負(fù)壓洗井工藝在地浸采鈾礦山的應(yīng)用

劉曉奎,張 渤,閆紀(jì)帆,田志宇,馮小剛,田 爽

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

隨著能源需求的增加和傳統(tǒng)化石燃料的減少,鈾礦開(kāi)采和核能開(kāi)發(fā)受到各國(guó)重視[1]。中國(guó)的鈾礦冶起步于20世紀(jì)50年代,經(jīng)過(guò)核工業(yè)人的不斷努力,地下開(kāi)采、露天開(kāi)采、原地爆破浸出等技術(shù)取得了很大進(jìn)步。地浸采鈾礦山已逐步取代常規(guī)礦山,成為主要的鈾礦來(lái)源。

地浸采鈾工藝[2]在開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)注液井注入化學(xué)試劑,在注液井使用一段時(shí)間后,會(huì)出現(xiàn)礦層孔隙堵塞、瞬時(shí)流量下降等問(wèn)題。通過(guò)洗井可把過(guò)濾器段周圍的堵塞物洗掉,疏通進(jìn)水通道,改善礦層的滲透性,達(dá)到提高流量的目的[3]。目前,國(guó)內(nèi)地浸采鈾常用的洗井方法主要有壓縮空氣洗井、活塞洗井、化學(xué)洗井和CO2洗井。壓縮空氣洗井是應(yīng)用最廣泛的洗井方式之一,可有效去除過(guò)濾器及套管壁上的泥漿等物理堵塞物,但不能破壞化學(xué)堵塞物[4-5]?；钊淳蓪⑦^(guò)濾器及沉砂管上的泥沙清洗干凈,主要用于成井水泥固化后洗井;活塞洗井強(qiáng)度高,易對(duì)套管造成損傷,應(yīng)用較少?；瘜W(xué)洗井工藝可有效溶解礦層化學(xué)堵塞物,改善礦層的滲透性,達(dá)到提高流量的目的;但其洗井耗時(shí)較長(zhǎng),易腐蝕套管和過(guò)濾器[6-7]。CO2洗井效果較好;但洗井成本較高,對(duì)化學(xué)堵塞的洗井效果不理想。

負(fù)壓洗井能在石油開(kāi)采領(lǐng)域較好地解決油層堵塞問(wèn)題,顯著提高油井產(chǎn)量[8-9];但該技術(shù)在地浸采鈾領(lǐng)域的應(yīng)用較少。筆者以內(nèi)蒙古某地浸采鈾礦山為對(duì)象,進(jìn)行了負(fù)壓洗井技術(shù)試驗(yàn)研究,以期解決地浸采鈾過(guò)程中出現(xiàn)的礦層堵塞問(wèn)題,改善礦層滲透性,提高鈾產(chǎn)量。

1 負(fù)壓洗井工藝原理及過(guò)程研究

1.1 工藝原理

利用封隔器將目的層與上水層分開(kāi),再利用空壓機(jī)將壓縮空氣輸送至井內(nèi)。經(jīng)充氣管線進(jìn)入的壓縮空氣使封隔器膨脹,進(jìn)而將水層分開(kāi),使封隔器下的水層達(dá)到密封狀態(tài)。壓縮空氣被傳送至封隔器中心管后以高速噴出,造成的水氣混合物在井內(nèi)形成渦流,實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾器段的沖涮,達(dá)到疏通堵塞物的目的。由于氣水混合物的密度比水小,從而井內(nèi)污水隨著氣流一起從井口排出[10-11]。

1.2 工藝方案設(shè)計(jì)

選取瞬時(shí)流量低于1.5 m3/h的注液井作為試驗(yàn)研究對(duì)象,采用的封隔器直徑110 mm、膨脹比1.2、承壓8 MPa,充氣管線外徑8 mm、壁厚2 mm、最大承壓10 MPa,管匯配件、壓力表、閥門(mén)、接頭等的耐壓大于10 MPa。

研究封隔器下放深度分別為井內(nèi)150、200、250、300 m時(shí),密封性能對(duì)洗井效果的影響;并在封隔器下放深度為300 m時(shí),與傳統(tǒng)壓縮空氣工藝的洗井效果進(jìn)行對(duì)比,采用2組空壓機(jī)并聯(lián)方式工作,單組空壓機(jī)風(fēng)量為1.7 m3/h。

1.3 工藝過(guò)程介紹

首先將封隔器中心管的側(cè)上端通過(guò)風(fēng)管與空壓機(jī)連接,并將中小管上端與排水管連接;將充氣管線一端與帶保壓裝置的空壓機(jī)連接,另一端與封隔器的橡膠套環(huán)連接;然后通過(guò)絞車緩慢將封隔器下入目標(biāo)井內(nèi)的目標(biāo)位置。工作時(shí),先打開(kāi)1臺(tái)空壓機(jī)給保壓裝置供氣,當(dāng)保壓裝置的壓力表示數(shù)達(dá)到2.8 MPa時(shí),停止供壓,此時(shí)井內(nèi)封隔器橡膠套環(huán)已經(jīng)完全撐開(kāi)與井壁密封;然后再打開(kāi)另外1臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行洗井。負(fù)壓洗井裝置見(jiàn)圖1。

圖1 負(fù)壓洗井裝置示意圖Fig. 1 Diagram of the negative pressure well washing device

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2.1 洗井方法對(duì)洗井效果的影響

對(duì)相同的低流量井分別進(jìn)行了壓縮空氣洗井和負(fù)壓洗井試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壓縮空氣洗井與負(fù)壓洗井效果對(duì)比Table 1 Comparison of well washing effect between compressed air and negative pressure

由表1可看出,壓縮空氣洗井后第1天的平均瞬時(shí)流量較洗井前提升了1.72 m3/h,提升率為191.11%;洗井后第15天的平均瞬時(shí)流量較洗井前提升了0.89 m3/h,提升率為98.89%,洗井后瞬時(shí)流量下降速度較快。負(fù)壓洗井洗后第1天的平均瞬時(shí)流量較洗井前提升了2.63 m3/h,提升率為350.67%;洗井后第15天平均瞬時(shí)流量較洗井前提升了1.77 m3/h,提升率為236.00%。采用負(fù)壓洗井的效果優(yōu)于壓縮空氣洗井。

2.2 封隔器下放深度對(duì)洗井效果的影響

封隔器下放深度對(duì)洗井效果的影響見(jiàn)表2?？梢缘贸?當(dāng)封隔器分別下放至井內(nèi)150、200、250、300 m時(shí),洗井后第15天的平均瞬時(shí)流量較洗井前分別提升了1.11、1.62、1.78、1.84 m3/h;封隔器下放深度為300 m的鉆井,洗井后的流量提升幅度、維持時(shí)間均高于其他下放深度的鉆井,洗井效果更明顯。隨著封隔器下放深度的增加,負(fù)壓洗井對(duì)鉆孔礦層段的作用增大,洗井效果更明顯。

表2 封隔器下放深度對(duì)洗井效果的影響Table 2 Effect of packer depth on well washing

2.3 封隔器密封性能對(duì)洗井效果的影響

洗井過(guò)程中,使用加拿大Solinst公司生產(chǎn)的地下水水位記錄儀(Levelogger)對(duì)封隔器上部水位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 洗井過(guò)程中的水位下降最大深度與洗后效果Table 3 Maximum depth of water level drop during well washing and washing effect

由表3可看出,除5-7340洗井后流量提升效果較差外,其他井在洗井后流量提升均比較明顯,而且維持時(shí)間較長(zhǎng)。而只有5-7340井在洗井過(guò)程中,封隔器上端水位下降大(超過(guò)30 m),封隔器未能完全撐開(kāi),未能達(dá)到對(duì)鉆孔下部密封的狀態(tài),因此導(dǎo)致洗井效果不明顯。

2.4 保壓裝置對(duì)洗井效果的影響

為了保證洗井過(guò)程中封隔器完全撐開(kāi),以及降低使用過(guò)程中對(duì)封隔器橡膠套環(huán)彈性造成損傷,在洗井過(guò)程中采用了保壓裝置對(duì)封隔器的充氣管線進(jìn)行單獨(dú)供氣,保證封隔器的密封性能,保壓裝置使用前后的洗井效果見(jiàn)圖2。

圖2 保壓裝置使用前后洗井效果對(duì)比Fig. 2 Comparison of well washing effect before and after using pressure retaining device

經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)充氣管線的壓力示數(shù)維持在2.8 MPa時(shí),封隔器上層的水位幾乎無(wú)變化,表明此時(shí)封隔器的密封性能較好。故在洗井過(guò)程中,使保壓裝置的壓力始終保持在2.8 MPa以上,以提高封隔器的密封性能,進(jìn)而提高洗井效果。采用保壓裝置和未采用保壓裝置的鉆井在洗井后運(yùn)行變化情況基本一致,但采用保壓裝置的鉆井洗井后的流量提升始終高于未采用保壓裝置的鉆井(圖2),使用保壓裝置可以提高洗井效果。

3 結(jié)論

采用負(fù)壓洗井工藝時(shí),封隔器下放深度越大,洗井效果越明顯。負(fù)壓洗井工藝與壓縮空氣洗井工藝相比,洗井后流量提升更明顯,而且洗井后瞬時(shí)流量能保持較長(zhǎng)時(shí)間。