水力噴砂割縫工藝在地浸鉆孔施工中的應(yīng)用

張 渤，閆紀(jì)帆，季揚(yáng)威，李喜龍，孫希龍

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼028000)

地浸鉆孔是溶浸液和浸出液的運(yùn)移通道，過濾器的建造方式?jīng)Q定了鉆孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。目前，國內(nèi)地浸鈾礦山主要采用填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)，這種鉆孔結(jié)構(gòu)首先安裝過濾器，在過濾器外充填礫石，最后采用水泥漿對套管進(jìn)行固井封孔。通過應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)的出水量較小，并且在生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行頻繁洗井[1]。隨著砂巖型鈾礦床的勘探開發(fā)，地浸鈾礦山的生產(chǎn)能力逐年提高；并且鈾礦體往往呈多層分布，對于多層礦體開采的主要方法是單獨(dú)施工，單獨(dú)開采，生產(chǎn)成本較高。筆者采用割縫工藝建造過濾器，探索水力噴砂割縫工藝在地浸鉆孔的適用性。

1 地浸鉆孔結(jié)構(gòu)

地浸采鈾鉆孔結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于過濾器的建造形式，本次試驗(yàn)采用一徑到底的方式。全孔下放套管，利用逆向注漿固井封孔[2]，在套管內(nèi)下入水力噴砂設(shè)備，對礦層段套管、固井水泥環(huán)進(jìn)行切割施工[3-4]，并將地層射穿，打通套管內(nèi)部與外部含礦含水層的水力聯(lián)系，最后下入可更換過濾器和沉沙管，再使用隔塞固定過濾器，如圖1所示。

2 割縫室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用水力噴砂進(jìn)行割縫施工，即在溶液中加入固體顆粒，混合溶液在壓力作用下噴出，混合溶液沖擊摩擦井壁，從而達(dá)到切割井壁，使井壁

內(nèi)外聯(lián)通的目的[5-6]。為保證割縫施工效果，固體顆粒需具有一定硬度和較小的粒徑，同時(shí)溶液應(yīng)具備一定黏度，避免固體顆粒沉降。液體噴射原理如圖2所示。

割縫作業(yè)必須保證套管內(nèi)外水力聯(lián)系相通，因此，作業(yè)施工必須在一定壓力下完成。但是，作業(yè)壓力過大或過小都會(huì)影響割縫效果，當(dāng)施工壓力過大時(shí)，液體由一定直徑的噴嘴噴出，由于擴(kuò)散角的存在，實(shí)際割縫寬度大于噴嘴直徑。根據(jù)流體力學(xué)原理，施工壓力越大，實(shí)際割縫寬度越大，甚至破壞套管[7]。當(dāng)施工壓力過小時(shí)，不利于打開套管內(nèi)外水力聯(lián)系。

圖2 液體噴射結(jié)構(gòu)原理

室內(nèi)試驗(yàn)制作厚度為20 cm的水泥板，模擬套管外固井水泥環(huán)條件，采用20～30 MPa壓力，在地表進(jìn)行淹沒割縫施工，噴嘴規(guī)格為3.5 mm，割縫混合液由瓜膠和70目石英砂混合制成，石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，不同壓力下的割縫效果如圖3所示。

a—20 MPa；b—27 MPa。圖3 不同壓力下的割縫效果

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)切割壓力為20 MPa時(shí)，能夠切割水泥模塊，并形成完整孔隙；當(dāng)切割壓力高于25 MPa時(shí)，造成水泥模塊損壞。因此，現(xiàn)場試驗(yàn)切割壓力選擇為20 MPa。

3 現(xiàn)場割縫試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 施工條件和參數(shù)

1)施工條件。與遼河油田鉆采工藝研究院聯(lián)合實(shí)施現(xiàn)場試驗(yàn)。對4個(gè)鉆孔進(jìn)行割縫施工，割縫施工區(qū)段為410～430 m。試驗(yàn)設(shè)備包括增壓裝置1臺(tái)，混砂裝置1臺(tái)，井口密封裝置1套，割縫器1套，電動(dòng)升降裝置1臺(tái)。首先在混砂裝置內(nèi)配制溶液，按比例加入石英砂，再將混合液輸送至增壓裝置，經(jīng)過管柱由割縫器噴嘴噴出，最后利用電動(dòng)升降裝置緩慢調(diào)整割縫位置，完成割縫作業(yè)。割縫施工流程如圖4所示。

圖4 割縫施工流程

割縫管柱采用鉆桿連接，噴槍移動(dòng)速度由速度控制器控制，為保證施工安全，設(shè)備操作均由計(jì)算機(jī)或遙控器控制。采用的噴槍最多可安裝3個(gè)噴嘴，可以多條縫同時(shí)施工，也可以單條縫施工。施工壓力為20 MPa，控制噴槍移動(dòng)速度分別為50、100、150 mm/min?；臼┕l件和參數(shù)見表1，割縫增壓及混砂裝置如圖5所示。

表1 基本施工條件和參數(shù)

圖5 割縫增壓及混砂裝置

2)鉆孔割縫施工。通過觀察井口返出物，初步確定套管及水泥環(huán)存在不同程度的損壞。其中：SC-Y105孔共計(jì)施工2次，首先采用3.5 mm噴嘴，3條縫同時(shí)施工，通過觀察地表返出物，套管和水泥碎屑含量較少，初步判斷套管未完全切割；再次采用5.5 mm噴嘴進(jìn)行單條縫施工，地表返出物套管碎屑和水泥碎屑明顯增多。鉆孔施工參數(shù)見表2，井口返出物如圖6所示。

表2 鉆孔施工參數(shù)

圖6 井口返出物

3.2 割縫效果檢測評價(jià)

3.2.1電流測井

根據(jù)電流測井曲線，分析套管完整性，判斷套管狀態(tài)。電流測井曲線平滑，無波動(dòng)，無電流異常出現(xiàn)，表明套管完整性良好。當(dāng)電流測井曲線出現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)的異常波動(dòng)時(shí)，若電流異常幅度值與對應(yīng)正常電流值的比值介于1～2，表明套管該處發(fā)生滲漏；若該比值大于2，表明套管該處出現(xiàn)較大程度的破損。經(jīng)過電流測井檢測，4個(gè)鉆孔礦層段電流異常峰值與對應(yīng)正常電流值的比值均大于2，表明礦層段套管已破損，表明水力噴砂割縫達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期效果。電流測井曲線如圖7所示。

圖7 電流測井曲線

3.2.2井下電視檢查

井下電視由控制計(jì)算機(jī)、卷揚(yáng)裝置、信號傳輸線、攝像頭組成，該系統(tǒng)采用光學(xué)成像原理，利用人工光源照射井壁，由信號傳輸線傳送至地表控制計(jì)算機(jī)，能夠直觀檢測礦層段套管切割情況，形成完整影像資料。通過井下電視檢查割縫情況，4個(gè)鉆孔均存在明顯縫隙，如圖8所示。

3.2.3壓縮空氣洗井

壓縮空氣洗井的主要目的是驗(yàn)證套管和水泥環(huán)切割程度是否能夠滿足生產(chǎn)要求。鉆孔內(nèi)安裝可更換過濾器后，將風(fēng)管下放至礦層段上部50 m處，利用空壓機(jī)輸送壓縮空氣，孔口出水連續(xù)穩(wěn)定后，采用三角堰法測量鉆孔出水量。經(jīng)過水量驗(yàn)收，最小出水量為10.69m3/h，最大出水量為16.05 m3/h，結(jié)合大孔徑填礫鉆孔結(jié)構(gòu)驗(yàn)收水量和生產(chǎn)水量，割縫施工水量能夠滿足生產(chǎn)需求。洗井試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見表3。

圖8 井下電視檢查割縫效果

表3 洗井試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

4 結(jié)論

水力噴砂割縫技術(shù)作為一種先進(jìn)的過濾器建造方式，在地浸鉆孔的應(yīng)用尚屬首例。研究表明，該技術(shù)可以對礦層段選擇性切割，在礦體多層分布的區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)礦體分層開采，不僅大幅降低鉆孔建設(shè)成本，還可以有效提高鈾資源開采效率。

水力噴砂割縫技術(shù)雖然能夠滿足地浸采鈾鉆孔生產(chǎn)要求；但受試驗(yàn)條件和機(jī)械設(shè)備等因素的限制，需要在施工中逐步完善施工壓力、割縫數(shù)量、噴槍移動(dòng)速度等影響割縫效果的關(guān)鍵條件，以形成適用于地浸采鈾鉆孔施工的完整工藝流程。