新疆某鈾礦床鉆井內(nèi)置過濾器技術(shù)研究

易志剛，路乾乾，熊 威，王旨儒，王紅義，孫 浩，馬富青

(新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

在地浸采鈾工藝流程中，地浸鉆井不僅起著礦床開拓和抽注液通道的作用，還起著監(jiān)控溶浸液在礦層中的滲透情況和調(diào)控抽注液量等作用[1]。

新疆某鈾礦床首采段生產(chǎn)采區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，地層滲透性差，碳酸鹽含量及地下水礦化度較高。該采區(qū)在采用硫酸和碳酸氫銨浸出過程中，均出現(xiàn)了嚴(yán)重的礦層化學(xué)堵塞問題，鉆孔抽注液能力顯著下降，浸出液鈾濃度偏低；這嚴(yán)重地影響了鈾的地下浸出過程[2]。針對該類高礦化度條件下CO2+O2地浸過程中的水巖作用及硫酸鈣、碳酸鈣沉淀飽和機(jī)理進(jìn)行了較深入地研究，并提出淡化地下水以降低其硬度的浸出工藝流程[3-7]。

該礦床礦層賦存位置變化較大，生產(chǎn)鉆井深度范圍在150～200 m。為維持產(chǎn)能，在運(yùn)行過程中，經(jīng)常對鉆井進(jìn)行空壓機(jī)脈沖洗井、機(jī)械活塞洗井以及化學(xué)洗井。洗井過程會(huì)對鉆孔造成一定的破壞，尤其在過濾器位置。經(jīng)計(jì)算，該礦床因洗井造成過濾器破壞的鉆井?dāng)?shù)的占比為3.0%。這會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)生產(chǎn)采區(qū)的浸出率偏低，服務(wù)年限延長。

隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，可更換過濾器技術(shù)在地浸鉆孔成井中的應(yīng)用受到廣泛重視；但不同的鈾礦山具有不同的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，可更換過濾器的形式及安裝方法有所區(qū)別。筆者以新疆某礦床因洗孔破壞的鉆井過濾器為例，根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，采用二次鉆進(jìn)、優(yōu)化切割刀具結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)制作內(nèi)置過濾器鉚固裝置等方法，以期解決過濾器修復(fù)難題，為在地浸礦山全面推廣內(nèi)置過濾器技術(shù)提供技術(shù)支撐。

1 工藝現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 內(nèi)置換過濾器工藝現(xiàn)狀

內(nèi)置過濾器技術(shù)是二次成井工藝的重要組成部分，即在鉆井施工過程中，在完成裸眼鉆進(jìn)、下套管、注水泥固井作業(yè)后，以測井?dāng)?shù)據(jù)為依據(jù)，完成鉆井含礦層位的切割、內(nèi)置過濾器安裝、反向投礫作業(yè)等工序。該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)能夠準(zhǔn)確定位并安裝內(nèi)置過濾器，進(jìn)而確保投礫段準(zhǔn)確；2)在大規(guī)模施工鉆井時(shí)，可先施工鉆井，根據(jù)全部鉆井的見礦情況，統(tǒng)一設(shè)計(jì)過濾器位置，降低單井過濾器設(shè)計(jì)導(dǎo)致整個(gè)采區(qū)過濾器位置的偏差率。

目前，內(nèi)置過濾器在地浸鉆井中主要應(yīng)用于新鉆井成井和已破損的生產(chǎn)鉆井修復(fù)中。無論是哪種類型的鉆井，其工藝流程基本為：破壞原鉆井過濾器(或盲管)及礫石層→將破壞后的PVC碎料及礫石返出地面→安裝內(nèi)置過濾器→重新填入礫石層。

1.2 內(nèi)置過濾器式鉆井關(guān)鍵施工參數(shù)

1)主要設(shè)備：采用XY-1500車載鉆機(jī)完成內(nèi)置過濾器工藝的施工，包括原過濾器的切割、內(nèi)置過濾器的下放和過濾礫料的充填，發(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，提高效率；采用BW250/50泥漿泵，最大壓力7.0 MPa，最大流量250 L/min，最大功率18 kW。2)鉆井液：利用膨潤土、腐殖酸鉀等根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)鉆井液密度和黏度。3)鉆桿：抽液井使用φ60 mm鉆桿，注液井使用φ50 mm鉆桿，反向投礫時(shí)使用φ40 mm投礫管。4)切割刀具：注液井鉆孔切割采用φ180 mm、φ220 mm刀具切割和擴(kuò)孔；抽液井采用φ280 mm、φ320 mm刀具切割和擴(kuò)孔。5)反向投礫工具：使用地浸鉆井專用反向投礫裝置(單向閥)。6)人造礫石層：使用線性低密度聚乙烯顆粒。7)過濾器：注液井內(nèi)置過濾器使用φ75 mm×12 mm PVC管材，在管材上采用φ2.5 mm的鉆頭打孔，孔距為0.5 cm，外裹不銹鋼紗網(wǎng)；抽液井內(nèi)置過濾器使用φ90 mm×12 mm PVC管材，在管材上采用φ2.5 mm的鉆頭打孔，孔距為0.5 cm，外裹環(huán)形骨架。

1.3 內(nèi)置過濾器在使用中存在的問題

1.3.1 環(huán)形骨架切碎及返出地表難

原抽、注液鉆井的過濾器均為圓井式外套環(huán)形骨架過濾器。在切割過程中，從井口鉆井液攜帶出的返出物可以看出：抽液鉆井過濾器的PVC篩管被切成面積約2 m2、厚度約0.1～0.2 cm的碎片，套在PVC篩管外的環(huán)形骨架大約80%以上被切成厚度約0.1 cm、寬約1.5 cm、弧長約2～25 cm的碎塊；注液鉆井過濾器上的PVC篩管被切成面積約1 cm2、厚度約0.1～0.2 cm的碎片，套在PVC篩管外的環(huán)形骨架也是大概80%以上被切成厚度約0.1 cm、寬約1.5 cm、弧長約2～15 cm的碎塊。

在切割過程中，切割段的過濾器及外圍的石英砂被切除后切割段呈甕狀，在甕口部即PVC井管的上部切口處井徑較小(抽液井內(nèi)徑128 mm、注液井內(nèi)徑80 mm)，且井管內(nèi)有鉆桿(抽井用直徑60～78 mm鉆具，注井用50～65 mm鉆具)，致使甕口部空間為一個(gè)平均寬度25～34 mm(抽液井)或7.5～15 mm(注液井)的環(huán)狀間隙。該環(huán)狀間隙用于輸送切割過程中產(chǎn)生的環(huán)形骨架碎塊和PVC管碎片，間隙相對較為狹窄。在切割過程中鉆井液攜帶大量的環(huán)形骨架碎塊和PVC管碎片向上運(yùn)送至狹窄的甕口部環(huán)形縫隙處，會(huì)有一部分遇阻積聚、堵塞，難于返出井外，進(jìn)而滯留在切割位置。

1.3.2 刀具收起難

原鉆井為填礫結(jié)構(gòu)鉆井，過濾器為石英砂層。在切割過程中，過濾器被切開后，井內(nèi)大量的石英砂涌向切刀，同時(shí)還有泥砂及環(huán)形骨架碎塊和PVC管碎塊。當(dāng)環(huán)形骨架碎屑堵塞在切割甕口部時(shí)，石英砂被阻擋，很難返出井外，加之石英砂密度大，鉆井液攜帶能力有限，返出更為困難。未被攜帶至地表的石英砂、泥砂及碎屑沉淀物懸浮在切割工作空間內(nèi)，有些進(jìn)入切割刀具的空隙中，擠塞和卡夾在切割刀具的刀架與殼體空隙內(nèi)、刀片室內(nèi)和彈簧座內(nèi)，導(dǎo)致在切割工作完成后刀具不能正常收回，影響內(nèi)置過濾器技術(shù)的正常進(jìn)行。

1.3.3 內(nèi)置過濾器易上移

鉆孔切割工作完成后，需要重新安裝內(nèi)置過濾器，以便開展后期的抽注運(yùn)行。因新安裝的內(nèi)置過濾器外徑較原鉆孔內(nèi)徑小、質(zhì)量輕、密度小，在后期運(yùn)行過程中，密封橡膠墊圈承受不住因抽液運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致向上的拉力，導(dǎo)致內(nèi)置過濾器偏移設(shè)計(jì)位置，影響后續(xù)的正常浸出。

1.3.4 污染礦層鉆井液清洗難

在內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用過程中，采用鉆井液作為攜帶載體，將切碎的井管碎屑、環(huán)形骨架以及環(huán)形骨架外圍的石英砂等碎屑物攜帶至地表，在施工過程中，鉆井液不可避免會(huì)進(jìn)入近井地帶，影響地層的滲透性。因內(nèi)置過濾器井徑較小，無法在過濾器部位開展機(jī)械活塞洗井工作，而采用空壓機(jī)洗井、化學(xué)洗井方法難于有效清洗出污染礦層鉆井液，影響鉆井后續(xù)運(yùn)行水量。

2 內(nèi)置過濾器技術(shù)的優(yōu)化

2.1 二次鉆進(jìn)優(yōu)化

針對鉆井液無法將環(huán)形骨架碎片和石英砂全部攜帶至地表，碎片會(huì)沉積在鉆井切割后腔體內(nèi)等一系列難題，嘗試了二次鉆進(jìn)技術(shù)，即在鉆井原有的沉沙管底部再往下鉆進(jìn)3.0～5.0 m，以將破碎的環(huán)形骨架碎片沉積在井底，保證有足夠空間放置內(nèi)置過濾器和礫石層。該方法有效地解決了鉆孔切割過程中環(huán)形骨架碎片大無法返出的問題，為內(nèi)置過濾器技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

2.2 切割刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

內(nèi)置過濾器技術(shù)采用的切割刀具為自主設(shè)計(jì)的雙刀片結(jié)構(gòu)，如圖1所示。切割刀具的頂部為活塞裝置，活塞外部安裝彈簧，刀片通過插銷安裝在活塞下部的刀架上，刀片底部為頂針裝置。在刀具下放至設(shè)計(jì)位置后，操作人員通過調(diào)節(jié)鉆井液泵的壓力，經(jīng)由活塞裝置向下移動(dòng)打開切割刀片，裝置底部的頂針裝置將刀片頂開即可進(jìn)行井管切割，實(shí)現(xiàn)切割井管的目的。

隨著井管和環(huán)形骨架的破碎，井管和環(huán)形骨架碎片、石英砂和礦層中的泥砂等大量積聚，擠塞在切割刀具空隙內(nèi)，卡住刀片復(fù)位裝置和堵塞刀片室，使得內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用完成后，切割刀具不易收回，容易發(fā)生卡鉆事故。

針對上述問題，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對切割刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。將原切割刀具結(jié)構(gòu)為雙刀片結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三刀片結(jié)構(gòu)，這種切割刀具的復(fù)位裝置密封在殼體內(nèi)，不暴露在外部泥沙環(huán)境中，不會(huì)形成石英砂和切屑對刀片復(fù)位裝置的卡夾，可達(dá)到切割完畢后刀片收縮的目的。這種切割刀具的刀片通過銷軸安裝在活塞裝置的外殼上，刀片根部的齒與三棱柱形齒條推桿上的齒相嚙合，三棱柱形齒條推桿與活塞裝置相連接。在切割過程中，鉆井液推動(dòng)活塞帶動(dòng)三棱柱形齒條推桿向下運(yùn)動(dòng)(軸向運(yùn)動(dòng))，齒條推桿上的齒推動(dòng)與它嚙合在一起的刀片上的齒轉(zhuǎn)動(dòng)，即刀片徑向運(yùn)動(dòng)(刀片伸出和縮回)。

優(yōu)化后的三刀片切割刀具相比于雙刀片切割刀具積砂少，刀片收縮容易，不易發(fā)生卡鉆事故，有效地解決了雙刀片結(jié)構(gòu)刀具不易收縮、容易卡鉆的問題，能夠保障內(nèi)置過濾器技術(shù)的順利應(yīng)用。

2.3 內(nèi)置過濾器鉚固裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

在內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用前期，內(nèi)置過濾器選用PVC材質(zhì)，過濾器上下兩端配置同規(guī)格井管，底部安裝沉沙管。內(nèi)置過濾器上下兩端外圍安裝高強(qiáng)度密封橡膠墊圈，以增加內(nèi)置過濾器和井管間的摩擦力，從而達(dá)到固定內(nèi)置過濾器和密封的目的。

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該內(nèi)置過濾器安裝后因抽液活動(dòng)出現(xiàn)了上移現(xiàn)象。為了解決內(nèi)置過濾器存在的這一缺陷，在內(nèi)置過濾器的底部加工制作了鉚固裝置，該裝置可固定內(nèi)置過濾器的位置，避免鉆井在使用過程中因水力因素造成內(nèi)置過濾器向上移動(dòng)位置，可有效保證地浸生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行。

設(shè)計(jì)的過濾器鉚固裝置包括鉆井內(nèi)置過濾器、沉沙管、六方螺帽、尼龍材質(zhì)的沉沙管堵頭以及鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的鉚固螺桿。六方螺帽為一個(gè)中間有圓井貫通的圓柱體(尼龍材質(zhì))，上端外側(cè)有絲扣，下端倒角呈錐面狀，中間圓井上部呈漏斗狀，下部為通徑井，漏斗井和通徑井過渡處有一變徑臺(tái)階。鉚固螺桿為一鋼質(zhì)右旋螺旋桿，螺距5 cm，牙高2 cm，螺旋桿上端有外絲扣，絲扣下方6 cm處焊有一圓形托盤，螺旋桿的底端呈錐形。過濾器鉚固裝置通過絲扣連接在內(nèi)置過濾器的底端位置上，在地面上順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)操作桿，操作桿即可通過其底端的內(nèi)六方套筒扳手扭轉(zhuǎn)鉚固螺桿，從而將鉚固螺桿旋入到井底的地層或沉渣中，使得鉚固螺桿將內(nèi)置過濾器鉚固在井底。過濾器的鉚固裝置如圖3所示。

2.4 空氣自動(dòng)活塞洗井裝置的應(yīng)用

內(nèi)置過濾器安裝完成后，無法開展常規(guī)的鉆機(jī)活塞洗井；而空壓機(jī)洗井不易將進(jìn)入礦層的鉆井液洗出，從而造成鉆井使用水量較小。

為了保證應(yīng)用內(nèi)置過濾器技術(shù)后的使用水量，開展了自動(dòng)空氣活塞洗井，該洗井方式無需在井內(nèi)安裝活塞洗井裝置，也不用將風(fēng)管下放至過濾器位置。自動(dòng)空氣活塞洗井利用空壓機(jī)和儲(chǔ)氣罐，在密閉鉆井并設(shè)定壓力后，將空氣緩慢壓縮至鉆井內(nèi)水位以上的腔體內(nèi)，井內(nèi)液體受氣柱壓力向下運(yùn)移，推動(dòng)水流通過過濾器進(jìn)入礦層；達(dá)到設(shè)定壓力后，自動(dòng)打開排氣閥門迅速泄壓，高壓氣體釋放時(shí)帶動(dòng)水流瞬間通過過濾器并回流至管內(nèi)，利用高壓水流瞬間釋放的能量沖擊井壁，破壞井壁泥皮，擾動(dòng)沉淀在過濾器外圍以及滲入礦層的鉆井液；在活塞壓氣結(jié)束后，利用空壓機(jī)洗井將礦層鉆井液及井內(nèi)沉淀物沖出井外。通過該洗井方式，可有效地提高內(nèi)置過濾器技術(shù)的使用水量，內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用前后洗井水量見表1。

表1 內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用前后洗井水量統(tǒng)計(jì)

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2017年在生產(chǎn)采區(qū)的4-0206#單元的3個(gè)鉆井進(jìn)行了內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用，其中4-0205#和4-0307#井為注液鉆井，4-0206#井為抽液鉆井。4-0206#單元在內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用前浸出液鈾質(zhì)量濃度為15.80 mg/L，應(yīng)用后浸出液鈾質(zhì)量濃度為35.34 mg/L，平均鈾質(zhì)量濃度為26.57 mg/L，如圖4所示。應(yīng)用內(nèi)置過濾器技術(shù)后，抽液鉆井抽液量由1.5 m3/h上升至2.9 m3/h，抽注液水量均有所提升。

該單元內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用前，日浸出金屬量為0.57 kg；內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用后，日浸出金屬量為1.85 kg，比內(nèi)置過濾器技術(shù)應(yīng)用前浸出金屬量增加了225.12%。

4 結(jié)論

1)地浸生產(chǎn)過程中，因洗井導(dǎo)致過濾器損壞的鉆井，可用內(nèi)置過濾器技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后，試驗(yàn)單元的水量及鈾濃度較修復(fù)前均明顯提高，鈾質(zhì)量濃度由15.80 mg/L上升至26.57 mg/L，水量由1.5 m3/h上升至2.9 m3/h。

2)采用二次鉆進(jìn)工序、刀具優(yōu)化、鉚固裝置和洗井方式優(yōu)化等措施，進(jìn)一步完善了內(nèi)置過濾器技術(shù)。該技術(shù)可在類似鉆井中推廣應(yīng)用。