投礫罐的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及應(yīng)用

魏冬哲

摘? 要：在地浸鉆孔成井工藝中，投礫設(shè)備主要有投礫泵與各類自制投礫裝置。傳統(tǒng)投礫方法在使用過程中存在功耗大，時(shí)間長(zhǎng)，投礫效率低，投礫過程中易堵管，礫料填充不均勻，嚴(yán)重影響了投礫質(zhì)量。文章從全新視角設(shè)計(jì)了一種新式的投礫裝置——投礫罐，投礫罐是一種基于水射流原理的投礫裝置，該裝置依靠水射流的作用力將礫料沖擊輸送到地浸孔中，可以有效提高投礫的工作效率和成井質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：投礫罐;噴嘴結(jié)構(gòu);水射流;地浸鉆孔

中圖分類號(hào)：TD80? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0123-02

Abstract： In in-situ leaching drilling well completion technology， gravel throwing equipment mainly includes gravel pump and various kinds of self-made gravel device. In the process of using the traditional gravel method， the power consumption is large， the time is long， the gravel efficiency is low， the pipe is easy to be blocked and the gravel filling is uneven， which seriously affects the quality of the gravel. In this paper， a new type of gravel throwing device-gravel tank， which can effectively improve the working efficiency of gravel and the quality of well completion.

Keywords： gravel tank; nozzle structure; water jet; in-situ leaching drilling

引言

地浸鉆孔采鈾工藝是一項(xiàng)在世界上十分先進(jìn)的采礦技術(shù)，其中成井工藝中的投礫環(huán)節(jié)是直接影響成井質(zhì)量的關(guān)鍵因素，目前是使用投礫裝置將礫料和水的混合物通過投礫管添加至采鈾UPVC套管與孔壁之間，礫料從孔底灌注直至沒過過濾器，之后灌注水泥固井。投礫質(zhì)量直接影響含礦水層與地表間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，直接影響鉆孔涌水量大小。

在成井工藝中，投礫前的清水沖孔工藝環(huán)節(jié)會(huì)將礦層部位的護(hù)壁泥皮清除，使孔壁失去保護(hù)，投礫過程中的清水沖洗更加加劇了對(duì)孔壁的影響，此刻投礫的速度將直接影響成孔質(zhì)量，投礫速度越快孔壁影響將越小，成井質(zhì)量將越高，另外礫料在攜帶水流中的均勻性也會(huì)影響礫料在孔底的沉淀堆積，水流攜帶越均勻，孔底沉淀堆積的越均勻致密，越會(huì)減少架橋空洞的形成可能性。在投礫將至設(shè)計(jì)位置時(shí)礫料面的均勻平整也會(huì)嚴(yán)重影響礫料上部對(duì)水泥漿的阻隔封閉，此刻如果出現(xiàn)礫料松散不平整的現(xiàn)象，就會(huì)造成水泥漿進(jìn)入粗礫層甚至進(jìn)入過濾管內(nèi)，繼而會(huì)造成成井報(bào)廢。

本文研發(fā)并改良的投礫罐，采用水射流原理，相比較其他投礫設(shè)備具有低費(fèi)用、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，在有些地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。

1 投礫罐的設(shè)計(jì)以及工作原理

投礫罐，其本身為壓力密閉容器，配有壓力表以及安全閥，罐壓力表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)投礫過程中投礫管內(nèi)壓力，安全閥起到保護(hù)作用，防止管內(nèi)壓力超差發(fā)生危險(xiǎn)。罐內(nèi)的礫料與清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道內(nèi)，管道主要依靠水射流的作用力將礫料清水混合物沖擊至投礫管中，直至孔底。

投礫罐工作原理，先關(guān)閉控制球閥，從礫料進(jìn)口法蘭向罐內(nèi)加入所需體積的礫料，封閉法蘭后打開水泵，先打開右邊控制球閥，當(dāng)罐壓力表與水泵的壓力表相近后打開球閥左邊，礫料便被清水泵入孔底。可通過罐壓力表的指示值與投礫罐送礫料的流動(dòng)聲音判斷投礫是否正常。如若不正常，提升投礫管后繼續(xù)投礫，直至達(dá)到投礫高度。

2 投礫罐噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

2.1 引射器噴嘴結(jié)構(gòu)

常見的傳統(tǒng)投礫裝置一般使用的是引射器結(jié)構(gòu)，引射器一般由噴嘴、引射入口、吸入室、混合室與擴(kuò)散室組成，此設(shè)計(jì)將礫料口置于噴嘴后方，在使用中存在如下幾點(diǎn)問題：（1）由于噴嘴抽吸效果不好，礫料向孔底注入的流速較低;（2）投礫過程中混合室過于狹窄，易出現(xiàn)礫料卡堵現(xiàn)象。

2.2 噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于引射器結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們將噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使用一束從小口徑孔中射出的高速水射流作用在材料上，可使用其所具有的足夠能量，稱之為水射流。水射流是由噴嘴流出形成的不同形狀的高速水流束，射流的流速取決于噴嘴出口截面前后的壓力降。水射流是能量轉(zhuǎn)變與應(yīng)用的最簡(jiǎn)單的一種形式。通常，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泵通過對(duì)水完成一個(gè)吸、排過程，將一定量的水泵送到高壓管路，使其以一定能量到達(dá)噴嘴。而噴嘴的孔徑要求比高壓管路直徑小得多，因此到達(dá)噴嘴的這一一定量的水要想流出噴嘴孔，必須加速。這樣，經(jīng)過噴嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。噴出的射流打擊在靶件表面上就稱為射流作業(yè)。射流一旦離開噴嘴，它的凝聚段不會(huì)太長(zhǎng)。對(duì)此，射流的速度尤為重要。水經(jīng)過泵送獲得了壓力，壓力首先驅(qū)動(dòng)水從泵至噴嘴，又使其以給定的速度通過噴嘴。

利用水射流可以獲得足夠的動(dòng)能，將礫料入口置于噴嘴后端，取消狹小的混合室，有效避免了礫料卡堵的現(xiàn)象。

3 投礫罐基于水射流參數(shù)的數(shù)學(xué)模型

水射流是一種自由狀態(tài)的射流，其流動(dòng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可以按照不同的流動(dòng)特性將水射流劃分為幾個(gè)區(qū)域，如圖1所示。從噴嘴出口開始向內(nèi)外擴(kuò)展的摻混區(qū)稱為剪切層;其中心未受摻混影響，仍然保持初始速度的區(qū)域稱為勢(shì)流核。沿射流方向從噴嘴出口至勢(shì)流核末端為初始段;初始段下游絕大部分為充分發(fā)展的紊動(dòng)摻混區(qū)，稱為主體段;在初始段和主體段之間存在很短的過渡段。[2]

在投礫罐工作的條件下，水泵提供的水勢(shì)為連續(xù)射流，勢(shì)流核為等速核，其形狀為楔形，流線為一平行直線，速度一致、能量在四部分中也最大也最集中，隨著水射流長(zhǎng)度的增加，由于空氣阻力及高壓水射流內(nèi)部湍流的作用，水射流速度將隨之逐漸減弱。我們考慮在水流減速之前，沖擊礫石，獲得動(dòng)能。

4 投礫罐在地浸孔中的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用效果

（1）節(jié)約電能：在實(shí)際使用過程中，投礫罐只需配合NBB250/60泥漿泵使用，泥漿泵的功率為25kW/h，而投礫泵在使用過程中，需額外供電，其功率為50kW/h，可見投礫罐相比投礫泵可有效節(jié)約電能67%。

（2）效率提升：根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，使用投礫泵投擲1m3左右的礫石大致需要5-6小時(shí)，而使用投礫罐只需3小時(shí)左右，且投礫過程中只需一次性將礫料裝填足夠即可完成投礫，有效的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，其工作效率提高40%以上。

（3）堵管減少：在地浸孔現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，使用投礫泵投礫的鉆機(jī)，平均每投礫十個(gè)孔就會(huì)有4-6個(gè)孔在投礫過程中出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。而使用改良過噴嘴結(jié)構(gòu)投礫罐的鉆機(jī)，則發(fā)現(xiàn)堵管現(xiàn)象有明顯改善，平均每投礫十個(gè)孔，最多會(huì)出現(xiàn)一次堵管現(xiàn)象，堵管率有顯著減少。

（4）技術(shù)水平要求：投礫泵在使用過程中，對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求較高，井下投礫的均勻度完全取決于操作工人的技術(shù)水平，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。而改良型投礫罐只需一次性將礫料添加入投礫罐中，對(duì)操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，技術(shù)要求降低。

4.2 使用方法

步驟1，如圖2，將投礫管安裝至過濾器下端1m的位置，并按設(shè)計(jì)投礫量向投礫罐中加入礫料。

步驟2，關(guān)閉控制球閥1、控制球閥2、排氣球閥，讓泥漿泵工作，觀測(cè)泥漿泵出水壓力表和管內(nèi)壓力表，直至壓力表數(shù)值近似，偏差不小于0.1MPa。

步驟3，打開控制球閥2，觀察投礫罐壓力表，其與泥漿泵出水壓力差不超過0.2Mpa。

步驟4，打開控制球閥1，監(jiān)聽礫料在高壓管內(nèi)的輸送情況，投礫進(jìn)行時(shí)，當(dāng)投礫罐壓力表瞬間升高或礫料不流動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉控制球閥1，順勢(shì)關(guān)閉控制球閥2，將投礫管提高2-3m。

步驟5，循環(huán)步驟3-4，直至將礫料投置到制定高度，結(jié)束投礫，打開排氣球閥，關(guān)閉泥漿泵。

5 結(jié)束語

投礫罐在實(shí)際使用過程中具有更節(jié)能、更高效、更便捷、更安全的特點(diǎn)，本文將基于引射器原理的投礫裝置進(jìn)行了優(yōu)化分析研究。結(jié)果表明，水射流由于較小的噴嘴直徑能夠提高水射流的噴射速度，增強(qiáng)其對(duì)周圍流體的卷吸能力，因此較小的噴嘴直徑有利于提升引射器性能，但較小直徑噴嘴會(huì)導(dǎo)致引射流入口壓力大幅增加，為與現(xiàn)場(chǎng)用NBB250/60型泥漿泵壓力匹配，投礫1立方礫料大約需要3小時(shí)，投礫罐只需一次裝填礫料便可快捷的完成投礫工作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了成井質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)表明，采用優(yōu)化后的投礫裝置較原有引射器的投礫裝置，可以有效解決了卡礫這一主要問題，投礫效率和質(zhì)量均有大幅提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉忠偉.基于水射流技術(shù)的軋鋼機(jī)清洗機(jī)的研究與開發(fā)[D].中南林學(xué)院，2005.

[2]韓啟龍，等.噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)高壓水射流影響及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（03）：68-74.

[3]孟輝.高壓水射流清砂設(shè)備及其加工理論的研究[D].沈陽航空航天大學(xué)，2010.