CN115506768B - 砂岩型铀矿超临界co2压裂-地浸开采及co2封存一体化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砂岩型铀矿超临界CO2压裂‑地浸开采及CO2封存一体化方法，包括步骤：1)从地面向铀矿层中钻注入井和抽出井；2)采用水力喷射技术射穿井筒套管，在水泥环外侧的铀矿层中形成孔眼；3)通过压裂设备向注入井中注入超临界CO2，利用超临界CO2压裂在砂岩型铀矿储层中形成复杂裂隙网络；4)将混合溶液通过增压设备由注入井注入到裂隙网络结构中酸化铀矿层；5)将O2和CO2混合注入到砂岩裂隙网络结构中，O2与碳酸共同作用浸取铀矿，同时从抽出井将含铀浸出液抽出。本发明解决了低渗透的砂岩型铀矿层地浸开采波及范围小的技术问题，且该方法能够对CO2实现地质封存，具有良好的环境效益。
Description
技术领域
本发明涉及资源开发开采技术领域，特别涉及一种铀矿的开采方法。
背景技术
铀资源是我国国家战略资源和重要的能源资源，是核军工和核电的重要原料，核能作为一种清洁、可靠的能源，将成为必不可少的替代能源。核能的快速发展必然导致对铀资源需求的大幅增加。
铀矿山开采方式主要分为常规地下开采和地浸开采两种。常规地下开采需将矿石采出再进行铀矿的浸出，在这过程需要产生大量的矿石，产生的大量尾矿会对环境造成影响。原地浸出(地浸)开采是一种通过浸出剂与铀矿物的化学反应从天然埋藏条件下的矿石中原位选择性的溶解矿石中的铀，集采冶于一体的新型铀矿开采方法。地浸开采方式与常规地下开采方式相比有着本质区别，具有基建投资少、建设周期短、生产成本低、环境友好等优点。但是作为一种新型的铀矿开采方式，它的应用也有一定的局限性，主要表现在对赋存于不渗透或者低渗透的矿石中的铀不能有效浸出，通常认为孔隙度小于5～10％的矿层不适合地浸开采，意味着矿层的孔隙发育特征会直接影响矿床资源量回收率指标。
我国铀资源的基本特点是小、散、贫：矿床规模小，矿体分散，矿石品位低。在我国已探明的铀资源中，砂岩型铀资源占总量的41.57％，其中低品位、低渗透、高碳酸盐、高矿化度等复杂砂岩型铀资源占其总量70％以上，采用酸法或碱法地浸均难以开采，成为了“呆矿”。此外，原地浸出采铀法通常要求矿体埋深小于300米，不适用于深部砂岩型铀矿的开采与利用。因此，针对低孔、低渗砂岩型铀矿，必须探索新的铀矿原位开采技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，以解决现有原地浸出开采铀矿的方法对赋存于不渗透或者低渗透矿石中的铀不能有效浸出的技术问题和现有原地浸出开采铀矿的方法不适用于深部砂岩型铀矿的技术问题。
本发明砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法包括以下步骤：
1)从地面向铀矿层中钻注入井和抽出井；
2)采用水力喷射技术射穿注入井中的套管及套管外侧的水泥环，在水泥环外侧的铀矿层中形成孔眼；
3)通过压裂设备向注入井中注入超临界CO2，并利用进入铀矿层上孔眼中的超临界CO2压裂铀矿层，从而在铀矿层中形成适合原地浸出的大范围复杂裂隙网络结构；
4)将用于酸化铀矿层的携带剂混入液态CO2中形成混合溶液，将混合溶液通过增压设备由注入井注入到裂隙网络结构中酸化铀矿层；
5)将O2和CO2混合通过增压设备由注入井持续注入到裂隙网络结构中，O2与碳酸共同作用浸取铀矿，同时从抽出井将含铀浸出液抽出。
进一步，所述的砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法还包括步骤6)：将抽出的含铀浸出液送入容器中降压，从而分离出气态的CO2流体，然后采用大孔苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂对剩下的含铀液体进行离子交换吸附，吸附后得到饱和树脂和吸附尾液；再对所得的饱和树脂采用淋洗剂进行淋洗，所述的淋洗剂为NaHCO3和NaCl的混合溶液；然后对淋洗得到的碳酸铀酰离子溶液进行解析，即向碳酸铀酰离子溶液中加入盐酸，待驱赶CO2酸化到pH值为强酸性时，停止加入盐酸；再加入氢氧化钠调节pH值至强碱性，再经沉淀得到Na2U2O7沉淀浆体。
进一步，所述的砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法还包括将步骤6)中分离得到的气态CO2流体送入储气罐存储以待循环用于铀矿层压裂及铀矿浸取。
进一步，所述步骤4)中的携带剂为水、乙酸以及表面活性剂的混合物。
进一步，所述表面活性剂由2，2-二氟-2-(氟磺酰)醋酸盐与聚氧乙烯辛基苯酚醚-10复配而成。
进一步，在步骤5)中，将O2混入到水中时控制水中氧浓度包括：
在浸取铀矿开始阶段，将水中氧的浓度控制在一定范围内；
在浸取铀矿中间阶段，检测抽出的含铀浸出液中的残余氧浓度，当残余氧浓度达到目标值时，根据残余氧的浓度来控制水中氧的浓度；
在浸取铀矿后期阶段；检测抽出的含铀浸出液中的U浓度，当含铀浸出液中的U浓度达到目标值时，根据含铀浸出液中的U浓度来控制水中氧的浓度，直至浸取结束。
本发明的有益效果：
1、本发明砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，其通过超临界CO2压裂铀矿层，从而在铀矿层中形成了适合地浸开采的孔隙网络结构，从而解决了不渗透或者低渗透的砂岩型铀矿层不适宜地浸开采的技术问题。并且该方法还适于对矿体埋深较深的铀矿层进行孔隙体积改造，能够实现对深地砂岩型铀矿层进行开采。
2、本发明砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，采用超临界CO2压裂铀矿层相比于传统用高压水压裂矿层的方法而言，其能在矿层中形成更丰富的孔隙结构，使获得的孔隙结构适于浸取开采，进而提高开采效率和回采率。
3、本发明砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，使用超临界CO2作为压裂液，使CO2浸入到地层结构中，并且浸取开采完成后还可继续注入CO2，实现CO2地质封存，具有良好的环境效益。
附图说明
图1为采用射流在铀矿层上形成孔眼的示意图。
图2为采用采用超临界CO2压裂铀矿层形成裂隙网络结构的示意图。
图3为浸取铀矿作业的示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图所示，本实施例砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，其包括以下步骤：
1)从地面向铀矿层中钻注入井和抽出井。
2)采用水力喷射技术射穿注入井中的套管及套管外侧的水泥环，在水泥环外侧的铀矿层中形成孔眼。具体的，将端部连接有射流喷嘴1的高压管2下入注入井中，将流体通过增压设备3注入高压管中，通过射流喷嘴喷射出的高速流体射穿注入井中的套管4及套管外侧的水泥环5，并在水泥环外侧的铀矿层中形成孔眼。在具体实施中，可以将混有磨料的液态CO2通过增压设备3注入高压管中，通过射流喷嘴喷射出的含磨料的CO2气流射穿注入井中的套管4及套管外侧的水泥环5，并在水泥环外侧的铀矿层中形成孔眼。或者将水通过增压设备3注入高压管中，通过射流喷嘴喷射出的高速水流射穿注入井中的套管4及套管外侧的水泥环5，并在水泥环外侧的铀矿层中形成孔眼。
3)通过压裂设备向注入井中注入超临界CO2，并利用进入铀矿层上孔眼中的超临界CO2压裂铀矿层，从而在铀矿层中形成适合原地浸出的大范围复杂裂隙网络结构。
4)将用于酸化铀矿层的携带剂混入液态CO2中形成混合溶液，将混合溶液通过增压设备由注入井注入到裂隙网络结构中酸化铀矿层。
5)将O2和CO2混合通过增压设备由注入井持续注入到裂隙网络结构中，CO2溶解于混合溶液中的水形成碳酸，O2与碳酸共同作用浸取铀矿，同时从抽出井将含铀浸出液抽出。浸取过程中，O2作为氧化剂将U4+氧化为U6+，U6+和CO3 2-生成UO2(CO3)2 2-和UO2(CO3)3 4-配合物，该类配合物溶于水，从而实现铀的迁移。相比酸法或碱法浸出，CO2+O2具有明显的环境优势，其浸出液具有杂质含量少，污染物种类少、含量低，不需要防腐蚀，浸出过程对地下水影响显著降低，地下水修复简单容易等显著的环境优势。采冶过程基本实现了无废水、无废渣和无废气，从使用试剂的根源上控制了污染源的产生。此外，CO2从矿层基质的孔隙中的滤失到地层中，这部分不可回收的CO2可以在地质中实现永久封存，减少了大气中的CO2的含量。
本实施例中采用的增压设备为压裂车。
本实施例中，所述步骤4)中的携带剂为水、乙酸以及表面活性剂的混合物。CO2溶解与水中可以形成碳酸，同时乙酸的加入进一步提高了溶液的酸性，同时配合表面活性剂降低溶浸液的表面张力，能更好的消除溶浸液中的气泡，并提高溶浸液的浸润效果。在具体实施中，为保证酸化效果，需要控制酸化时间，保证溶浸液充分酸化铀矿层。本实施例中，所述表面活性剂由2，2-二氟-2-(氟磺酰)醋酸盐与聚氧乙烯辛基苯酚醚-10复配而成。当然在不同实施例中，携带剂的组成成分还可做调整。
本实施例中砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，其通过超临界CO2压裂铀矿层，从而在铀矿层中形成了适合地浸开采的孔隙网络结构，从而解决了不渗透或者低渗透的砂岩型铀矿层不适宜地浸开采的技术问题。并且该方法还适于对矿体埋深较深的铀矿层进行孔隙体积改造，能够实现对深地砂岩型铀矿层进行开采。
本实施例中砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，使用超临界CO2作为压裂液，使CO2浸入到地层结构中，并且浸取开采完成后还可继续向开采后形成的腔体结构中注入CO2，能够对CO2实现地质封存，具有良好的环保效益。
作为对上述实施例的改进，在步骤5)中，将O2混入到水中时控制水中氧浓度包括：
在浸取铀矿开始阶段，将水中氧的浓度控制在一定范围内；
在浸取铀矿中间阶段，检测抽出的含铀浸出液中的残余氧浓度，当残余氧浓度达到目标值时，根据残余氧的浓度来控制水中氧的浓度；
在浸取铀矿后期阶段；检测抽出的含铀浸出液中的U浓度，当含铀浸出液中的U浓度达到目标值时，根据含铀浸出液中的U浓度来控制水中氧的浓度，直至浸取结束。
本改进根据浸取的不同解决控制注氧浓度，在保证浸取效率的同时能降低氧气的消耗。
作为对上述实施例的改进，所述的砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，还包括步骤6)：将抽出的含铀浸出液送入容器中降压，从而分离出气态的CO2流体，然后采用大孔苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂对剩下的含铀液体进行离子交换吸附，吸附后得到饱和树脂和吸附尾液；再对所得的饱和树脂采用淋洗剂进行淋洗，所述的淋洗剂为NaHCO3和NaCl的混合溶液；然后对淋洗得到的碳酸铀酰离子溶液进行解析，即向碳酸铀酰离子溶液中加入盐酸，待驱赶CO2酸化到强酸性时，停止加入盐酸；再加入氢氧化钠调节pH至强碱性，再经沉淀得到Na2U2O7沉淀浆体。
作为对上述实施例的改进，所述的砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法还包括将步骤6)中分离得到的气态的CO2流体送入储气罐存储以待循环用于铀矿层压裂及铀矿浸取，可以降低CO2流体的消耗量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）从地面向铀矿层中钻注入井和抽出井；
2）采用水力喷射技术射穿注入井中的套管及套管外侧的水泥环，在水泥环外侧的铀矿层中形成孔眼；
3）通过压裂设备向注入井中注入超临界CO2，并利用进入铀矿层孔眼中的超临界CO2压裂铀矿层，从而在铀矿层中形成适合原地浸出的大范围复杂裂隙网络结构；
4）将用于酸化铀矿层的携带剂混入液态CO2中形成混合溶液，将混合溶液通过增压设备由注入井注入到裂隙网络结构中酸化铀矿层；所述携带剂为水、乙酸以及表面活性剂的混合物；
5）将O2和CO2混合通过增压设备由注入井持续注入到裂隙网络结构中，O2与碳酸共同作用浸取铀矿，同时从抽出井将含铀浸出液抽出；将O2混入到混合溶液所含的水中时还包括控制水中氧浓度：
在浸取铀矿开始阶段，将水中氧的浓度控制在一定范围内；
在浸取铀矿中间阶段，检测抽出的含铀浸出液中的残余氧浓度，当残余氧浓度达到目标值时，根据残余氧的浓度来控制水中氧的浓度；
在浸取铀矿后期阶段；检测抽出的含铀浸出液中的U浓度，当含铀浸出液中的U浓度达到目标值时，根据含铀浸出液中的U浓度来控制水中氧的浓度，直至浸取结束。
2.根据权利要求1所述的砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，其特征在于：还包括步骤6）：将抽出的含铀浸出液送入容器中降压，从而分离出气态的CO2流体，然后采用大孔苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂对剩下的含铀液体进行离子交换吸附，吸附后得到饱和树脂和吸附尾液；再对所得的饱和树脂采用淋洗剂进行淋洗，所述的淋洗剂为NaHCO3和NaCl的混合溶液；然后对淋洗得到的碳酸铀酰离子溶液进行解析，即向碳酸铀酰离子溶液中加入盐酸，待驱赶CO2酸化到pH值为强酸性时，停止加入盐酸；再加入氢氧化钠调节pH值至强碱性，再经沉淀得到Na2U2O7沉淀浆体。
3.根据权利要求2所述的砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，其特征在于：还包括将步骤6）中分离得到的气态CO2流体送入储气罐存储以待循环用于铀矿层压裂及铀矿浸取。
4.根据权利要求1所述的砂岩型铀矿超临界CO2压裂-地浸开采及CO2封存一体化方法，其特征在于：所述表面活性剂由2，2-二氟-2-(氟磺酰)醋酸盐与聚氧乙烯辛基苯酚醚-10复配而成。
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