美国地浸矿山钻孔成井工艺的井场运行.docVIP

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 U3O8。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、CO2+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100～150mm直径钻头开孔钻穿矿层至底板，然后再用直径为175～250mm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1[1]。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200～250mm钻头钻到矿层顶部，再换直径为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，并水泥注浆封孔，然后从套管内下入扩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