鈾礦綠色勘查泥漿隨鉆處理裝備研究

溫得全，王 貴，邵盛元，劉治國，李 斌，汪成勇，王德鵬

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西西安710086）

鈾礦鉆探施工中泥漿一般由分散相、分散介質(zhì)及巖屑三大類物質(zhì)組成［1］。隨著泥漿的不斷循環(huán)使用，泥漿中無用固相含量持續(xù)升高，泥漿密度增大、流變性變差和濾失量增大，泥漿的性能嚴(yán)重破壞，降低鉆進(jìn)效率，并且會增加孔內(nèi)事故發(fā)生的幾率［2］。目前，鈾礦勘查巖心鉆探施工中，泥漿的凈化方法主要有自然沉淀法、稀釋法、替代法、化學(xué)絮凝法4種［3］。其中最常用的是自然沉淀法和替代法，這2種方法存在浪費(fèi)材料、占用土地面積大、環(huán)境污染嚴(yán)重、地貌恢復(fù)難度大的問題［4］。目前，鈾礦地質(zhì)勘查鉆探行業(yè)基本沒有專業(yè)的泥漿處理設(shè)備［5］?，F(xiàn)有的泥漿循環(huán)系統(tǒng)和處理方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到綠色勘查和國家生態(tài)文明建設(shè)的要求。為了解決鈾礦鉆探施工泥漿中無用固相嚴(yán)重影響鉆探效率和泥漿排放污染環(huán)境的難題，依據(jù)鈾礦鉆探單孔施工周期短、搬遷頻繁和處理量小的特點(diǎn)［6］，設(shè)計了一套適合鈾礦鉆探的泥漿隨鉆處理工藝，研制了一套小體積、模塊化、智能化、易搬遷的綠色環(huán)保型鈾礦綠色勘查泥漿隨鉆處理裝備。通過裝備不斷優(yōu)化改進(jìn)和推廣應(yīng)用，從而推進(jìn)泥漿不落地設(shè)備在鈾礦綠色勘查中的系統(tǒng)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，從根本上解決鈾礦鉆探的質(zhì)量、成本和環(huán)保問題［7］。

1 砂巖型鈾礦鉆探泥漿隨鉆處理裝備研究

我國砂巖型鈾礦勘查區(qū)主要分布在北方的新疆、甘肅、陜西等地區(qū)，鉆探揭露的地層主要有第四系黃土層、砂巖、泥巖和礫巖。鉆孔多以?113 mm或?104 mm一徑終孔，施工深度300～900 m，以落地式和拖車式鉆機(jī)為主，配備BW250和3NBB260型泥漿泵，泥漿流量一般為6 m3/h。泥漿中無用固相粒徑主要分布在70～200μm。

1.1 處理工藝

砂巖型鈾礦鉆探施工泥漿中固相粒徑較大，泥漿隨鉆處理工藝通過2級固控實(shí)現(xiàn)［8］。參見圖1、圖2，泥漿從孔口三通泥漿傘流至過渡罐上的篩網(wǎng)，初級過濾后進(jìn)入過渡罐，通過1號離心泵泵送至振動篩進(jìn)行一級固控處理，分離的巖屑經(jīng)導(dǎo)流槽進(jìn)入巖屑收集箱1中，泥漿收集在沉砂罐中。然后通過2號泵將沉砂罐中的泥漿泵送至除泥器，進(jìn)行二級固控處理，密度輕的泥漿直接流入循環(huán)罐中，密度大的泥漿再次經(jīng)過除泥器凈化處理，泥漿收集于凈化罐中，巖屑收集于巖屑收集箱2中。最后，通過3號泵將泥漿泵送至循環(huán)罐中進(jìn)行性能維護(hù)和配漿，實(shí)現(xiàn)泥漿循環(huán)使用［9-11］。其中各設(shè)備的自動化運(yùn)行依據(jù)各罐體中泥漿液位的變化，通過液位測量裝置和邏輯電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖1 砂巖型鈾礦泥漿隨鉆處理工藝流程Fig.1 Mud treatment while drilling technology for sandstone uranium

圖2 砂巖型鈾礦泥漿隨鉆處理裝備結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the mud treatment while drilling equipment for sandstone uranium

1.2 主要設(shè)備

裝備由4個罐體組成，總體尺寸4650 mm×1500 mm×3200 mm，過渡罐體尺寸1000 mm×1000 mm×900 mm，有效容積0.8 m3，安裝有1號離心泵和2個液位測量裝置。沉砂罐、循環(huán)罐、凈化罐的罐體尺寸均為1500 mm×1500 mm×1400 mm，總有效容積9 m3，可滿足施工深度1000 m的鉆孔。4個罐體模塊化組裝、可拆卸，罐體積小、搬遷運(yùn)輸方便，適用于各種場地和交通條件。沉砂罐上安裝有振動篩，選用的是一臺0.75 kW的篩面傾角可調(diào)的小型橢圓振動篩，振動強(qiáng)度＜8.3，篩網(wǎng)目數(shù)為80目，沉砂罐正面安裝有三通閥門和2號泵，罐內(nèi)側(cè)焊接了一套射流管線，罐中安裝有2個磁式浮球液位計，罐一側(cè)安裝有可拆卸的扶梯和巖屑導(dǎo)流槽。凈化罐頂部安裝CNQ100×4的除泥器，罐中安裝有2個磁式浮球液位計，罐內(nèi)側(cè)安裝有一套射流管線，正面安裝有三通閥門和3號泵，篩網(wǎng)目數(shù)為120目。裝備總功率22.5 k W，系統(tǒng)最大處理量20 m3/h，裝備主要設(shè)備設(shè)施見表1。

表1 主要設(shè)備設(shè)施Table 1 Main equipment and facilities

2 硬巖型鈾礦鉆探泥漿隨鉆處理裝備研究

我國硬巖型鈾礦勘查區(qū)主要分布在南方的湖南、江西、廣東等地區(qū)，施工揭露的地層主要有第四系覆蓋層、白云巖、灰?guī)r和花崗巖。鉆孔多以?75 mm終孔，施工深度300～1000 m，以全液壓式鉆機(jī)為主，配備BW250型泥漿泵，繩索取心鉆進(jìn)方法為主，泥漿流量一般為3.6 m3/h，泥漿中無用固相粒徑主要分布在20～100μm。

2.1 處理工藝

硬巖型鈾礦鉆探施工泥漿中固相粒徑較小，采用離心機(jī)一級固控實(shí)現(xiàn)泥漿凈化處理。泥漿經(jīng)孔口裝置收集于地埋罐中，當(dāng)收集罐中的泥漿液位達(dá)到罐體的4/5時，超聲波液位控制器控制離心泵和離心機(jī)啟動，離心機(jī)超前于離心泵20 s自動啟動，離心泵將泥漿輸送至離心機(jī)進(jìn)行固控處理。若過渡罐中液面下降到罐體的1/5即離心泵的吸入口位置時，離心泵停止工作，離心機(jī)滯后于離心泵20 s自動停止工作。在離心泵和離心機(jī)間的管線上設(shè)有三通溢流閥，若泥漿性能符合鉆井泥漿參數(shù)要求時，泥漿直接進(jìn)入泥漿罐中，循環(huán)使用［12-14］。

設(shè)備可自動化運(yùn)行，也可在手動模式下獨(dú)立啟動各部件。設(shè)備自動化控制系統(tǒng)包括超聲波液位計2套，分別安裝在泥漿罐和過渡罐中，當(dāng)過渡罐液位顯示器顯示上限位時，離心機(jī)自動啟動，間隔20 s后供漿泵啟動，設(shè)備進(jìn)行泥漿凈化。當(dāng)過渡罐液位顯示器顯示下限位時，供漿泵停止運(yùn)行，間隔20 s后離心機(jī)停止運(yùn)行。泥漿罐體上表面裝有超聲波液位計，可顯示罐體中泥漿液面高度，極大地方便泥漿工準(zhǔn)確判斷鉆孔消耗的泥漿量?？刂乒裆习惭b了一套液位蜂鳴報警器，當(dāng)罐內(nèi)液位達(dá)到最高位液位時報警器蜂鳴報警。各設(shè)備配備啟動、停止、急停按鈕，并有運(yùn)行、停止、故障指示燈。泥漿罐底部與泥漿泵連接，并設(shè)有閥門。泥漿罐上設(shè)有扶梯、護(hù)欄和LED防爆照明燈。裝備結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 硬巖型鈾礦泥漿隨鉆處理裝備結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the mud treatment while drilling equipment for hard?rock uranium

2.2 主要設(shè)備

裝備由2個罐體組成，過渡罐容積為1 m3，循環(huán)罐容積為11 m3，設(shè)備包括一臺11 kW變頻臥式離心機(jī)、一臺7.5 k W攪拌機(jī)、一臺3 k W立式離心泵、2個罐體和一套自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總有效容積為12 m3，處理量6 m3/h，可滿足施工1500 m的鉆孔，主要設(shè)備設(shè)施見表2。

表2 主要設(shè)備設(shè)施Table 2 Main equipment and facilities

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

研制的鈾礦綠色勘查泥漿隨鉆處理裝備在鄂爾多斯盆地南部鈾礦資源調(diào)查評價與勘查項(xiàng)目中完成了5個鉆孔2170.95 m鉆探工作量試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備：XY-5型鉆機(jī)，NBB260/7型泥漿泵，18A 36T型鉆塔，150 kW發(fā)電機(jī)組；試驗(yàn)鉆具：?89 mm巖心管+?68 mm鉆鋌+?60 mm鉆桿。試驗(yàn)鉆進(jìn)方法：第四系黃土層及設(shè)計的不取心地層使用?113 mm復(fù)合片鉆頭全面鉆進(jìn)，取心地層使用?104 mm復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)至終孔。

3.1 環(huán)境效益

目前，鈾礦鉆探施工中通常采取的泥漿循環(huán)和處理方法是在井場地面上挖設(shè)泥漿循環(huán)系統(tǒng)，即循環(huán)槽、沉淀池、泥漿池和廢漿池。固相含量過高、流變性差的泥漿及廢棄泥漿就地排放、掩埋，這種方法存在占用土地面積大、環(huán)境污染嚴(yán)重、地貌恢復(fù)難度大的問題。因此，急需泥漿隨鉆處理裝備替代現(xiàn)有的泥漿循環(huán)系統(tǒng)和處理方法，這樣才能滿足國家綠色勘查的要求和國家生態(tài)文明建設(shè)的要求?，F(xiàn)有泥漿處理方法和泥漿隨鉆處理裝備技術(shù)對比見表3。

表3 現(xiàn)有泥漿處理方法和泥漿隨鉆處理方法技術(shù)對比Table 3 Comparison of existing mud tr eatment methods and mud tr eatment while drilling methods

通過對試驗(yàn)工作區(qū)使用現(xiàn)有泥漿處理方法施工的5個鉆孔的排漿量和使用泥漿隨鉆處理裝備的5個鉆孔分離的巖屑統(tǒng)計對比，使用本套泥漿處理裝備排漿量減少約74.78%（見表4），對處理后的巖屑按《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）進(jìn)行了危排分析，分離的巖屑各項(xiàng)指標(biāo)均低于危廢鑒別標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)，不屬于危廢，符合國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，分析結(jié)果見表5。

表4 泥漿和巖屑排放量統(tǒng)計Table 4 M ud and cuttings discharge volumes

表5 處理后巖屑危排分析Table 5 Risk discharge analysis of cuttings after treatment

3.2 技術(shù)效益

隨著鉆探施工中泥漿的不斷循環(huán)使用，泥漿中固相含量持續(xù)升高，密度增大、流變性變差和濾失量增大，泥漿的性能嚴(yán)重破壞。現(xiàn)有的泥漿處理方法通過循環(huán)槽、泥漿池和廢漿池，采用加水稀釋法、排漿法或者重力沉降法維護(hù)泥漿性能，這種方法效率低，大幅度增加廢漿量和材料，存在污染環(huán)境和增加鉆探成本的問題［15］。通過使用該套設(shè)備，采用機(jī)械分離方法除去泥漿中的固相含量，高效地維護(hù)了泥漿的性能。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用泥漿處理裝備后泥漿性能得到相應(yīng)優(yōu)化改變，如泥漿粘度、含砂量明顯降低，流變性變好，泥餅厚度變薄且致密，失水量下降，進(jìn)而預(yù)防了粘附卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生。使用泥漿隨鉆處理裝備前后泥漿性能對比見表6。

表6 使用泥漿隨鉆處理裝備前后泥漿性能對比Table 6 Comparison of mud performance before and after mud treatment while drilling equipment

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計，使用泥漿處理設(shè)備后節(jié)約施工用水約30.51%（見表7）。也相應(yīng)節(jié)約了泥漿材料，減少了修建和填埋泥漿坑等附屬工程的工作量，減少了泥漿泵缸套、活塞磨損和維修的工作。泥漿中的固相粒徑峰值從20～100μm降到了3～10μm。該設(shè)備對泥漿實(shí)現(xiàn)了有效凈化處理，減少了鉆進(jìn)過程中孔底巖屑的重復(fù)破碎工作，提高了鉆頭的使用壽命，從而綜合提高了鉆探經(jīng)濟(jì)效益［16］。

表7 施工用水量統(tǒng)計Table 7 Water consumption in drilling

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的泥漿處理方法已不適用鈾礦綠色勘查的要求，自主研制的裝備能耗低、體積小、模塊化、智能化、固相分離能力高，滿足鈾礦鉆探單孔施工周期短、設(shè)備搬遷頻繁和泥漿處理量小的需求，適用砂巖型和硬巖型不同地層特性的泥漿隨鉆處理工藝的需求。

（2）通過使用本裝備，解決了泥漿就地掩埋環(huán)境污染隱患大、地貌恢復(fù)難的問題，實(shí)現(xiàn)了施工中泥漿不落地和零排放的目標(biāo)，滿足環(huán)保要求。

（3）使用后，平均鉆井液粘度28.67 s、密度1.08 g/cm3、含砂量0.7%、濾失量6.33 s/（30 min）、泥餅厚度0.47 mm、p H值9.2。泥漿粘度、含砂量明顯降低，流變性變好，泥餅厚度變薄且致密，濾失量下降，維護(hù)了鉆井液性能，進(jìn)而預(yù)防了粘附卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生，有效提高了鉆進(jìn)效率和保證了鉆孔質(zhì)量。

（4）使用該裝備后，泥漿循環(huán)使用，節(jié)約施工用水約30.51%，節(jié)約了泥漿材料，減少了修建和填埋泥漿坑等附屬工程的工作量，降低了泥漿泵缸套、活塞磨損和維修費(fèi)用；泥漿中的固相粒徑峰值從20～100μm降到3～10μm，有效清除了有害固相，減少了鉆進(jìn)過程中孔底巖屑的重復(fù)破碎工作，延長了鉆頭的使用壽命，提高了綜合鉆探經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，該裝備滿足鈾礦綠色勘查要求，符合節(jié)能減排、綠色勘查需求，可在鈾礦勘查中廣泛推廣應(yīng)用。