宗緒永，李柏軍

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽 110032）

0 前言

在砂巖型鈾礦床的地浸鉆孔施工中，泥漿沖洗液的加入使得地層壓力失衡。如何防止鉆孔漏失，減少沖洗液對地層的擾動，同時(shí)又不破壞含礦層的原始滲透性，減小沖洗液對礦層造成的污染，成為地浸工藝鉆孔施工和成孔的關(guān)鍵。

鉆進(jìn)時(shí)鉆孔內(nèi)的水柱壓力通常高于含礦含水層的水柱壓力，泥漿中的粘結(jié)物和細(xì)小顆粒在水位差的作用下向礦層滲透，滲透距離隨水位差的增大而增大。泥漿顆粒滲入礦層深度可達(dá)0.03～0.3m［1］，水頭小、埋層深的礦層滲透的范圍更大，甚至滲透至鄰近鉆孔。泥漿顆粒滲入礦層后會逐漸膨脹，進(jìn)而堵塞巖石孔隙，降低和惡化了巖石的天然滲透性。在使用不合理比重的泥漿鉆進(jìn)時(shí)，礦層的滲透系數(shù)可降低50%以上，鉆孔涌水量減少50～70%［1］。為提高地浸采鈾質(zhì)量，鉆孔涌水量的成井工藝是我們研究的課題。

1 礦層泥漿比重設(shè)計(jì)

1.1 最優(yōu)泥漿比重計(jì)算

鉆孔的施工過程，是以鉆頭不斷破碎巖石揭露巖層并逐漸鉆進(jìn)完成的，鉆孔的形成使地層裸露于孔壁上。鉆孔與地層之間的壓力平衡問題對礦層的滲透性有很大的影響，計(jì)算和評價(jià)地層壓力為泥漿比重設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

礦床在埋深不大時(shí)，最小的地層破裂壓力等于地層壓力，最大的地層破裂壓力等于上覆蓋巖層壓力。較致密的巖層段地層破裂壓力很高，而松散或疏松巖層段，沖洗液靜液壓力只要達(dá)到地層壓力就可能出現(xiàn)地層破裂，造成鉆孔漏失，這種情況在鉆探施工中經(jīng)常發(fā)生。

在原始靜水位較低的砂巖鈾礦床鉆孔施工中，鉆孔沖洗液的比重對地層平衡的控制尤為重要。須根據(jù)監(jiān)測地層壓力確定鉆孔沖洗液密度：

式中：H 為孔深，m；ρ為沖洗液密度，g／cm3；P 為監(jiān)測的地層壓力，MPa。

P可按潛水面位置與孔深H 的水位壓差計(jì)算。在計(jì)算ρ結(jié)果較低，普通膨潤土泥漿比重?zé)o法滿足ρ大小時(shí)，可采取以泡沫泥漿作為沖洗液的負(fù)壓鉆進(jìn)技術(shù)。

1.2 負(fù)壓鉆進(jìn)技術(shù)

在地浸工藝鉆孔施工中，依據(jù)地層條件積極應(yīng)用負(fù)壓鉆進(jìn)技術(shù)，以減小沖洗液對礦層天然滲透性的影響。負(fù)壓鉆進(jìn)是指鉆進(jìn)過程中，鉆孔內(nèi)的水（液）位要比含礦含水層中的地下水原始水位低，即鉆孔內(nèi)孔壁某處所承受的孔內(nèi)水柱壓力低于含礦含水層地下水產(chǎn)生的壓力，從而使沖洗液顆粒不會向礦層滲入的鉆進(jìn)技術(shù)。相反，含礦含水層的地下水在水柱壓差的作用下不斷涌入孔內(nèi)，清洗孔壁及孔壁附近礦層，在鉆進(jìn)過程中不易形成泥皮結(jié)垢，可以加快鉆進(jìn)速度。負(fù)壓鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用前提是巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，巖層不穩(wěn)定時(shí)可通過模擬試驗(yàn)精確計(jì)算，嚴(yán)格控制鉆速和鉆壓，以避免負(fù)壓鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生塌孔等孔內(nèi)事故。

采用泡沫負(fù)壓鉆進(jìn)工藝可實(shí)現(xiàn)礦層部位的負(fù)壓鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度快，沖洗液攜粉性能好，可有效避免沖洗液進(jìn)入并污染含礦含水層，保持含礦含水層的天然滲透性。

2 礦層局部擴(kuò)孔工藝

在鉆進(jìn)過程中，泥漿的失水導(dǎo)致孔壁上形成致密的泥皮，沖洗液靜液壓力越大、裸露時(shí)間越長，泥皮越厚。泥皮可有效地保持地層壓力的平衡，泥皮的形成也是沖洗液中粘土顆粒向含礦含水層滲透的過程，對含礦含水層的滲透性卻造成了很大損害。因此在成孔后利用礦層部位局部擴(kuò)孔工藝將泥皮和較致密的孔壁切削掉，可以很有效恢復(fù)礦層的天然滲透性。

礦層通過局部擴(kuò)孔后，鉆孔的過水面積增大，從而增大鉆孔涌水量。同時(shí)過濾器和孔壁之間的環(huán)形空間增大，填入的礫石料在過濾器和孔壁之間形成滲透性良好的人工過濾層，減少地下水進(jìn)水時(shí)產(chǎn)生的沿程水頭損失，防止孔壁坍塌和過濾器堵塞，延長地浸鉆孔的使用年限。

美國地浸鈾礦山礦層段擴(kuò)孔可分為兩種形式，無套管擴(kuò)孔和有套管擴(kuò)孔。無套管擴(kuò)孔是將套管下入至礦層頂板，利用水泥注漿封孔，然后在套管內(nèi)下入擴(kuò)孔鉆頭將礦層段孔徑擴(kuò)大。有套管擴(kuò)孔是先下入套管，注漿后利用擴(kuò)孔鉆頭將礦層段套管、水泥、礦層切掉形成裸孔，再下入過濾器，目的是人為縮短過濾器長度，獲得較高浸出液鈾濃度。

新疆一些鈾礦床在礦層段局部擴(kuò)孔施工中主要采用偏心鉆頭式擴(kuò)孔器，取得了很好的效果，該方法簡單易行，通過礦樣靜壓滲濾試驗(yàn)預(yù)測沖洗液的動壓滲濾深度，進(jìn)而設(shè)計(jì)最優(yōu)的擴(kuò)孔器參數(shù)。

3 空壓機(jī)洗井參數(shù)的優(yōu)化

洗井是成井工藝中最后的工序，可分為活塞洗井和空壓機(jī)洗井。洗井質(zhì)量的好壞，直接影響鉆孔的涌水量?；钊淳峭ㄟ^在套管內(nèi)下入比套管外徑小10mm左右的橡膠活塞，活塞連接在投礫管最低端，利用升降機(jī)上下提拉活塞，同時(shí)開泵沖洗，通過抽吸和沖洗作用，破壞過濾器周圍泥皮，疏通含水通道，并沖洗排凈管內(nèi)泥砂。

空壓機(jī)洗井是利用空氣壓縮機(jī)將壓縮空氣送入孔內(nèi)地下水以下，形成氣水混合物，利用地層壓力將這種連續(xù)不斷的氣水混合水?dāng)D壓上來。這種空氣提升過程是基于連通器原理，當(dāng)壓縮空氣經(jīng)氣管進(jìn)入抽液管中時(shí)，氣與水混合成密度比水小的乳狀混合物，其在地層壓力作用下上升至地表。在已知礦層地層壓力P0和原始水位深度時(shí)，乳狀混合物密度可計(jì)算：

式中：h為原始水位深度，m；ρ混為乳狀混合物密度，g／cm3；P0為地層壓力，MPa。

可通過加入發(fā)泡劑調(diào)整乳狀混合物密度，并保持有足夠的風(fēng)量，使上升溶液形成良好的氣水混合物。送氣管和抽液管也形成連通器，抽液管中的液體不斷上升，送氣管中的風(fēng)壓也不斷上升，洗井時(shí)所需的風(fēng)壓等于風(fēng)管壓力損失與地表到風(fēng)管插入深度的液柱壓力之和。

4 逆向投礫法

逆向投礫法在國外應(yīng)用很廣泛，這種投礫方法可保證過濾器周圍礫石均勻密實(shí)。過濾器底端設(shè)有兩個(gè)反向單向閥，投礫管要穿過這兩個(gè)單向閥。投礫時(shí)用泵將水和礫石的混合物通過投礫管注入到礦層位置，投礫結(jié)束后將投礫管提出，關(guān)閉過濾器下端的兩個(gè)單向閥，保證過濾器底端封閉，過濾器下部不設(shè)有沉砂管。

我國尚未嘗試逆向投礫法，正向投礫法投礫或地表直接投礫的方法很難準(zhǔn)確控制投礫量和投礫高度。2000年我國在某地浸現(xiàn)場開展了可更換式過濾器的試驗(yàn)，取得了初步成功?？筛鼡Q的過濾器在疊圈過濾器的頂端設(shè)有掛鉤的螺紋管，實(shí)現(xiàn)下入和取出過濾器。過濾器更換迄今為止尚未在生產(chǎn)中應(yīng)用，過濾器堵塞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，開展過濾器更換技術(shù)的研究有重要意義。

5 逆向注漿技術(shù)

逆向注漿技術(shù)是指在套管的中央利用鉆桿壓漿，從人工隔塞對應(yīng)的位置射入水泥漿，水泥漿由下至上均勻填充在環(huán)狀空間中的封孔注漿方式。如圖所示，圖中逆向注漿器6與注漿管3相連，首先注漿器從UPVC套管4中被送到與人工隔塞9上部相對應(yīng)的灌漿部位。壓漿泵開啟后，注漿器人工隔塞封閉套管柱上下過水通道，水泥漿只能沿著套管上預(yù)留的噴射孔7射入套管與孔壁之間的環(huán)狀空間，并逐漸填充至孔口，完成封孔注漿工藝。注漿完成后止回8裝置封閉套管上的水泥漿入口，注漿器可安全提出。

圖1 逆向注漿法示意圖

2000年起我國已著手逆向注漿的現(xiàn)場試驗(yàn)，但到目前為止還未在生產(chǎn)中應(yīng)用。對于這項(xiàng)關(guān)鍵的鉆孔施工技術(shù)，需進(jìn)一步研究。

6 結(jié)束語

（1）泡沫鉆井液泡沫質(zhì)量好，氣體含量高，具有密度低、濾失量少、攜粉能力強(qiáng)、鉆速快、對地層傷害小等特點(diǎn)，對滲透率低、易受泥漿傷害的礦層有很好的低傷害鉆進(jìn)效果，我國鈾礦床應(yīng)用泡沫負(fù)壓鉆進(jìn)技術(shù)的較少，可根據(jù)礦層廣泛推廣該技術(shù)。

（2）鉆孔沖洗液循環(huán)時(shí)在礦層部位所形成的泥皮既厚又致密，因此礦層部位局部擴(kuò)徑是必需的一道工序。

（3）空壓機(jī)洗井應(yīng)根據(jù)礦層水位設(shè)置合適的風(fēng)量和壓強(qiáng)，泡沫洗井由于攜砂能力強(qiáng)，很容易將孔底沉砂帶出，省時(shí)高效。

（4）逆向投礫法和逆向注漿技術(shù)在國內(nèi)還未推廣應(yīng)用，配套應(yīng)用可更換式過濾器是今后我國地浸采鈾技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

［1］史維浚.鈾水文地球化學(xué)原理［M］.北京：原子能出版社，1988.

［2］蘇學(xué)斌.提高低滲透性礦床地浸鉆孔涌水量的方法［J］.油礦冶，2005（4）.

［3］王海峰，等.美國地浸鈾礦山鉆孔成井工藝及井場運(yùn)行［J］.鈾礦冶，2012（3）.

［4］胡柏石，等.地承壓水頭條件下地浸鉆孔施工與成井工藝特征探討［J］.鈾礦冶，2005（8）.

［5］闕為民，王海峰，田時(shí)豐，等.我國地浸采鈾研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鈾礦冶，2005（3）.