王海峰，李建东，刘正邦，原 渊，陈梅芳，李建军

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中广核铀业发展有限公司，北京 100029；3.中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

在国际市场天然铀价格低迷的背景下，一些国家关停了地下和露天铀矿山，这为低成本地浸采铀带来了契机[1]。地浸采铀在技术、生产效率、环境保护等方面具有一定的优势，为了地浸采铀技术的可持续发展，必须不断研究和应用新技术，特别是研究和应用主导地浸采铀矿山的钻孔施工和成井技术。

在中国地浸采铀过程中，探索和实践了酸法、碱法以及CO2+O2地浸采铀技术，在技术更新、生产能力提高上取得了一定成就[2]。地浸钻孔质量的高低直接影响矿山生产能力和经济效益。为推动地浸采铀技术进步，随矿山生产规模的增大，不断引入先进、新型、高效钻机，提高了钻孔施工和成井速度，缩短了矿山建设周期[3]。钻孔成井逆向注浆技术的开发和应用，从根本上消除了混浆段产生的隐患，使钻孔质量更高。而贴砾式可更换过滤器的应用，解决了过滤器堵塞后被动清洗的问题[4]。

与美国等国家相比，中国地浸砂岩型铀矿床渗透性偏小。洗井是中国地浸采铀矿山常态化的工作；洗井废水排放不当不但会造成环境污染，且废水中的铀金属得不到回收[5]。洗井废水回收装置的研制与实践，反映了中国地浸采铀工作者绿色矿山建设意识的增强。废弃钻井液无害化处理与回用，消除了矿山废弃钻井液储存池，减少了污染源。

1 中国钻机使用进展

1.1 早期使用的钻机

中国地浸砂岩型铀矿床主要集中在新疆伊犁盆地、吐哈盆地，内蒙古鄂尔多斯盆地、二连盆地等地区。这些地区地势比较平坦，自然条件恶劣，干旱缺水，地表松软。

因地浸采铀初期所开采的矿床埋藏深度相对较浅，采区开拓早期主要使用重庆探矿机械厂XY-1000钻机和张家口探矿机械总厂XU1000等固定式钻机(表1)[6]。这类钻机钻进深度浅，额定功率小，钻进时间长。对于XY-1000型钻机，当钻杆直径从42 mm增加到60 mm时，钻井深度从1 400 m下降至850 m[7]。由于钻杆直径小，经常出现钻杆扭断现象，制约了钻孔施工进度。

表1 地浸采铀早期使用的钻机型号及参数Table 1 Drill type and parameters used in the early stage of in-situ leaching uranium mining

美国、澳大利亚及哈萨克斯坦等地浸采铀矿山钻孔施工主要使用车载式钻机，这类钻机由柴油发动机驱动，钻进速度快且扭矩可控，因此不会发生钻杆扭断[8]。并且，地浸采铀采区开拓钻孔基本不取芯，取芯钻进只在勘探阶段进行，这无形中加快了钻进速度[9]。

1.2 新型钻机的使用

随开采深度和矿山生产规模的增大，中国地浸采铀矿山钻机性能有了较大程度改观，钻进深度、额定扭矩、钻杆直径等都有提高(表2)[10]。目前使用的钻机主要有拖车式和落地式钻机，这2种钻机可在严寒和风沙条件下进行钻孔施工。施工现场使用的钻铤直径最小73 mm，最大178 mm；长度为6.7～9.5 m。

表2 地浸采铀目前采用的钻机型号及参数Table 2 Drill type and parameters currently used for in-situ leaching uranium mining

钻机的更新增强了对施工地形的适应性，特别是提高了钻进效率。这为大埋深矿床和大规模矿山的生产和建设提供了保障。

2 中国逆向注浆技术进展

2.1 逆向注浆的优势

为隔离各含水层，使钻孔中下入的套管与地层成为一体，并增强钻孔强度和使用寿命，需在套管外壁与地层之间的环形空间注入水泥浆。美国地浸采铀矿山钻孔施工主要采用逆向注浆工艺，与中国地浸采铀矿山普遍使用的正向注浆工艺相比，逆向注浆最大优点是消除了混浆段，提高了钻孔封孔质量[11]。

2.2 逆向注浆技术的探索

2011年湖南中核勘探有限责任公司在新疆738厂380 m深的钻孔封孔注浆中探索了逆向注浆工艺[12]。施工中，从套管内将注浆管下至井底，经注浆管注入水泥浆，置换钻孔与套管环形空间内的泥浆；而后注少量清水置换注浆管中的水泥浆，封闭套管口，待水泥浆终凝后在套管内用小牙轮钻头清扫。试验获得成功，套管口闭锁装置简单实用，闭锁效果好；下部置换泥浆彻底，固井质量好；泥浆泵输出的高压流体经注浆管作用在井底，压力被套管内300 m泥浆柱抵消，安全性高。

2012年新疆737厂探索了逆向注浆工艺，施工中从套管内下入注浆管，通过投入钢球控制水泥浆注入与封堵，试验获得成功。

2.3 逆向注浆技术的开发与应用

核工业北京化工冶金研究院于2011年在新疆采用逆向注浆工艺，共施工12个钻孔[13]。在注浆过程中设计了球阀式和滑套式2种井下密封装置和1种井口密封装置，以确保水泥浆不会存留在套管内，并保证封孔的安全。通过在套管内下入注浆管实现注浆。

中核通辽铀业有限责任公司(以下简称：通辽铀业)于2017年开始开发逆向注浆技术，并采用水力喷砂割缝技术打通钻孔与矿层的内外联系，置入可更换式过滤器[14]。施工中，首先下入φ40 mm注浆管，顶端加装硬质尼龙球防止损伤套管，下放速度不大于0.5 m/s；注浆管下放至预留注浆孔上端1 m处并封闭孔口；注入水泥浆，水泥浆通过套管底部切割的三角形豁口进入，待孔口返出水泥浆后向注浆管内加注清水，关闭注浆管上的阀门并封闭井口；当井口注浆管压力表读数为0时提出注浆管，完成注浆固井工艺。目前，通辽铀业的生产矿山和新建矿山钻孔成井已全面应用所开发的逆向注浆工艺。

中核内蒙古矿业有限公司(以下简称：内蒙古矿业)在二连盆地某矿段地浸采铀钻孔施工和成井中，采用了逆向注浆技术、地质建模技术、套管切割技术、内置过滤器技术、反向投砾技术[15]。这些技术优化了钻井和成井工艺流程，彻底改变了传统地浸铀矿山钻井施工的工艺和工序，实现了对地浸铀矿山工艺钻井过滤器的精准定位以及对地下溶浸范围的可视化控制，提升了钻井施工和成井的效率和质量[16]。套管切割成井技术实现设备专业化、施工流程化，单机台施工效率提高30%以上，矿山运行成本降低10%以上。该项技术已应用于内蒙古千吨级砂岩铀矿大基地建设中，经济效益可观[17]。

3 中国过滤器技术进展

3.1 托盘式过滤器

中国在地浸采铀技术开发初期，钻孔普遍采用托盘式过滤器，将托盘放置在矿层上部的砂岩层中[18]。在使用中发现，托起托盘的砂岩层会随钻孔抽注而逐渐塌落，造成托盘上下串流；若将托盘置于上隔水层的泥岩中，则会加大过滤器渗流长度，增大浸出剂消耗和稀释浸出液。

3.2 填砾式过滤器

为克服托盘式过滤器的不足，研发了填砾式过滤器，即在套管上施工φ10 mm的孔，而后用尼龙纱网将过滤器段套管缠绕，并以尼龙绳绑定[19]；下入过滤器后，在过滤器周围投入砾石形成过滤层。这种过滤器能对液流起到过滤作用；但在过滤器下放过程中，因过滤器与孔壁摩擦，常造成过滤器外缠绕尼龙纱网的破损或脱落。

3.3 外骨架过滤器

目前，中国绝大多数地浸采铀矿山使用从国外引进的外骨架过滤器。这种过滤器需在套管上钻φ10 mm的孔，而后套入圆圈形过滤片(外骨架)；过滤器下入钻孔内后，周围投入砾石形成过滤层[20]。这种过滤器长度可随意确定；但因圆圈形过滤片与套管无胶结，个别外骨架断裂会引起所有外骨架滑动[21]。

3.4 可更换式贴砾过滤器

通辽铀业目前生产中使用可更换式贴砾过滤器，逐步淘汰外骨架过滤器[22]。这种过滤器在过水滤管上粘贴陶粒层，如图1所示。

1—主体；2—滤管；3—陶粒贴砾层；4—过水缝。图1 可更换式贴砾过滤器Fig. 1 Replaceable gravel filter

与环型外骨架过滤器相比，贴砾式过滤器可根据矿层砂体粒径调整孔隙率，具有较好的防砂效果，耐腐蚀性好，强度高，柔韧性好，过水量大，使用寿命长。该过滤器目前已在生产矿山和新建矿山中大量使用[23]。

3.5 过滤器统一设计与建造技术

随着钻孔成井工艺的改进，新疆中核天山铀业有限公司(以下简称：天山铀业)目前采用开采单元内的钻孔统一下入过滤器的新技术[24]。钻孔施工后，下入套管并注浆封孔后进行测井；根据测井结果统一设计开采单元内各钻孔过滤器的位置和长度，再进行过滤器建造。这种技术改变了开采单元内各钻孔过滤器位置和长度独立设计的工艺，有效避免了抽注井过滤器处于不同矿层现象的发生，改善了浸出条件。

美国地浸采铀矿山钻孔成井均在矿层部位扩孔，而后下入可更换式过滤器。Crow Butte地浸采铀矿山，为统一协调各钻孔见矿位置，保证浸出剂在矿层内的有效渗流，待采区钻孔全部施工完成后，根据测井结果进行扩孔，使浸出液铀浓度显著提高[25]。

4 中国洗井技术进展

4.1 钻孔洗井现状

中国砂岩型铀矿床渗透性普遍偏低，一般小于0.5 m/d；因此地浸采铀过程中，经常出现钻孔堵塞[26]。洗井是中国地浸采铀矿山改善钻孔堵塞的常规工序，频繁的洗井不仅耗时、耗能，而且洗井水还可能造成二次污染。

目前，中国地浸采铀矿山使用的洗井方法有压缩空气洗井、活塞洗井、化学试剂洗井、泡沫洗井、超声波洗井、脉冲洗井、高压水力洗井等。对于特殊地下水条件，当单一洗井方法无法获得理想效果时，也会选择多种方法联合洗井[27]。

4.2 新型洗井装置的设计与应用

4.2.1 高压自控洗井与压气洗井

高压自控洗井装置由泄压分散器、伞帽、集水仓三部分组成[28]。高压气水混合物被输送至气液分离器内后，由泄压分散器进行初步泄压，径向喷射至伞帽内壁，分离为液和气。液体在重力作用下向下跌落，进入过滤槽。被分离的洗井液顺序经过一级过滤板、二级过滤板、清液回收系统、滤渣回收系统等，去除含有的大量砂砾及黏土，实现洗井废水的回收。

被回收的洗井废水自流至附近正在运行的抽出井，既回收利用了洗井水，又无需新增输液设备及人员。洗井水中的砂粒会沉降至槽体底部，当沉积物积累到一定程度时进行清理。高压自控洗井装置可快速提放风管并杜绝跑冒滴漏的发生，达到了高压气水混合物快速分离、自动除砂的目的，实现了洗井水的实时自动过滤及回收，切断了污染源，回收了铀金属。

内蒙古矿业在纳岭沟矿床采用压气-空压机洗井技术，克服了因承压水头低造成的洗井困难[29]。实践中共清洗钻孔39个，洗井阶段流量增幅均值为210.61%，7 d后流量增幅均值为172.20%。这种洗井技术对矿层作用面积大，疏通性强，特别对注入井效果明显。

我科采用Braden评分量表,在其基础上稍作改动,将摩擦力及剪切力改为头部危险因素共4分,有双侧去骨瓣4分,单侧去骨瓣者3分,血肿清除及钻孔引流者2分,颈项强直者1分,小于等于12分者均为头部压疮高危人群,必须悬挂高危警示牌,班班严格交接。

实践表明，钻孔流量与压气压力和压气时间呈正相关。一般情况下，注入井压气压力为2.0 MPa，压气时间为15 min；抽出井压气压力为2.8 MPa，压气时间为20 min[30]。

4.2.2 活塞式洗井废水回收再利用装置

内蒙古矿业巴彦乌拉地浸采铀矿山研制了活塞式洗井废水回收再利用装置。该洗井装置安装在汽车上，便于在井场内移动。洗井时，活塞上提带出的水收集在井口围堰中，通过管路输送至洗井水处理系统[31]。

4.2.3 气固液分离洗井装置

通辽铀业采用气固液分离洗井装置。洗井污水首先输送至气液分离器进行气液分离，分离的液体通过管道泵输送到固液分离器进行固液分离。将固液分离出较大颗粒的砂、泥等物质排入废弃泥浆池，和废弃泥浆一起进行无害化处理[32]；分离出的液体通过自清洗过滤器、袋式过滤器进行两级过滤，过滤后的清水输送至清水箱，经管道泵就近泵入抽出井。工艺流程如图2所示。

图2 气固液分离洗井装置工艺流程Fig. 2 Process flow of gas-solid-liquid separation well washing device

在8个注入井进行试验，结果见表3。单孔洗井水量平均8.6 m3/h，洗井后注液量平均增加幅度115.9%。

表3 钻孔清洗前后效果对比Table 3 Effect comparison before and after drill cleaning

5 废弃钻井液无害化处理技术

5.1 废弃钻井液回收再利用

为了达到快速钻进的目的，地浸采铀钻孔施工使用的钻井液类型及化学药品的种类、数量越来越多，所产生的废弃钻井液的性质、成分也越来越复杂；特别是对于难以自然降解的有毒污染物，如果不加妥善处理，将会导致资源浪费，和对土壤、地表水、地下水的污染[33]。

5.2 废弃钻井液地表固化

通过向废弃钻井液或废弃钻井液沉积物中加入固化剂，可使之转化成像土壤一样的固体后填埋在原处或用作建筑材料等[34]。为加快废弃钻井液固化速度和降低成本，在废弃钻井液固化时，可加入化学破乳剂、絮凝剂、净水剂、固化剂等和采取机械分离等强化措施，并对固液分离后的污泥进行固化处理。

5.3 废弃钻井液转化为固井液

在废弃钻井液中加入改性特种水泥及激活剂、激活助剂、流性调节剂等外加剂，可将其转化为性能与水泥固井液相当或更好的固井液[35]。对于地浸采铀矿山，废弃钻井液转化为固井液的最大优势在于能将矿层段的放射性废弃钻井液重新注入地下，消除潜在污染源，解决放射性废物处置问题。同时，转化后的固井液可有效避免固井液凝固过程放热对套管的破坏。

5.4 废弃钻井液无害化处理及应用

目前，中国地浸采铀矿山废弃钻井液已达到100%的处理回用，通过加入固化剂、地表填埋、恢复地表植被等技术可处理20%～25%的废弃钻井液；通过净化处理、再利用等技术可处理60%的废弃钻井液；通过加入辅助试剂、搅拌处理等技术可处理15%～20%的废弃钻井液。

废弃钻井液进行处理回用、地表固化和转化为固井液，这套完整的废弃钻井液处理技术已应用于通辽铀业的钻孔施工中[36]。

6 结论

钻孔施工与成井新技术的开发和应用是中国近些年地浸采铀领域的技术进步，提高了成井速度和成井质量，消除了环境污染的潜在隐患，成为地浸采铀绿色矿山建设的有力支撑。

新型钻机的应用加快了钻孔施工和成井速度，有力促进了大埋深、大规模地浸采铀矿山的生产和建设。逆向注浆技术开辟了钻孔成井注浆的新途径，从根本上消除了混浆段产生的隐患。贴砾式可更换过滤器增大了过水量，有效防止了过滤器下入过程所产生的破坏，解决了过滤器永久性堵塞无法清洗的难题。钻孔洗井水处理技术有效控制了污染，并回收了铀金属，为地浸采铀绿色矿山建设做出了贡献。通过处理回用、地表固化和转化为固井液技术，使废弃钻井液100%得到处理，消除了地表废弃钻井液储池对环境的潜在影响，也降低了钻井液的使用成本。