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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Versuchen an
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Lagerstättenproben Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Durchführung von Versuchen an für Flüssigkeit durchlässigen Lagerstättenproben,
insbesondere Bohrkernen.
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Das Gewinnen von Mineralien durch in situ-Laugung gewinnt zunehmend
an Bedeutung. Dieses Verfahren wird in der Weise durchgeführt, dass die Laugungsflüssigkeit
von der Tagesoberfläche beispielsweise durch Bohrlöcher in die Lagerstätte hinuntergebracht,
dort durch einen bestimmten Bereich oder Horizont der Lagerstätte hindurchgepresst
und alsdann durch Bohrlöcher, die einen Abstand von den erstgenannten Bohrlöchern
aufweisen, wieder zu Tage gebracht wird. Derartige in situ-Laugungen werden dann
angewandt, wenn eine Gewinnung des Minerals, beispielsweise einer Uranverbindung,
nach herkömmlichen Methoden wegen zu geringer Gehalte und/oder wegen irgendwelcher
Erfordernisse des Umweltschutzes
nicht durchführbar oder ungünstiger
ist.
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Eine der Voraussetzungen für die Durchführbarkeit der in situ-Laugung
besteht darin, dass das Gestein der Lagerstätte eine ausreichende Durchlässigkeit
für die Lauge, d. h. eine gewisse Porosität und Permeabilität aufweist. Dabei ist
von Bedeutung, dass derartige Gesteinsformationen durch den Einfluss chemischer
Laugungsflüssigkeiten erhebliche Veränderungen erfahren können, die sich insbesondere
auch auf die Durchlässigkeit für die Laugungsflüssigkeit auswirken können. Insbesondere
geht es dabei um Verbindungen und/oder Gase, deren Löslichkeit druckabhängig ist.
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Dies gilt z. B. für Ca (HC03)2 und Fe (HC03)2, da diese Salze, die
sich beispielsweise bei der Urangewinnung durch Umsetzung von in der Lauge enthaltenem
NH4 (HC03) mit Nebenmineralien der Lagerstätte im Zuge der Laugung bilden, unter
Druck relativ gut löslich sind, jedoch bei Druckabfall unter Entwicklung von C02
als Carbonate ausfallen können. Derartige Druckabfälle sind beim Aufsteigen der
Lösung aus grösseren Teufen praktisch unvermeidbar; sie können aber auch beim raschen
Durchströmen von Kapillaren auftreten. In jedem Fall ist damit zu rechnen, dass
Kalk und Eisencarbonat ausfallen. Dies kann zu einer erheblichen Verringerung der
Durchlässigkeit der Lagerstätte für die Laugungsflüssigkeit führen. Treten durch
Druckabfall Gase wie C02 (z.B. bei H2S04-Laugung) oder N2 (bei Luftoxidation) in
der Lösung auf, ist ebenfalls mit erheblichen Änderungen der Strömungsverhältnisse
zu rechnen. Für eine möglichst reibungslose Gewinnung von Uran oder anderen Schwermetallen
enthaltenen Erzen mittels in situ-Laugung kann demzufolge die Kenntnis von den in
der Lagerstätte sich einstellenden Druckverhältnissen und deren Auswirkungen eine
wesentliche
Voraussetzung sein. Die Erfindung soll die Möglichkeit
schaffen, wesentliche für die in situ-Laugung einer Lagerstätte erforderliche Bedingungen
und Voraussetzungen durch Versuche an Proben aus der Lagerstätte feststellen bzw.
simulieren zu können. Dabei geht es insbesondere um die Beantwortung der Frage,
wie bzw. ob die in einer Lagerstätte befindlichen Mineralien sich bei Vorhandensein
bestimmter Chemikalien und Reagenzien in der Lauge unter bestimmten Druckverhältnissen
verhalten bzw. das Gefüge und die Struktur der Lagerstätte verändert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass eine Laugungsflüssigkeit
unter dem Druck, welcher dem jeweiligen Lagerstättendruck entspricht, durch eine
dieser Lagerstätte entnommene Probe, die ihre natürliche Struktur aufweist, hindurchgepresst
wird. Der zur Anwendung kommende Maximaldruck wird sich dabei normalerweise zusammensetzen
aus dem der Teufe entsprechenden hydrostatischen Druckanteil, der beispielsweise
auf das Bohrloch aufgebracht wird, durch welches die Lauge in die Lagerstätte hintergeführt
wird. Dieser zusätzliche Druckanteil dient bei dem hier vorausgesetzten Beispiel
zur Überwindung des hydrostatischen Drukkes der das gelöste Mineral enthaltenden
Flüssigkeitssäule in eine zweiten Bohrloch, durch welches die das gelöste Mineral
enthaltende Flüssigkeit wieder zu Tage gefördert wird.
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Bei den Lagerstättenproben wird es sich im allgemeinen-um Bohrkerne
handeln. Es ist selbstverständlich auch möglich, auf andere
Art
und Weise gewonnene Proben von anderer Gestalt als der eines Bohrkernes zu verwenden.
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Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Probe mit einer
flüssigkeitsdichten Umhüllung versehen, die mindestens einen Bereich für das Eindringen
und mindestens einen Bereich für das Austreten der Laugungsflüssigkeit freilässt.
Bei einem Bohrkern wird diese Umhüllung durchweg hohlzylindrisch sein, wobei die
Laugungsflüssigkeit den Kern axial durchströmt. Die Umhüllung ver hindert dabei
ein Austreten der LaugungsElüssigkeit an der Mantelfläche des Kernes. Es ist selbstverständlich
auch möglich, die Probe, beispielsweise einen Bohrkern, derart vorzubereiten und
mit einer Umhüllung zu versehen, dass die Flüssigkeit quer zur Längsachse des Bohrkernes
durch diesen hindurchströmt.
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Während des Hindurchführens der Laugungsflüssigkeit durch die Probe
kann in dem ihn umgebenden Bereich ein Druck aufrechterhalten werden, der etwa dem
Druck entspricht, mit welchem die Lauge in die Probe eingepresst wird.
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Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann eine Vorrichtung
zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens eine Druckzelle mit einer Zuleitung
und einer Ableitung für die Lauge aufweisen, wobei der oder die Bereich(e), in dem
bzw. denen die Lauge in die Probe eindringt, einerseits und der oder die Bereich
(e),in dem bzw. denen die Lauge aus der Probe austritt, andererseits druckfest gegeneinander
abgeschirmt sind und in der Ableitung ein Regulierorgan eingeschaltet ist. Von der
Einstellung des
letzteren ist der Differenzdruck zwischen Eintrittsbereich
und Austrittsbereich abhängig.
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Die Druckzelle ist vorteilhaft als Hohlzylinder mit zwei stirnseitigen
Begrenzungswänden ausgebildet, von denen wenigstens eine lösbar angebracht ist.
Die Innenabmessungen des Hohlzylinders können den Aussenabmessungen der zu prüfenden
Probe entsprechen.
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Da dies jedoch eine sehr genaue Bearbeitung der Teile zur Voraussetzung
hätte, wird es im allgemeinen zweckmässiger sein, die Probe einschliesslich einer
sie ggf. umgebenden Umhüllung so auszubilden, dass sie einen geringeren Durchmesser
aufweist als dem Innendurchmesser des Druckgefässes entspricht, wobei der zwischen
der inneren Mantelfläche des Druckgefässes und der äusseren Mantelfläche der zu
untersuchenden Probe bzw. der diese umschliessenden Umhüllung vorhandene Raum an
eine Druckquelle mit einem Druck anschliessbar ist, der etwa dem Druck entspricht,
mit dem die Lauge in die Probe eingepresst wird. Als besonders vorteilhaft hat sich
eine Ausführungsform herausgestellt, bei der vorzugsweise einander gegenüberliegende
Bereiche mit jeweils einem Ring vorzugsweise aus gummielastischem Material versehen
sind und 0 die zu untersuchende Probe zwischen diesen beiden Ringen einklemmbar
ist und der Innendurchmesser jedes Ringes kleiner ist als der Aussendurchmesser
der probe bzw. einer sie gegebenenfalls umgebenden Umhüllung in den Bereichen, in
welchen die Ringe an der Probe bzw. an der Umhüllung anliegen. Innerhalb der von
den Dichtungsringen umschlossenen Oberflächenteile der Probe befinden sich die Bereiche,
in denen die Lauge in die Probe eintreten bzw. aus dieser austreten kann.
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Zuleitung und Ableitung für die Laugungsflüssigkeit können jeweils
mit einem Raum verbunden sein, der von einer der Begrenzungswände der Druckkammer,
der der jeweiligen Wand gegenüberliegenden, für die Laugungsflüssigkeit durchlässigen
Oberfläche der Probe und dem jeweils zugeordneten Dichtungsring begrenzt ist.
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Der Zuleitung der Druckzelle ist vorteilhaft ein Vorratsbehälter für
die Lauge vorgeschaltet, dessen Inhalt unter dem Einfluss eines Druckmittels stehen
kann, welches vorteilhaft über eine Leitung mit einer Druckquelle, z. B. einer Druckgasflasche,
verbunden ist.
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Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann der Vorratsbehälter
mit einer Zuleitung für der Lauge unter Druck zuzusetzenden Stoffe versehen sein,
wobei in der Zuleitung eine Schleuse eingeschaltet ist und vor und hinter der Schleuse
Absperrorgane vorgesehen sind.
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Die Leitung für die Unterdrucksetzung des zwischen Innenwand der Druckkammer
und dem Kern befindlichen Raumes kann von einem der beiden Räume an den Enden des
Kernes abzweigen. Der Bereich vor dem Kern und der Bereich hinter dem Kern -in Fliessrichtung
der Lauge gesehen, sind vorteilhaft jeweils durch eine Leitung mit einem Manometer
verbunden. Jede der Leitungen kann jeweils von dem Raum abzweigen, der von der Begrenzungswand
der Druckzelle, dem jeweils gegenüberliegenden Bereich der zu untersuchenden Probe
und dem Ring begrenzt ist. Beide vor dem Kern und hinter dem Kern befindlichen Bereiche
sind weiterhin zweckmässig über neweils
eine Leitung mit einem
Differenzdruckbarometer verbunden, welches eine genaue Ablesung des Differenzdruckes
und damit auch eine entsprechend genaue Einstellung desselben ermöglicht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 im Schema den Aufbau einer Vorrichtung zur Simulation natürlicher
Druckverhältnisse bei Laugungsversuchen an Lagerstättenproben, Fig. 2 die Druckzelle
der Vorrichtung gemäss Fig. 1 in grösserem Maßstab, teilweise im Schnitt.
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Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine als
Hohlzylinder ausgebildete Druckzelle 1 auf, in der der zu untersuchende Bohrkern
2 eingesetzt wird. Die Laugungsflüssigkeit befindet sich in einem Vorratsbehälter
3, der über eine Leitung 4 und einem Absperrorgan 5 mit dem unteren Ende des Hohlzylinders
1 verbunden ist. Dem Vorratsbehälter 3 ist über eine Leitung 7 eine Druckgasquelle,
z. B. eine Druckgas-Flasche 6 vorgeschaltet.
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Auch die Leitung 7 ist mit einem Absperrorgan 8 versehen. Ebenfalls
an der Oberseite des Vorratsbehälters 3 mündet eine weitere Leitung 9 ein, die dazu
dient, Chemikalien unter Druck der im Vorrats behälter 3 befindlichen Laugungsflüssigkeit
zuzusetzeX. Zu diesem Zweck sind in der Leitung 9 eine Schleusenkammer 10 und zwei
Absperrorgane 11 und 12 eingeschaltet, von denen das Absperrorgan 11 sich zwischen
Schleusenkammer 10 und Vorratsbehälter 3 und das Absperrorgan 12 sich zwischen Schleusenkammer
10 und
der Druckgasflasche 6 befinden.
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Der Hohlzylinder 1 ist an seinen beiden stirnseitigen Begrenzungswänden
14 und 15, von denen wenigstens eine lösbar angebracht ist, innenseitig mit umlaufenden
Dichtringen 16 versehen, zwischen denen der zu untersuchende Bohrkern 2 bei geschlossener
Druckzelle 1 eingespannt ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass zumindest
der Innendurchmesser der Dichtringe 16 kleiner ist als der maximale Aussendurchmesser
des Kernes 2 einschliesslich einer ihn umgebenden flüssigkeits- und gasdichten Ummantelung
17, die im allgemeinen aus einem Kunstharz, beispielsweise einem Polyesterharz,
besteht.
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Die durch die Leitung 4 zufliessende Laugungsflüssigkeit tritt zunächst
in einen Raum 18 ein, der von dem innenseitig am Boden 14 befindlichen Dichtring
16, dem Boden 14 und der unteren Stirnseite des Kernes 2 bzw. der ihn umgebenden
Ummantelung 17 begrenzt wird. Im Boden 14 der Druckkammer 1 finden sich innerhalb
des Bereiches des Raumes 18 weitere Durchbrechungen, von denen Leitungen 19 und
20 abgehen. Die Leitung 19 ist an ihrem anderen Ende mit dem im allgemeinen ringförmigen
Innenraum 21 der Druckzelle 1 verbunden, der von der inneren Mantelfläche der Druckkammer
1 und dem ummantelten Kern 2 begrenzt wird. Auf diese Art und Weise wird ein Druckausgleich
hergestellt, da der in der Druckkammdr 1 befindliche Kern einschliesslich Ummantelung
17 aussenseitig und innenseitig etwa dem gleichen Druck ausgesetzt ist. Es ist davon
auszugehen, dass Drücke in der Grössenordnung von 20, 30 und mehr atü -in
Abhängigkeit
von der Teufe der Lagerstätte, aus welcher die Bohrkerne stammen - angewendet werden.
Normalerweise wird ein Bohrkern eine einseitig zur Anwendung kommende derartige
Druckbelastung nicht aushalten. Dies gilt auch für den Mantel 17.
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Die Leitung 20 stellt die Verbindung zwischen dem Raum 18 und einem
Manometer 22 her, welches den Druck am unteren Ende des Kernes 2 anzeigt. Von der
Leitung 20 zweigt eine Leitung 23, die unter Zwischenschaltung eines Absperrorganes
24 den Raum 18 am unteren Ende des Kernes 2 mit einem der beiden Schenkel eines
Quecksilberbarometers 24 verbindet.
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Die Laugungsflüssigkeit wird unter der Einwirkung des auf die Druckquelle
6 zurückgehenden Drucks axial durch die Probe 2 hindurchgepresst. Die Ummantelung
17 verhindert ein seitliches Austreten dieser Laugungsflüssigkeit. Beim Durchfliessen
des Kernes werden in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Laugungsflüssigkeit
bestimmte Mineralien, beispielsweise Uranverbindungen, gelöst. Die resultierende
Lösung tritt am oberen Ende des Kernes 2 in einen Raum 25 ein, der von der oberen
Stirnfläche des Kernes, dem ihr zugeordneten Dichtring 16 und der oberen Begrenzungswand
15 der Druckkammer 1 begrenzt wird. Letztere ist mit Durchbrechungen versehen, von
denen eine über eine Leitung 27 eine Verbindung zu einem Gefäss 26 herstellt, in
dem die Lösung aufgefangen wird. In dieser Leitung ist ein Absperrorgan 28 eingeschaltet.
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über eine Leitung 30 ist eine Verbindung zwischen dem Raum 25 und
einem Manometer 31 hergestellt, welches den im Raum 25, also in Strömungsrichtung
der Laugungsflüssigkeit hinter der Probe 2, herrschenden Druck anzeigt. Auch von
der Leitung 30 geht eine Zweigleitung 32 ab, die unter Zwischenschaltung eines Absperrorganes
33 an dem zweiten Schenkel des Quecksilberbarometers 34 angeschlossen ist. Letzteres
zeigt den genaueren Differenzdruck zwischen den Räumen 18 und 25 an. Mit der in
der Zeichnung dargestellten Vorrichtung können die in der Lagerstätte gegebenen
natürlichen Druckverhältnisse simuliert werden. Der Gesamtdruck, der von der Druckquelle
6 aufgebracht und über die Regulierorgane 8 und/oder 5 einstellbar ist, kann auf
den Druck eingestellt werden, der in den entsprechenden Teufen in der Lagerstätte
herrscht.
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Die jeweils gewünschte Druckdifferenz zwischen den Räumen 18 und 25,
also zwischen dem einen und dem anderen Ende des Kernes 2, kann durch entsprechende
Regulierung des Ventils oder dgl. 27 eingestellt werden.
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Zur Erzielung einer einwandfreien Abdichtung werden die beiden Enden
der Probe bzw. des Bohrkernes normalerweise so bearbeitet, dass sie plan sind. Dabei
entspricht die axiale Erstreckung der Umhüllung vorteilhaft der Länge des Kernes
bzw. der Probe, so dass die Stirnflächen der Umhüllung einerseits und die des Kernes
andererseits jeweils in einer Ebene liegen. Im allgemeinen wird es vorteilhaft sein,
die Anordnung so zu treffen, dass die Dichtringe 16 zumindest mit Teilen ihrer Quererstreckung
auf der Umhüllung 17 aufliegen, da diese zur Erzielung der angestrebten Abdichtung
bessere Voraussetzungen aufweist als das Material der Probe und
zudem
gegebenenfalls auch bezüglich der notwendigen Festigkeit entsprechend eingestellt
werden kann.
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Die Vorrichtung kann an geeigneter Stelle, beispielsweise am Vorratsbehälter
3, mit einem Sicherheitsventil oder einer ähnlichen Einrichtung versehen sein, die
bei Überschreiten eines bestimmten eingestellten Druckes selbsttätig öffnet.
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Auf die vorbeschriebene Weise ist es möglich, die Bedingungen und
Verhältnisse festzustellen, die für eine in situ-Laugung einer bestimmten Lagerstätte
optimal sind. Dies gilt beispielsweise für den Druck, die Druckdifferenz und gegebenenfalls
auch für die Geschwindigkeit, mit welcher die Probe - und später in der Lagerstätte
das Gestein - durchströmt werden Beispielsweise kann die pro Zeiteinheit aus der
Leitung 27 ausströmende Lösungsmenge ohne weiteres dadurch ermittelt werden, dass
das Gefäss 26 mit einer Masseinteilung versehen ist. Die pro Zeiteinheit gewonnene
Lösung, deren Gehalt an gelösten Mineralien, gegebenenfalls der Restgehalt derartiger
Mineralien im Kern, die Druckdifferenz zwischen den beiden Räumen 18 und 25 können
weitgehende Aufschlüsse geben über die Bedingungen, die einzuhalten sind, um ein
optimales Ergebnis bei der in situ-Laugung der Lagerstätte zu erhalten.
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L e e r s e i t e