張 峰，李建東，原 淵

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

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膨潤土止水環(huán)封孔在地浸采鈾鉆孔成井工藝中的應用

張 峰1，李建東1，原 淵2

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

目前地浸采鈾鉆孔封孔材料以水泥為主，由于其存在繁瑣的注漿流程和降低礦層滲透性的風險，制約了成井效率和成井質量。為了提高鉆孔封孔效果和采鈾效率，將鈉基膨潤土應用于封孔材料，利用吸水膨脹后形成的高強度膠結物，封隔含礦含水層和其他含水層。哈薩克斯坦南部某鈾礦根據(jù)該礦的水文地質特征，在無填礫結構的地浸采鈾鉆孔中進行了膨潤土止水環(huán)封孔的室內實驗和現(xiàn)場試驗，成功地解決了封孔準確性和可靠性問題，減少了封孔質量瑕疵，保證了鉆孔的施工質量。

膨潤土止水環(huán)；地浸采鈾；無填礫結構鉆孔；含礦含水層

在地浸鉆孔中，采用合適的止水材料封閉套管與孔壁之間環(huán)形空間的過程稱為封孔。封孔是地浸采鈾鉆孔成井工藝中最重要的工序之一。封孔的目的是保證鉆孔成井后封孔部分將含礦含水層與其他含水層完全隔斷，鉆孔只作用于含礦含水層，防止在酸化和浸出過程中浸出劑通過環(huán)空流散到上部含水層，降低采鈾效率。另外，封孔還可保護上部含水層不受下部浸出劑的污染，保護地下水資源。目前，地浸采鈾鉆孔封孔的主要材料為水泥，因其具備成本低、不污染環(huán)境和流動性好，與圍巖粘結牢固，強度高等優(yōu)點。但由于水泥存在注漿流程繁瑣以及可能降低礦層滲透性等局限性，影響了工藝鉆孔的成井效率和成井質量。近年來，哈薩克斯坦鈾礦鉆探公司為了提高鉆孔成井效率和質量，在地浸采鈾鉆孔成井工藝中采用膨潤土止水環(huán)封孔技術，取得了良好的效果。

1 礦床基本概況

進行膨潤土止水環(huán)現(xiàn)場試驗研究的礦床產(chǎn)于南哈薩克斯坦錫爾達林盆地，礦體主要賦存于上白堊統(tǒng)土侖組上段的淺綠色不等粒砂巖和康尼亞克組淺灰色、白色、褐色和紅色砂巖及細礫巖中。礦體埋深較深，為180～750m，平均深度在450m左右。伊爾科利礦床礦石巖性主要為中細粒的不等粒砂巖，滲透性好，礦石滲透系數(shù)0.3～5m/d，礦層滲透系數(shù)0.4～8m/d。礦石和圍巖的礦物成分相似，金屬礦物的成分略有不同，單礦物碎屑主要為石英(質量分數(shù)65%～75%)，長石(5%～7%)，不同色調的硅質巖碎屑(3%～5%)；礦床鈾礦石化學成分屬硅酸鹽型，CO2、S、有機碳、P2O5等雜質含量低。

礦床位于一級大型錫爾達林自流盆地的北翼，屬中錫爾達林盆地。根據(jù)地層巖性、埋藏條件、地質年代劃分為第四系和上新統(tǒng)含水層；由卡姆帕-馬斯特里赫組(卡拉木倫層)、桑頓組、上土侖組-康尼亞克組(伊爾科利層)及賽諾曼組含水層組成的中生界-下第三系層含水層；與基底表面的風化殼及構造斷裂帶有關的古生界含水層。

礦床含礦含水層為伊爾科利層，巖性由厚度為30～60m的康尼亞克組不等粒砂巖、細礫巖以及厚度為10～50m的上土侖組不等粒砂巖組成。該層總厚度40～100m，大部分地區(qū)厚度為70～80m。鉆孔單位涌水量較高，一般為0.4～1.3L/s·m，含水層巖石的平均導水系數(shù)為750m2/d。含礦含水層具有頂板和底板隔水層，頂板隔水層巖性為5～15m厚的下桑頓組粉砂巖，夾薄層致密砂巖，區(qū)域上連續(xù)穩(wěn)定，隔水性能較好。底板隔水層是由40～50m厚的下土侖組粉砂巖組成。

在膨潤土止水環(huán)試驗前，礦山工藝鉆孔封孔采用的是水泥封孔工藝。鉆孔結構采用托盤式結構，托盤由一個橡膠皮碗做成，皮碗直徑比鉆孔直徑大10mm，可焊接或固定在套管上。鉆孔在施工中采用變徑結構，頂板泥巖上部鉆孔直徑為190mm，下部鉆孔直徑為161mm，在鉆孔變徑處形成一臺階結構。在套管上固定托盤，下放套管時托盤坐落在鉆孔變徑處，隔斷含礦含水層與上部含水層。套管下放完成后先投入少量礫石和注入黏土泥漿進行臨時止水，臨時止水效果達到要求后，然后注入密度1.8g/cm3水泥漿，待水泥漿凝固20h左右后向環(huán)空注滿密度為1.18～1.2g/cm3稀水泥漿，封隔水泥環(huán)至井口的環(huán)空部分。通過現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)水泥封孔工藝存在以下缺點。①不能保證水泥漿在套管和井壁的環(huán)空部分均勻滲透，特別是在裂縫土壤層和深井的情況下。深井或大斜度鉆孔會導致套管彎曲，水泥漿在環(huán)空分布不均勻，容易在套管與井壁的接觸區(qū)域形成滯流帶，影響封孔質量。②水泥漿可能沿托盤和井壁的夾縫滲透進含礦含水層，堵塞礦層，降低礦層的滲透性，影響鉆孔抽注性能。③在水泥配漿、注漿、鉆具沖洗上消耗大量的施工作業(yè)時間。

該礦山鉆探承包商沃爾科夫狼隊借鑒南哈薩克斯坦其他鈾礦山的鉆孔封孔經(jīng)驗，并結合該礦的含礦層地質和水文條件，推薦該礦山使用膨潤土止水環(huán)封孔工藝。礦山采納了承包商建議，進行了膨潤土止水環(huán)的實驗室實驗和現(xiàn)場試驗 。

2 膨潤土止水環(huán)介紹

膨潤土止水環(huán)是由改性處理過的鈉基膨潤土制成。天然膨潤土又稱斑脫巖、膨潤土巖等，是以蒙脫石為主要成分的黏土巖-蒙脫石黏土巖，常含少量伊利石、高嶺石及沸石、長石和方解石等。天然膨潤土為鈣基膨潤土，由于鈣基膨潤土表面為硅氧結構具有極強的親水性和層間可交換陽離子的水解，使其表面形成一層水膜，不能有效吸附疏水性有機物；且鈣基膨潤土雖吸附性顯著，但膨脹容小。膨潤土改性是通過離子交換改變蒙脫石層間可交換陽離子的種類，變成性能更優(yōu)的鈉基膨潤土，以達到改善蒙脫石或提高膨潤土的物化性能。人工鈉基膨潤土的理化性能除取決于它所含的蒙脫石種類和含量外，還取決于人工鈉化的方法和人工鈉化的程度。鈉基膨潤土制成的止水環(huán)，具備吸水率大，膨脹倍數(shù)大，和陽離子交換量大，在水介質中分散性好，膠質價高；它膠體懸浮觸變性、粘度、潤滑性好，pH值高，熱穩(wěn)定性好；有較高的可塑性和較強粘結性，熱濕拉強度和干壓強度高等優(yōu)點。此外，為了有效控制止水環(huán)膨脹過程和膨脹時間，通常還向膨潤土止水環(huán)里添加改進止水環(huán)物理和化學性質的聚合物成分。

現(xiàn)場試驗采用的膨潤土止水環(huán)是一個長400mm，外徑125mm以上的管狀制品。膨潤土止水環(huán)外表具有各種樣式的鋸齒狀壓波紋形狀(圖1)，能有效降低下套管時與沖洗泥漿的阻力，同時增加了其外部與泥漿的接觸面積，加速了吸水和膨脹過程；內部做成不光滑的表面，增加表面摩擦力，便于與套管固定，在膨脹時增加與套管的粘合性，增強與套管的密封性。

3 實驗室實驗

針對礦山的鉆孔結構，進行了膨潤土止水環(huán)的實驗室實驗，檢驗了膨潤土止水環(huán)一些重要參數(shù)，例如膨潤土止水環(huán)的吸水率、膨脹時間、止水可靠性等。首先，實驗室里模擬鉆孔裸眼結構，制作兩個內徑為190mm，深80cm的敞口厚鐵皮桶，距桶底10cm焊上十字支架，使用厚鐵皮桶是為了檢驗膨潤土止水環(huán)的止水可靠性，防止因鐵桶太薄，止水環(huán)漲裂鐵桶，導致實驗失敗。然后分別在兩節(jié)外徑90mm的PE聚乙烯管套上安裝一個40mm長的膨潤土止水環(huán)，上下分別用金屬卡片固定，居中放置在厚鐵皮桶支架上，測量膨潤土止水環(huán)外緣與鐵桶壁的初始間隙厚度，并記錄數(shù)據(jù)。最后分別向兩個桶注滿清水和1.05 g/cm3的黏土泥漿，每隔一小時記錄膨潤土止水環(huán)外緣與鐵桶壁的間隙厚度，直至止水環(huán)完全密封。通過實驗，得出了在不同時間段內膨潤土止水環(huán)在水和泥漿里的膨脹百分比(表1、圖2)。

圖1 不同外型特征的膨潤土止水環(huán)

時間/h介質012345678910水中/%07223552658090100泥漿中/%031519254055658095100

圖2 在水和泥漿里膨潤土止水環(huán)膨脹百分比與膨脹時間的關系曲線圖

膨脹實驗結束后，對膨脹后的膨潤土止水環(huán)進行試壓實驗。密封PE套管頂部孔口，并在套管孔口密封蓋上安裝一個進氣管線、閥門和壓力表。用空壓機往PE套管里充氣加壓，達到5個大氣壓后關閉空壓機和進氣閥門，試壓12h，觀察并記錄壓力值變化情況，同時檢查止水環(huán)四周是否有氣泡溢出。試壓實驗結果表明膨潤土止水環(huán)四周無氣泡溢出，壓力維持5個大氣壓不變，表明其止水效果良好。

4 現(xiàn)場使用情況

4.1 鉆孔結構

采用膨潤土止水環(huán)的抽出井和注入井鉆孔結構基本相同，無托盤結構，抽出井和注入井過濾器周圍都不采用礫石填充工藝(圖3)。抽出井從井口至105m深處裸眼直徑為320mm。，從105m深處到石膏層裸眼直徑為190mm，石膏層到鉆孔底部裸眼直徑為161mm，套管為Φ195/14mm+Φ90/8 PVC硬塑料管，過濾器為環(huán)形外骨架圓孔式，沉砂管為11m長的Φ90/8 PVC硬塑料管；注入井從井口到石膏層段裸眼直徑為190mm，石膏層到鉆孔底部裸眼直徑為161mm，套管為Φ90/8mm PVC硬塑料管，過濾器為環(huán)形外骨架圓孔式，沉砂管為11m長的Φ90/8 PVC硬塑料管。

圖3 鉆孔結構圖

在過濾器的頂部和下部分別安裝一個40cm長的膨潤土止水環(huán)，膨脹后形成人工托盤，能有效阻止上層和底部的沙土和水進入到過濾器。在頂板隔水層的位置安裝10m長(40個)的膨潤土止水環(huán)，上部和底部分別用金屬卡子和墊片固定牢靠。膨潤土止水環(huán)上部的環(huán)空部分用黏土填充。

4.2 膨潤土止水環(huán)組裝

膨潤土止水環(huán)的組裝和固定是該封孔工藝最重要的環(huán)節(jié)之一，關系到膨潤土止水環(huán)是否能準確封隔含礦含水層，決定著成井工藝的成功與否，因此施工必須嚴格按照組裝規(guī)范執(zhí)行。

首先，根據(jù)套管和膨潤土止水環(huán)的結構圖，在過濾器的頂部和下部位置分別安裝一個膨潤土止水環(huán)，膨脹后形成上下兩個托盤，將過濾器與外部空間隔開。防止非礦層地下水進入過濾器稀釋浸出劑鈾濃度或溶浸劑逸散出過濾器位置，同時防止上部和底部泥沙進入過濾器內，保護過濾器，延長其使用壽命。

最后，進行封隔層膨潤土止水環(huán)的組裝。在封隔段套管上涂上建筑泡沫膠，套上40個完整、表面無破損的膨潤土止水環(huán)，總長度不低于10m。膨潤土止水環(huán)頂部和底部分別用塑料墊片和金屬卡子固定，墊片由性質穩(wěn)定的聚丙稀材料制成，呈花瓣狀結構，在下套管的過程中減少行進阻力，并保護底部止水環(huán)免受損毀。

4.3 下套管和黏土填埋要求

1)因膨潤土止水環(huán)的厚度增加了套管組合的外徑，為了將套管順利下到鉆孔底部，施工前必須用稀泥漿不停地洗清井壁，置換鉆孔內的泥漿，直至從井口流出的泥漿密度達到1.05g/cm3左右，方可進行下套管施工；

2)如果套管在下放的過程中出現(xiàn)遇阻情況，應立即從鉆孔里提出套管組合，然后用牙輪鉆頭擴孔，并用泥漿循環(huán)清洗鉆孔，待處理完畢后方可再次下套管。套管遇阻時禁止使用鉆具加壓，防止因外力使膨潤土止水環(huán)破損，降低或喪失其封隔止水功能；

3)套管下放到設計深度后，安裝井口裝置，固定套管，靜候膨脹約8h。膨脹結束后，觀察套管內外靜水位的變化，然后用黏土填埋鉆孔環(huán)空部分，完全封孔。最后向套管內下鉆具，與套管內的加壓鉆具連接，提出加壓鉆具，成井施工結束。

4.4 膨潤土止水環(huán)封孔質量檢查

封孔結束后，需進行套管安裝質量、技術狀況、過濾器位置、膨潤土止水環(huán)位置和封孔質量檢查，以確保地浸采鈾鉆孔的使用壽命。

首先使用電流測井進行檢測，電流測井曲線提供套管安裝質量和完整性等信息，檢查過濾器安裝位置和套管是否有破損溢流情況。如檢測到工藝鉆孔成井質量有問題，可以在膨潤土止水環(huán)未完全膨脹前進行處理，減少成井質量瑕疵并降低損失。

其次采用感應測井檢驗膨潤土止水環(huán)位置，確定其隔斷層位。固定膨潤土止水環(huán)的卡子由金屬制成，在測井中感應測井儀器遇到金屬卡子時，在該金屬卡子所在的深度感應測井值驟然偏高，顯示為異常值。因此根據(jù)測井曲線上的異常值，物探工程師可解譯出金屬卡子的深度，進而確定膨潤土止水環(huán)的位置，檢查鉆孔中膨潤土止水環(huán)是否按照設計要求封隔含礦含水層頂板。

圖4是某鉆孔成井后電流測井和感應測井曲線。通過感應測井曲線在446.5m和456.7m深處的異常感應值，可以確定膨潤土止水環(huán)頂部和底部的金屬卡子位置分別位于446.5m和456.7m深處，再進一步分析得出膨潤土止水環(huán)的位置在446.5～456.7m處。將該膨潤土止水環(huán)的位置與其他測井曲線解譯得出的頂板位置進行對比，可以確定膨潤土止水環(huán)完整地將含礦含水層與上部含水層隔斷。

最后觀察套管內與套管外，封孔前與封孔后靜水位變化，檢查封孔效果。膨潤土止水環(huán)將含礦含水層與上部含水層隔斷后，含礦含水層僅能通過過濾器與套管內部連通。如果封孔質量得到保證，套管內靜水位應下降，降至含礦含水層靜水位，而套管外靜水位仍是上部含水層靜水位，高于套管內含礦含水層的靜水位。

5 效果評價

實驗室內采用的膨潤土止水環(huán)在潮濕鉆井液環(huán)境下，利用與鉆井液間的離子交換，擴大膨脹至原始體積大小的幾倍，取得了較好的膨脹效果。膨脹后的止水環(huán)牢牢固定鉆孔套管，封閉套管和桶壁的環(huán)空部分。膨潤土止水環(huán)試壓過程中試壓壓力維持不變，且膨潤土止水環(huán)未出現(xiàn)破損和溢流情況，證明膨潤土止水環(huán)密封效果良好。

現(xiàn)場封孔試驗結束后，從檢查測井和靜水位觀察可以得出：膨潤土止水環(huán)準確地位于頂板隔水層位置，與設計位置相差不大；套管內靜水下降至含礦含水層靜水位，靜水位深度為18～20m，套管外靜水位無變化，靜水位深度維持在7～9m，仍是上部含水層靜水位。這些結果都表明膨潤土止水環(huán)成功地隔斷含礦含水層。

試驗結果表明，膨潤土止水環(huán)能準確、快速、有效地將封堵頂板位置的鉆孔環(huán)空部分，將含礦含水層與上部含水層隔斷，保護采鈾區(qū)域地下水環(huán)境。除此之外，膨潤土止水環(huán)的運用縮短了鉆孔成井周期，提高了成井效率，降低了人工和材料成本。

圖4 某礦套管安裝后的電流和感應測井曲線

6 結 論

通過現(xiàn)場試驗，對膨潤土止水環(huán)封孔工藝與水泥封孔工藝進行了對比分析，得出以下結論。

1)膨潤土止水環(huán)是一種環(huán)保型的新型封孔材料，其化學成分對地下水和地層無污染，符合環(huán)境保護要求。

2)膨潤土止水環(huán)具有吸水率大，膨脹倍數(shù)大，和有較高的可塑性和較強粘結性，熱濕拉強度和干壓強度高等優(yōu)點，滿足鉆孔封孔要求。

3)膨潤土止水環(huán)解決了封孔準確性和可靠性問題，減少了封孔質量瑕疵，延長了工藝孔使用壽命。

4)膨潤土止水環(huán)封孔工藝簡單、施工快捷。無需注漿和溫度測井等工序，且膨脹時間遠低于水泥凝固時間，提高了工藝孔成井速度。

5)膨潤土價格低廉，膨潤土止水環(huán)制作工藝簡單，能有效降低鉆孔成本。

由于膨潤土止水環(huán)成本低廉、封孔便捷、封孔質量高等特點，哈薩克斯坦南部鈾礦山已廣泛地應用膨潤土止水環(huán)封孔工藝，并逐漸完善其工藝和施工技術，積累了豐富的經(jīng)驗。隨著管內填礫技術和含礫石過濾器工藝的發(fā)展，不久的將來膨潤土止水環(huán)封孔工藝將更普遍地運用到到地浸鈾礦山，推動鉆孔成井工藝技術的長足進步和發(fā)展。

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Application of bentonite rings to borehole completion for in-situ leaching of uranium

ZHANG Feng1，LI Jian-dong1，YUAN Yuan2

(1.CGNPC Uranium Resource Co.，Ltd.，Beijing 100029，China； 2.Beijing Research Institutute of Chemical Engineering and Metallurgy，Beijing 101149，China)

Cement used to be main material of well completion process at in-situ leaching uranium mines.Quality and efficiency of well completion were been constrained in drilling process because of complicated process and damaged permeability of ore bad.Soduium-based bentonite is a suitable material of well completion process.It reacts with water to form high strength binder which can seal between ore-bearing aquifer and other aquifers.Based on researching the hydrogeological condition of a uranium deposit in the south of Kazakhstan，a series of laboratory and field tests were carried out for sealing with bentonite rings in none-gravel structure wells.The results indicate that precision and reliability of well completion have been improved.Meanwhile，the quality of production wells have been imporved in a certain degree.

bentonite ring；in-situ leaching of uranium；none-gravel structure well；ore-bearing aquifer

2016-01-05

張峰(1980-)，男，四 川中江人，碩士，工程師，從事地浸采鈾工作。

TD868

A

1004-4051(2016)11-157-05