某砂巖型鈾礦床井間示蹤技術(shù)應(yīng)用研究

孫剛友，程光華，付海鵬，王合祥，門 宏，劉 波

(1.中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.核工業(yè)二○八大隊，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

我國北方某砂巖鈾礦床按硬巖指標(biāo)進(jìn)行勘查，查明資源量較大，具有較高的開發(fā)利用價值。但該礦床的地下水豐富，承壓水頭高，含礦含水層的巖石密度為1.83～2.57 g/cm3，平均為2.20 g/cm3，孔隙率為5.74%～30.51%，平均為16.17%；含水巖組單位涌水量為0.030～0.280 L/(m·s)，平均為0.195 L/(m·s)，富水性中等；含水層滲透系數(shù)為0.112～0.644 m/d，平均為0.418 m/d，透水性中等；水文地質(zhì)參數(shù)變化較大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，給常規(guī)開采帶來極大難度。然而，從已獲得的水文地質(zhì)參數(shù)看，礦床部分地段存在采用地浸開采的可能性。

地下水的賦存性質(zhì)、連通性以及礦層滲流速度是評價地浸采鈾工藝可行性的三個主要指標(biāo)，裂隙發(fā)育、空氣連通性差、流速過快或過慢都會對地浸開采產(chǎn)生不利影響[1-3]。因此，為了評價該礦床的地浸可能性，還需進(jìn)一步查明該礦床地下水的賦存性質(zhì)、連通性和連續(xù)抽出條件下地下水滲流速度等地浸地質(zhì)條件。

井間示蹤試驗(yàn)是研究抽注井間溶液流動特征參數(shù)的有效手段。井間示蹤試驗(yàn)通過在注入井內(nèi)投放示蹤劑，在抽出井抽液的同時動態(tài)監(jiān)測示蹤劑濃度變化情況，實(shí)現(xiàn)對抽注井間溶液滲流參數(shù)和孔隙連通狀況的定量或定性評價[4-6]。因此，確定在該礦床選擇一個地浸有利地段先期開展井間示蹤試驗(yàn)。

1 示蹤試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)利用一組水文地質(zhì)試驗(yàn)孔(ZKHD-1和ZKHD-2)開展示蹤劑試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)位于某鈾礦床的中南部縱H34號水文地質(zhì)剖面線上，如圖1所示。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)層位于494～512 m之間，為一個厚度約15 m的亞含礦含水層，其上部為一個厚度約1 m的粉砂質(zhì)泥巖不透水隔水層，下部為厚度約5 m的粉砂巖不透水隔水層，中間包含27-1、28-1-1和29-1三層砂巖型礦體。目標(biāo)層為粗砂巖和中砂巖，天然狀態(tài)下砂巖密度為2.27 t/m3，孔隙率11%～15%，滲透系數(shù)0.456～0.520 m/d，裂隙不發(fā)育，具備采用地浸工藝開采的地質(zhì)條件，本次試驗(yàn)選擇此處作為示蹤試驗(yàn)地點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)鉆孔平面布置圖Fig.1 Layout plan of test borehole

1.2 示蹤試驗(yàn)方案

1.2.1 示蹤劑的選擇

示蹤劑的類型有許多種，地下水常用的示蹤劑類別可分為化學(xué)類和放射性標(biāo)記類。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)塊的地層情況、地下水情況綜合分析不同示蹤劑的特性，井間示蹤劑檢測試驗(yàn)區(qū)示蹤劑選擇化學(xué)示蹤劑類別中的熒光素鈉作為本次試驗(yàn)的示蹤劑。熒光素鈉是目前國內(nèi)外廣泛采用的一種示蹤劑，其檢測手段為熒光分光光度計法，優(yōu)點(diǎn)是檢測方便、快速、示蹤效果好，示蹤劑無毒無害，對地下水影響小，同時試劑成本較低[7-9]。

1.2.2 示蹤劑投放量

示蹤劑投放量應(yīng)充分考慮礦床試驗(yàn)區(qū)段的地質(zhì)條件、地下水賦存狀態(tài)和檢測設(shè)備的靈敏度等參數(shù)，本文借鑒均勻稀釋模型公式[10]確定示蹤劑用量，其表達(dá)式見式(1)和式(2)。

VP=πR2hφ

(1)

A=μ×MDL×VP×10-3

(2)

式中：A為示蹤劑加入量，kg；μ為保障系數(shù)；MDL為示蹤劑設(shè)備最低檢測限，mg/L；VP為井組預(yù)期稀釋體積，m3；R為注入井與抽出井的距離，m；h為含水層厚度，m；φ為孔隙度，%。其中，示蹤劑設(shè)備最低檢測限MDL與所選用的示蹤劑類型和檢測設(shè)備相關(guān)。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)段參數(shù)，保障系數(shù)μ取30，示蹤劑設(shè)備最低檢測限MDL為0.1 mg/L，R=20 m，含水層厚度h=16.25 m,孔隙度φ=13%，代入式(1)和式(2)，計算得示蹤劑熒光素鈉用量為7.96 kg，為保障試驗(yàn)效果，確定本次示蹤試驗(yàn)熒光素鈉投放量為10 kg。

1.2.3 試驗(yàn)工藝方案

試驗(yàn)采用連續(xù)抽液方式，將ZKHD-1孔作為示蹤劑注入井，將ZKHD-2孔作為抽出井，試驗(yàn)工藝方案示意圖如圖2所示。

圖2 示蹤劑試驗(yàn)工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of tracer test process

將熒光素鈉固體溶解至盛有1 m3地下水的配液桶內(nèi)，利用高壓水泵和輸液管將配液桶內(nèi)的熒光素鈉液體瞬時一次性輸送至ZKHD-1孔中，輸液管下入孔深500 m處。

示蹤劑投放完畢后，在抽出井下放壓氣管，并安裝孔口排水裝置，孔口裝置排水端連接排水管，末端連接三角堰，壓氣管與空壓機(jī)連接。啟動空壓機(jī)進(jìn)行全天不間斷抽水作業(yè)。根據(jù)確定的取樣頻次進(jìn)行取樣分析工作。

1.2.4 試驗(yàn)操作方案

抽水制度：采用空壓機(jī)抽水，全天不間斷抽水(不含檢修停機(jī))，抽水過程水力坡度≥1.41，抽水量～400 m3/d。

取樣頻率：抽出井ZKHD-2取樣監(jiān)測在注入井投放示蹤劑后開始，每天取1個樣品，具體時間為每天的08∶00；取樣點(diǎn)在三角堰出水口取，每次取樣500 mL，取樣瓶為黑色遮光瓶。

監(jiān)測要求：對每天的取樣樣品送化驗(yàn)室分析，主要分析熒光素鈉濃度，采用F96pro熒光分光光度計測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 示蹤試驗(yàn)結(jié)果

2018年7月5日在注入井ZKHD-1注入示蹤劑并開始抽水試驗(yàn)；7月11日開始在抽出井ZKHD-2進(jìn)行取樣檢測；7月25日，在抽出井ZKHD-2檢測到示蹤劑熒光素鈉，然后抽水試驗(yàn)一直持續(xù)到10月5日。取樣檢測結(jié)果顯示，本項(xiàng)試驗(yàn)示蹤劑突破時間為15 d，峰值時間為54 d，峰值濃度為2.561 mg/L。檢測結(jié)果統(tǒng)計見表1，示蹤劑濃度隨時間變化情況見圖3。

表1 檢測結(jié)果統(tǒng)計情況Table 1 The statistical situation of the test results

圖3 示蹤劑濃度隨時間變化圖Fig.3 Diagram of tracer concentration with time

2.2 結(jié)果分析與討論

2.2.1 試驗(yàn)區(qū)段滲流速度估算

示蹤劑在含礦含水層中隨著地下水從注入井向抽出井滲流，從注入井彌散到抽出井的平均時間為抽出井示蹤劑出現(xiàn)濃度峰值時間，據(jù)此可求得含礦含水層的溶液滲流速度。 溶液滲流速度計算見式(3)。

(3)

式中：v為溶液在含礦含水層中的滲流速度，m/d；L為注、抽井間的距離，m；t為抽出井出現(xiàn)示蹤劑濃度峰值所需時間，d。

試驗(yàn)區(qū)段抽注井間距L=20 m,抽出井出現(xiàn)示蹤劑濃度峰值所需時間為試驗(yàn)日歷時間54 d(1 296 h)，示蹤劑濃度峰值2.561 mg/L，扣除抽水停機(jī)時間354.5 h，最終出現(xiàn)示蹤劑濃度峰值所需時間t=39.23 d。代入式(3)，示蹤劑在兩井之間的平均運(yùn)移速度v為0.51 m/d。

2.2.2 試驗(yàn)區(qū)段地下水流動性分析

示蹤試驗(yàn)日歷時間共計87 d。試驗(yàn)期間受客觀條件影響，共造成兩次時間較長的停機(jī)情況。8月17日—8月25日，停機(jī)9 d；9月7日—9月11日，停機(jī)5 d。兩次停機(jī)前后示蹤劑濃度變化情況見表2。由表2可知，在兩次間隔較長的停機(jī)前后示蹤劑濃度值變化很小，并沒有隨停機(jī)時間的長短變化呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此，該礦床范圍內(nèi)的地下水在天然狀態(tài)下流動性較弱。

表2 停機(jī)前后示蹤劑濃度變化情況Table 2 The concentration of tracer changes before and after stopping pumping

2.2.3 試驗(yàn)區(qū)段地下水類型驗(yàn)證分析

1) 對比石油行業(yè)示蹤試驗(yàn)。在石油開采行業(yè)，常用示蹤劑試驗(yàn)來判斷地層中高滲透條帶、大孔道、天然裂縫、人工裂縫的存在與否。井間示蹤劑可以對裂縫及大孔道等注水優(yōu)勢方向進(jìn)行監(jiān)控。裂隙型油藏注水連通示蹤劑采出曲線特征是示蹤劑突破時間短，示蹤劑采出濃度高。如大慶油田某區(qū)某注采井組示蹤試驗(yàn)，示蹤劑濃度隨時間變化曲線見圖4。由圖4可知，A井示蹤劑突破時間短，示蹤劑采出濃度高，是典型的以裂隙型油藏注水連通示蹤劑采出曲線。本次示蹤劑試驗(yàn)得出的示蹤劑濃度隨時間變化曲線與圖3一致，曲線特征為示蹤劑突破時間較晚，長達(dá)15 d，示蹤劑采出濃度低，濃度峰值僅為2.561 mg/L。說明試驗(yàn)區(qū)段存在天然裂縫溝通能力可能性較低，不存在高滲透帶，符合低滲透性的孔隙水特征。

2) 試驗(yàn)段巖芯驗(yàn)證。ZKHD-1孔位于H34號勘探線上，ZKHD-2孔位于其東側(cè)，ZKHD-2孔過濾器下入深度494.29 m，過濾器長度15 m，揭露礦層埋深范圍為494.29～509.29 m。通過觀察ZKHD-2孔施工過程中取得的巖芯照片(圖5)，目標(biāo)層含礦段以細(xì)砂巖至粗砂巖為主，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙存在，裂隙發(fā)育程度很不發(fā)育。

對比圖4和圖5可以得出，試驗(yàn)區(qū)段地下水類型不符合裂隙水特征，進(jìn)一步證明該礦床試驗(yàn)區(qū)段孔隙連通性較好，地下水類型為孔隙水。

圖4 A井示蹤劑濃度隨時間變化曲線Fig.4 The concentration of tracer in well A varies with time

圖5 ZKHD-2孔巖芯照片F(xiàn)ig.5 Photo of ZKHD-2 hole core

3 結(jié) 論

1) 通過示蹤試驗(yàn)，在抽出井降深47 m左右的條件下，地下水在ZKHD-1孔與ZKHD-2孔之間的平均滲流速度為0.51 m/d，這與現(xiàn)場穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

2) 通過分析示蹤試驗(yàn)期間兩次停機(jī)前后示蹤劑濃度值變化情況，顯示示蹤劑濃度變化微弱，濃度值并沒有隨停機(jī)時間的長短變化呈現(xiàn)線性關(guān)系。可以得出，礦床試驗(yàn)區(qū)段范圍內(nèi)的地下水在天然狀態(tài)下流動性較弱。

3) 示蹤劑濃度曲線特征顯示示蹤劑突破時間較晚，長達(dá)15 d；示蹤劑采出濃度低，濃度峰值僅為2.561 mg/L。說明試驗(yàn)區(qū)段存在天然裂縫溝通能力可能性較低，不存在高滲透帶，符合低滲透性的孔隙水特征。對比石油開采行業(yè)典型的裂隙水示蹤劑產(chǎn)出曲線圖和試驗(yàn)孔巖芯編錄情況，可以得出試驗(yàn)區(qū)段地下水類型不符合裂隙水特征，進(jìn)一步證明該礦床試驗(yàn)區(qū)段地下水類型是以孔隙水為主。