 洗井原理

高压气活塞化学联合洗井原理与空压机化学联合洗井基本相同，它通过高压气活塞往复运动，形成过滤器部位地下水的扰动，进一步强化盐酸化学洗井作用。

3.4.2 洗井方法

盐酸浸泡化学洗井步骤与空压机化学联合洗井中的相应步骤相同。盐酸浸泡结束，安装高压气活塞洗井装置，进行间歇式压气。压气时间15～20 min，保压时间40～60 min，排气时间2 min；如此往复3～5次后，采用空气压缩机抽水。

4 洗井效果

4.1 不同洗井方式的洗井效果

钱家店铀矿床近几年先后采用了空压机洗井、空压机化学联合洗井、高压气活塞洗井、高压气活塞化学联合洗井等洗井方式，洗井效果见表1。

表1 钱家店铀矿床洗井效果统计Table 1 Well washing result statistics of Qianjiadian uranium deposit

由表1可知：高压气活塞化学联合洗井效果最佳，其次为空压机化学联合洗井、高压气活塞洗井和空压机洗井。4种洗井方式均可有效洗井，采用物理化学联合的空压机化学联合洗井和高压气活塞化学联合洗井，其洗井效果明显优于空压机洗井和高压气活塞洗井的效果。

注液量小于2.0 m3/h的注液井，洗井后注液量增加42%～190%，通过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%，洗井对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图2所示。采用高压气活塞化学联合洗井的效果最为明显，但采用该方法用时较长，平均每眼井洗井耗时1 420 min，洗井效率较低。因此，钱家店矿床为提高洗井效率并保证洗井效果，采取多种洗井方式综合使用。针对注液量低的井选用高压气体活塞式洗井，保证洗井效果，最大幅度提高运行水量。

图2 不同洗井方式效率对比Fig. 2 Efficiency comparison of different well washing methods

5 结论

导致钱家店铀矿床生产井工作能力下降的因素有机械堵塞和化学堵塞，以机械堵塞为主，这2种堵塞均集中于近井地带。生产井的堵塞主要存在于注液井，洗井工作重点放在注液量低于2.0 m3/h的注液井。高压气活塞化学联合洗井可直接作用于过滤器段，洗井效果较明显。注液井流量下降是多种堵塞作用叠加的结果，单一洗井方式难以彻底解决问题，需要多种洗井方式联合应用。