超聲波洗井在地浸采鈾生產(chǎn)過程中的解堵應(yīng)用研究

易志剛，李勇，哈杰提，陳梅芳，田瑩華

（1.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司七三五廠，新疆 伊寧 835000；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149）

蒙其古爾礦床采用CO2＋O2地浸采鈾工藝［1-3］，隨著浸出的推進(jìn)，浸出劑溶解了礦層和圍巖中的碳酸鹽、黃鐵礦、粘土礦物等，鈣、鐵、鋁等離子在溶解之后搬運(yùn)再沉淀，同時(shí)細(xì)微顆粒也隨水動(dòng)力搬運(yùn)沉積堵塞孔喉，造成含礦層滲透能力減弱，抽注液量下降。蒙其古爾礦床已生產(chǎn)的各采區(qū)抽注液量下降趨勢(shì)明顯，最大降幅達(dá)到50%。蒙其古爾礦床鉆井深度為450～600 m，采用常規(guī)壓縮空氣洗井未取得明顯的效果［4］。

2017—2018 年，在蒙其古爾礦床曾經(jīng)使用加酸化學(xué)洗井方式，獲得了良好的效果，大部分生產(chǎn)孔，在加酸化學(xué)洗井［5］后能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)能的提高，而且一般能持續(xù)3～6 個(gè)月的周期才再次降低至酸洗前產(chǎn)能。隨著化學(xué)洗井次數(shù)的增加，產(chǎn)生的洗井廢液大幅度增加。洗井廢液中含有大量的Cl-，Cl-一方面對(duì)水冶工藝有影響，另一方對(duì)工藝管道有腐蝕作用。2019 年以來，已經(jīng)停止大規(guī)模使用。停止酸洗后，各采區(qū)找不到有效的解堵措施，普遍出現(xiàn)注液量減小的問題。

根據(jù)超聲波洗井工藝的特性，針對(duì)在蒙其古爾礦床生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的無機(jī)鹽堵塞進(jìn)行了超聲波解堵實(shí)驗(yàn)，同時(shí)針對(duì)鉆井液污染礦層堵塞、平米鈾量高但浸采效果差、成井水量不達(dá)標(biāo)等其他3 類鉆孔進(jìn)行超聲波解堵嘗試。

1 超聲波洗井工藝基本原理與特點(diǎn)

超聲波頻率上限可高至與電磁波的微波區(qū)（＞10 GHz）重疊，工業(yè)中常用的超聲波頻率為20 kHz～2 MHz，其中20～100 kHz之間的超聲波應(yīng)用又稱為功率超聲。超聲波洗井是基于超聲波的空化作用，即在清洗液中無數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆［6］，由此產(chǎn)生的沖擊波將浸沒在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱，因此超聲波特別適用于小顆粒污垢的清洗［7］。

功率超聲波本身具有頻率高、能量大、波長短的特點(diǎn)，具有良好的方向性和穿透力，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)。將超聲波能量直接送入目的層，利用聲波具有的“空化”“剪切”等原理，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣垢/鐵銹等物質(zhì)的震蕩、剝離、粉碎等效果。超聲波解堵工藝可以限制功率，在實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同形式的堵塞形成不同的解堵方案的同時(shí)，保護(hù)地層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。針對(duì)普通無機(jī)鹽堵塞，在有效震蕩后，將使無機(jī)鹽剝離，并可以進(jìn)一步細(xì)碎，排出井筒，實(shí)現(xiàn)解堵。針對(duì)物性本身比較差，或者已經(jīng)存在泥漿污染、板結(jié)等的堵塞，可以放大功率，在有效震蕩后，解除板結(jié)，產(chǎn)生新的空隙，以增加滲透性。

2 超聲波洗井地面試驗(yàn)

2.1 地面試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

超聲波解堵工藝在油氣田已經(jīng)進(jìn)行了一定范圍的有效應(yīng)用，但油氣井完井方式、套管類型、地層深度和類型、開采工藝原理、液量等都與蒙其古爾礦床的生產(chǎn)工藝不同。因此，在地面模擬條件下，弄清楚超聲波解堵工藝應(yīng)用效果，規(guī)避破壞井筒和地層的風(fēng)險(xiǎn)，是地面作業(yè)需要嘗試和驗(yàn)證的主要內(nèi)容，地面模擬結(jié)果能夠?qū)聦?shí)際作業(yè)提供指導(dǎo)性意見。

弄清超聲波解堵工藝在地表模擬條件下的作用和效果，并根據(jù)地面作業(yè)的結(jié)果，改進(jìn)井下作業(yè)的實(shí)施辦法，調(diào)整實(shí)施參數(shù)，是地面實(shí)驗(yàn)的主要目的。

2.2 近端模擬試驗(yàn)

選用直徑64 mm，長度1.4 m，輸出頻率16～25 kHz 的超聲波儀器作為實(shí)驗(yàn)儀器，將儀器放入PVC 過濾器中，將結(jié)垢嚴(yán)重的泵及兩塊布滿銹垢的鍋爐水管放置在鐵絲網(wǎng)外側(cè)，距離鐵絲網(wǎng)外側(cè)分別為13 cm、27cm、13 cm（圖1）。功率6 kW、頻率16～23 kHz、供電工作3 小時(shí)。

圖1 近端模擬實(shí)驗(yàn)俯視圖及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.1 Vertical view of simulation experiment and field test diagram

試驗(yàn)前泵筒周身結(jié)垢且堅(jiān)硬，用木片無法刮掉和清除，用角鐵敲擊，敲擊點(diǎn)周圍直徑0.5～1 cm 左右能產(chǎn)生小塊剝落。

超聲波作用后，在泵筒上出現(xiàn)一條縱向的光亮面，寬度約1.5 cm，而其他部位鈣垢仍然緊實(shí)附著（圖2）。

圖2 結(jié)垢泵筒超聲波作用后效果圖Fig.2 Scaling pump tube after ultrasonic action

由此可知，模擬試驗(yàn)結(jié)果符合超聲波沿直線縱向傳播且集中的特點(diǎn)，驗(yàn)證了超聲波解堵工藝在地面模擬設(shè)定的工作參數(shù)下，對(duì)礫石層外部緊貼放置的結(jié)垢泵管能夠產(chǎn)生鈣垢解除的作用。

試驗(yàn)前鍋爐水管呈青黑色和深灰色硬質(zhì)物質(zhì)，磕碰不掉，用堅(jiān)硬金屬反復(fù)刮削，在刮削部位可見明顯變薄，呈粉末狀。

試驗(yàn)后清除效果明顯，內(nèi)壁污垢基本去除，露出干凈管壁（圖3）。驗(yàn)證了超聲波解堵工藝在地面模擬設(shè)定的工作參數(shù)下，對(duì)礫石層外部緊貼放置的結(jié)垢鍋爐管內(nèi)壁能夠產(chǎn)生鈣垢解除的作用。

圖3 布滿銹垢的鍋爐水管超聲波作用前后對(duì)比圖Fig.3 Comparison of rust scale on boiler water pipe before and after ultrasonic treatment

2.3 遠(yuǎn)端模擬試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證作業(yè)時(shí)間和距離對(duì)除垢效果的影響，對(duì)地面試驗(yàn)進(jìn)行了補(bǔ)充，加大了泵管和鍋爐管與儀器的距離，增加了作業(yè)時(shí)長至6 小時(shí)。將儀器放入緊貼水池一角的過濾器中，將結(jié)垢嚴(yán)重的泵桶和鍋爐水管放置在水池對(duì)角，距離儀器約2.8 m（圖4）。設(shè)定儀器聲功率為6 kW、頻率16～23 kHz、供電工作6 小時(shí)。

圖4 遠(yuǎn)端模擬試驗(yàn)俯視圖Fig.4 Vertical view of simulation experiment

在作業(yè)進(jìn)行到3 小時(shí)的時(shí)候，泵管表面鈣垢的清除并不明顯，而鍋爐管內(nèi)壁的鈣垢已經(jīng)基本清除。作業(yè)6 小時(shí)后，泵筒外壁正對(duì)儀器面的下半部分表面，部分鈣垢清除明顯，上半部分未見明顯的清除；鍋爐水管內(nèi)側(cè)污垢等被有效清除（圖5）。

圖5 超聲波遠(yuǎn)端試驗(yàn)作用對(duì)比圖Fig.5 Effect comparison before and after ultrasonic test

2.4 地面試驗(yàn)結(jié)果

通過近端與遠(yuǎn)端兩組模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）試驗(yàn)用超聲波設(shè)備可有效穿透過濾器和礫石填充層對(duì)目標(biāo)物施加作用，能夠清除鈣垢、銹垢；

2）試驗(yàn)用超聲波對(duì)正對(duì)儀器的方向能夠產(chǎn)生除垢效果，而非正對(duì)方向效果未能直觀顯現(xiàn)，驗(yàn)證了超聲波作用的指向性和能量集中的特點(diǎn)；

3）一定距離下，泵管外壁上半部清除不理想，推測(cè)原因?yàn)樯钏凰畨焊撸橘|(zhì)密度變大，除垢作用效果直觀顯示優(yōu)于淺水位；

4）驗(yàn)證了超聲波有效作用范圍不低于2.8 m；

5）在地面的作業(yè)環(huán)境條件下，對(duì)PVC 材質(zhì)的過濾器物理結(jié)構(gòu)不會(huì)造成損壞，聲波能夠穿透過濾器、礫石層。但需要更長的作用時(shí)間才能對(duì)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)產(chǎn)生作用。

3 超聲波洗井地下試驗(yàn)

蒙其古爾礦床采用的超聲波洗井工藝是利用測(cè)井電纜將超聲波儀器下放入井筒內(nèi)，直至井下過濾器位置。超聲波儀器以縱波的方式，指向性地對(duì)產(chǎn)層（目的層）進(jìn)行超聲波解堵作業(yè)。超聲波作業(yè)完畢，再利用空壓機(jī)洗孔方式對(duì)作業(yè)井進(jìn)行物理方式洗井，洗出超聲波洗井作業(yè)解離的堵塞物。

本試驗(yàn)主要針對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的無機(jī)鹽堵塞進(jìn)行解堵實(shí)踐，同時(shí)針對(duì)鉆井液污染礦層堵塞、平米鈾量高但浸采效果差、成井水量不達(dá)標(biāo)等其他3類鉆孔進(jìn)行功率超聲解堵嘗試。

3.1 超聲波洗井解決無機(jī)鹽堵塞問題

蒙其古爾礦床碳酸鹽、黃鐵礦含量高，用CO2＋O2的浸出工藝過程中極易發(fā)生碳酸鈣及氫氧化鐵等無機(jī)鹽沉淀，無機(jī)鹽堵塞具有脆性特征，主要集中在井筒表面。利用超聲波的特性，在不破壞原始地層骨架的同時(shí)，將地層內(nèi)已板結(jié)的無機(jī)鹽物理破碎為粉末狀，通過空壓機(jī)將破碎后的沉淀物帶到地表或?qū)褰Y(jié)結(jié)垢破碎掉，增加滲透性。超聲波儀器井下聲功率控制在5～6 kW，作業(yè)時(shí)間60～90 min。

3.2 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞

地浸鉆孔施工無法避免鉆井液污染降低礦層滲透性［8］，以往采用空壓機(jī)進(jìn)行洗井或者活塞洗井［9］將殘余的鉆井液去除，但依然存在抽液井中會(huì)抽出大量鉆井液的難題。利用功率超聲工藝，有去除殘留在地層內(nèi)的鉆井液、恢復(fù)地層滲透性的可能性。鉆井液污染屬于侵入型堵塞，堵塞強(qiáng)度及波及深度都較大，超聲波儀器井下聲功率控制在7～9 kW，作業(yè)時(shí)間90～120 min。

3.3 超聲波洗井改善溶浸通道

蒙其古爾礦床存在平米鈾量高但浸出效果不理想的單元，本次利用超聲波洗井工藝，改善浸出不理想單元的溶浸通道，提高鈾的浸出效果。改善溶浸通道主要是改善作用范圍的地層滲透性，通過超聲可實(shí)現(xiàn)作用半徑內(nèi)的地層產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而形成微裂縫網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)改善地層滲透性的效果。超聲波儀器井下聲功率控制在7～9 kW，作業(yè)時(shí)間90～120 min。

3.4 超聲波洗井解決成井水量不達(dá)標(biāo)問題

蒙其古爾礦床鉆孔施工采用技術(shù)成熟的填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)和施工工藝［10］，現(xiàn)有運(yùn)行的生產(chǎn)鉆孔中，雖然水量指標(biāo)達(dá)到了驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)，但部分鉆孔水量仍然不高，鉆井液污染是一方面，還存在投礫質(zhì)量差，局部巖性變化等問題。利用超聲波工藝，在解除鉆井液污染的基礎(chǔ)上，改善投礫質(zhì)量，進(jìn)而提高該類鉆孔的水量。改善投礫質(zhì)量著眼點(diǎn)在于解除礫石間隙內(nèi)的砂質(zhì)及膠結(jié)物所形成的堵塞，從而改善近井筒地帶的地層滲透性。作業(yè)期間超聲波儀器井下聲功率控制在5～6 kW，作業(yè)時(shí)間60～90 min。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與效果分析

4.1 超聲波洗井解決無機(jī)鹽堵塞問題

4.1.1無機(jī)鹽解堵總體概況

本次挑選兩個(gè)單元，共計(jì)10 個(gè)鉆孔，進(jìn)行超聲波洗井解決無機(jī)鹽堵塞問題研究，試驗(yàn)井的參數(shù)見表1。

表1 超聲波洗井解決無機(jī)鹽堵塞問題研究試驗(yàn)井參數(shù)Table 1 Statistical table of solving inorganic salt blockage by ultrasonic well flushing

經(jīng)過超聲波洗井之后的鉆孔，有7 個(gè)鉆孔水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中以9-0602、9-0702、17-1313、17-1109 孔上升幅度最大（表2）。

表2 超聲波洗井解決無機(jī)鹽堵塞問題研究試驗(yàn)效果Table 2 Statistics of inorganic salt blockage effect by ultrasonic well washing

以9-0602 鉆孔為例，本井進(jìn)行兩次試驗(yàn)，第一次作業(yè)工藝為16～23 kHz，2 h/m，5～6 kW，第二次作業(yè)工藝為16～23 kHz，6 h/m，7～9 kW。超聲波作業(yè)后洗井8 小時(shí)，見液10 分鐘出現(xiàn)渾濁，洗井水回收罐取樣，見少量懸浮物和紅褐色懸浮顆粒，靜置后沉淀（圖6）。

圖6 9-0602 超聲波洗井后樣品特征Fig.6 Sampling after well washing by ultrasonic action（9-0602）

在超聲波洗井結(jié)束后，使用大功率（9.2 kW）提升設(shè)備進(jìn)行抽液，流量提升在0.7 m3/h 左右，維持時(shí)間僅為20 d。同時(shí)再更換至超聲波洗井前的提升設(shè)備（7.5 kW），其流量出現(xiàn)降低，較之前流量降低約0.2 m3/h（圖7）。

圖7 9-0602 超聲波洗井效果變化圖Fig.7 Effect chart of well washing by ultrasonic action（9-0602）

在第一次試驗(yàn)40 d 后，本井流量已經(jīng)降低至試驗(yàn)前狀態(tài)，結(jié)合地面試驗(yàn)結(jié)論，為驗(yàn)證本井是否徹底解堵，對(duì)本井進(jìn)行6 h/m 的加強(qiáng)試驗(yàn)。第二次試驗(yàn)返排液基本澄清，只含有極少量泥沙沉淀。兩次試驗(yàn)的返排液對(duì)比能夠推斷出：本井在第一次試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)解除堵塞，并且在兩次試驗(yàn)的間隔期的40 d 內(nèi)，沒有再次產(chǎn)生明顯的堵塞；高產(chǎn)狀態(tài)不能長時(shí)間維持的原因，初步判定為供液能力問題。

4.1.2無機(jī)鹽堵塞試驗(yàn)后的初步認(rèn)識(shí)

1）抽孔超聲波洗井后產(chǎn)量均有一定程度的上升，表明均存在不同程度的堵塞，經(jīng)超聲波洗井后堵塞得以解除；

2）解堵后產(chǎn)量恢復(fù)程度與堵塞程度有關(guān)，如9-0602 洗井取樣觀察堵塞明顯，解堵效果良好，產(chǎn)量恢復(fù)幅度大。而17-1211 孔堵塞程度明顯較輕，因斷流未錄取數(shù)據(jù)進(jìn)行有效對(duì)比；

3）8 口注孔作業(yè)后取樣結(jié)果顯示僅17-1109、9-0702 堵塞明顯，解堵后產(chǎn)量恢復(fù)幅度大，而其他各孔堵塞不明顯，作業(yè)后前期產(chǎn)量略有提升，短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至作業(yè)前相同的水平；

4）對(duì)于洗井作業(yè)結(jié)果顯示的堵塞不明顯的生產(chǎn)孔，建議進(jìn)一步查明真正影響產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。

4.2 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞

本次挑選一個(gè)鉆孔進(jìn)行超聲波洗井，進(jìn)行鉆井液污染礦層堵塞的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)井的參數(shù)見表3。

表3 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞試驗(yàn)井參數(shù)Table 3 Statistics of ultrasonic well washing to solve the plugging of the seam polluted by drilling fluid

本井洗井返排未見明顯堵塞物，試驗(yàn)后產(chǎn)液情況起伏很大，不能穩(wěn)定，判斷為超聲波洗井工藝未能對(duì)鉆井液污染礦層的堵塞產(chǎn)生明顯的作用（表4）。

表4 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞效果Table 4 The effect of ultrasonic well washing to solve the plugging of ore bed polluted by drilling fluid

4.3 超聲波洗井改善溶浸通道

本次挑選兩個(gè)鉆孔進(jìn)行超聲波洗井改善溶浸通道研究，試驗(yàn)井的參數(shù)見表5。

表5 超聲波洗井改善溶浸通道試驗(yàn)井參數(shù)Table 5 Improvement of leaching channel parameters by ultrasonic well flushing

10-1-1903、15-1405 均為抽孔，實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑楦纳迫芙ǖ?。其?0-1-1903 孔解堵后產(chǎn)量恢復(fù)明顯，取樣結(jié)果也驗(yàn)證了該孔有較重的堵塞，解堵效果良好，但受供液的影響未能保持長期穩(wěn)定。15-1405 孔超聲洗井作業(yè)后取樣結(jié)果顯示堵塞并不明顯，但工藝實(shí)施后產(chǎn)量前期明顯提升，達(dá)到改善溶浸通道的目的。上述兩個(gè)鉆孔水量維持時(shí)間不足15 d（表6）。

表6 超聲波洗井改善溶浸通道效果Table 6 Effect of ultrasonic well flushing on improving leaching channel

4.4 超聲波洗井解決成井水量不達(dá)標(biāo)問題

本次挑選兩個(gè)鉆孔進(jìn)行超聲波洗井，進(jìn)行成井水量不達(dá)標(biāo)問題的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)效果見表7。

表7 超聲波洗井解決成井水量不達(dá)標(biāo)問題效果Table 7 Statistics on the effect of ultrasonic well flushing to solve the problem of water volume not up to standard

本次試驗(yàn)的目的是希望通過多次反復(fù)進(jìn)行超聲波和空氣洗孔作業(yè)，驗(yàn)證此方法是否能夠?qū)⒍氯镞M(jìn)一步擊碎并排出，增強(qiáng)解堵效果。

試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)有明顯的涌砂現(xiàn)象，經(jīng)沉砂測(cè)量，底部有3 m 過濾器被涌進(jìn)來的泥砂填埋。需要進(jìn)行返砂洗井，待沖砂打開產(chǎn)層后，再跟蹤注液量變化情況。通過跟蹤9-0904 孔流量，發(fā)現(xiàn)該孔流量有所上升，但流量維持天數(shù)低于20 d。

本次試驗(yàn)表明，超聲波洗井過程中提高井下功率、頻率、每米作業(yè)周期等參數(shù)，井下解堵效果得到強(qiáng)化，但客觀情況則是對(duì)底層的原始骨架造成了破環(huán)，刺激擾動(dòng)地層，加劇了出砂，總體結(jié)果是對(duì)本井造成了傷害。因此應(yīng)盡量遵循防止破壞地層骨架、防止刺激地層出砂、防止破壞井筒結(jié)構(gòu)的原則。

綜合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析，抽液孔的水量增幅達(dá)43%以上；注液孔水量增幅為-8%～43%，平均為11%。

4.5 與其他洗井方式的效果對(duì)比

蒙其古爾礦床在停止使用化學(xué)洗井后，在現(xiàn)場(chǎng)還開展了“高壓風(fēng)包洗井”“氣活塞洗井”“風(fēng)包＋氣活塞洗井”等物理方式的洗井，通過與超聲波洗井方式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超聲波洗井方式水量提升最低，維持時(shí)間也相對(duì)較短（表8）。

表8 各種洗井方式效果對(duì)比Table 8 Comparison of the effect of well cleaning methods

5 結(jié) 論

1）地表試驗(yàn)中，附著于泵管、鍋爐管的鈣垢和銹垢經(jīng)超聲波作用后剝離；在地下試驗(yàn)中，抽孔液量提升、注孔多次試驗(yàn)后被砂埋，這說明超聲波能夠刺激地層出砂，但目前無法有效將剝落的泥砂排出鉆孔。

2）從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)判斷，在發(fā)生器頻率為16～23 kHz，井下功率為5～6 kW，作業(yè)時(shí)間為2～6 h/m 的工作參數(shù)下，抽液孔的水量增幅達(dá)43%以上；注液孔水量增幅為-8%～43%，平均為11%。超聲波對(duì)注液井和抽液井的清洗效果相差較大，主要原因是超聲波雖能有效剝離結(jié)垢物，但注液井中剝離的垢物未能有效返排。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，超聲波技術(shù)在地浸采鈾生產(chǎn)井中具有一定的解堵作用，但對(duì)于深井的清洗，需在超聲功率、作用時(shí)間及返排措施等方面做進(jìn)一步研究。

4）超聲波儀器受尺寸限制，暫時(shí)無法提供更高的使用頻率和功率?？梢栽跅l件成熟時(shí)，使用具備更高功率和頻率的超聲波工藝設(shè)備，探索超聲波在可地浸砂巖型鈾礦抽注液鉆井解堵方面的方法和工藝參數(shù)。