秦昊，胡柏石，李召坤，李坡，楊立志

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

地浸采鈾工藝鉆孔通常采用一次成井工藝進(jìn)行施工，即形成裸孔后，下放帶有過濾器、沉砂管等部件的套管，下放金屬管至套管和孔壁環(huán)空進(jìn)行填礫、止水和注漿。這種結(jié)構(gòu)形式簡單、施工難度小；但施工工期長，易發(fā)生過濾器堵塞，后期洗孔頻繁。

內(nèi)置過濾器式鉆孔結(jié)構(gòu)較為先進(jìn)，可用于鉆孔修復(fù)、多層礦體的開采及超深鉆孔施工等。內(nèi)置過濾器式鉆孔在完成切割后，由于上部套管外圍有水泥石的阻擋，無法采用常規(guī)填礫方法完成填礫(正向填礫)。國內(nèi)目前施工的大多數(shù)此類鉆孔的內(nèi)置過濾器外圍都沒有礫石保護(hù)，將內(nèi)置過濾器固定于設(shè)計(jì)位置即完成施工。由于沒有外層礫石保護(hù)，內(nèi)置過濾器使用壽命短，容易發(fā)生物理堵塞，需要經(jīng)常更換。如何完成此類鉆孔的礫石填充，是困擾施工技術(shù)人員的難題之一。

針對上述問題，研發(fā)和設(shè)計(jì)了地浸專用填礫裝置，采用塑料粒作為過濾材料，使礫石能夠單向通過反向填礫裝置進(jìn)入內(nèi)置過濾器環(huán)狀空間，實(shí)現(xiàn)了對此類鉆孔的有效填礫，很好地解決了內(nèi)置過濾器填礫難的技術(shù)問題。

1 鉆孔填礫方法

1.1 常規(guī)填礫方法

1)填礫工序。目前國內(nèi)地浸采鈾鉆孔填礫工序都是在套管外填礫，將金屬管下入套管外側(cè)，采用砂石泵進(jìn)行填礫，采用邊投邊向上提金屬管的方式進(jìn)行。

2)填礫材料。石英砂是正向填礫最常用的礫料[1]，其主要成分是SiO2，密度為2.65 g/cm3，粒度為2.0～4.0 mm。

1.2 反向填礫方法

反向填礫主要是通過在過濾器底部安裝單向閥來實(shí)現(xiàn)。礫料只能單向從底部進(jìn)入過濾器環(huán)空，而環(huán)空的礫料和砂土不能反向進(jìn)入過濾器[2]。將填礫管與內(nèi)置過濾器相連接，下入內(nèi)置過濾器。礫料通過過濾器底部的單向閥進(jìn)入過濾器環(huán)空，采用密度小于水的人造礫料，礫料通過單向閥后會自行上浮，防止發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2 反向填礫工具

2.1 反向填礫裝置

地浸采鈾鉆孔常用的填礫方法是下入套管后，將填礫管下入至套管外側(cè)進(jìn)行填礫。填礫上界面設(shè)計(jì)在過濾器以上1.0～2.0 m。礫石主要為具有較好磨圓度的石英，其占比>95%，粒徑為2.0～4.0 mm。

地浸采鈾鉆孔修復(fù)后，套管上部外側(cè)有水泥，常規(guī)的填礫方法無法完成填礫。采用反向填礫，使礫料穿過過濾器底部投到外側(cè)可以很好解決這個問題。反向填礫裝置必須滿足2個條件：1)填礫泵的壓力能夠打開填礫閥門；2)礫石只能單向從內(nèi)置過濾器的中間進(jìn)入過濾器外圍。

圖1、2為自行研發(fā)的反向填礫裝置結(jié)構(gòu)示意，總體結(jié)構(gòu)分為兩部分，即填礫器主體和下護(hù)管。填礫器主體為管狀結(jié)構(gòu)，一端為母絲扣，另一端為公絲扣，在公絲扣的一端安裝有單向閥。蓋板和填礫器通過鉸鏈連接，鉸鏈中部裝有扭簧，使蓋板能夠自動閉合。反向填礫器靠近母扣一端的中部還需安裝一個反絲扣，用來連接填礫管。填礫器的母扣一端與內(nèi)置過濾器相連接。

1—填礫器主體；2—內(nèi)螺紋；3—反向內(nèi)螺紋；4—蓋板；5—彈簧鉸鏈。圖1地浸采鈾鉆孔反向填礫器主體

圖2下護(hù)管

下護(hù)管整體為管狀結(jié)構(gòu)，一端為母扣，另一端為閉合結(jié)構(gòu)。下護(hù)管的四周有4個過水槽，過水槽為矩形。下護(hù)管的母扣一端與填礫器的公扣一端相連接。下護(hù)管的主要作用是保護(hù)蓋板，確保在井下復(fù)雜的環(huán)境中順利打開。

2.2 反向填礫裝置工作原理

填礫時首先將填礫管穿過內(nèi)置過濾器后，其公絲扣一端擰入反絲扣。反向填礫器的母絲扣一端與內(nèi)置過濾器連接，下護(hù)管的母絲扣一端與反向填礫器的公絲扣一端連接。

填礫時水壓將蓋板打開，礫料通過蓋板后，從下護(hù)管的過水槽進(jìn)入過濾器環(huán)空。完成填礫后，蓋板由于扭簧的彈力而閉合，順時針旋轉(zhuǎn)填礫管，使填礫管和填礫裝置分離。

3 填礫礫料選擇與用量計(jì)算

3.1 礫料的要求

采用反向填礫技術(shù)，如果依然采用石英砂，則由于石英砂密度較大，隨水流流出蓋板后水壓大大減小，石英砂將直接堵塞在下護(hù)管內(nèi)。即使礫料進(jìn)入環(huán)空，一旦石英砂蓋住過水槽，也很容易造成堵塞。同時，顆粒在管內(nèi)液體中垂向Y軸方向受到重力、浮力、曳力、阻力等影響，分別由式(1)～(4)表示。

G=ρpVpg，

(1)

式中：G—重力，N；ρp—顆粒密度，kg/m3；Vp—顆粒體積，m3；g—重力加速度，m/s2。

(2)

式中：Fd—曳力，N；CD—曳力系數(shù)；Ap—顆粒垂向投影面積，m2；υ—流速，m/s；ρ—液體密度，kg/m3。

Fb=ρVpg，

(3)

式中：Fb—浮力，N；其他同上。

(4)

式中：Fz—阻力，N；ξ—阻力系數(shù)；其他同上。

顆粒在垂向Y軸的受力情況為

(5)

由式(5)得出，顆粒與水之間的密度差直接影響顆粒的充填效果。根據(jù)地浸采鈾鉆孔反向填礫要求，顆粒密度需小于水的密度，因此，在密度小于水的前提下應(yīng)選擇密度較大的顆粒。

因此，理想的填礫材料應(yīng)具備4個特點(diǎn)：1)密度小于水，礫料進(jìn)入環(huán)空后會自動在浮力作用下上浮，從而避免過水槽堵塞；2)顆粒與水密度差的絕對值應(yīng)較??；3)磨圓度應(yīng)較高，礫石磨圓度高可以有效減小顆粒之間的膠合力與摩擦力；4)耐化學(xué)腐蝕性要好，應(yīng)耐酸、耐堿。

3.2 礫料的選擇

常見的人造礫料的物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 常見人造礫料的理化性質(zhì)

陶瓷顆粒與PVC顆粒的密度大于水，通過填礫裝置后并不會上浮，而會堆積在下護(hù)管外側(cè)或內(nèi)部，堵塞填礫通道；HDPE顆粒與PP顆粒都具有比較好的耐腐蝕性，密度小于水，可以有效避免填礫通道的堵塞；HDPE密度稍大于PP顆粒，在填礫管內(nèi)運(yùn)動時能夠得到更大的垂向力，同時顆粒磨圓度也較高。因此，HDPE顆粒為較理想的填礫材料。其實(shí)物如圖3所示[3]。

圖3 HDPE礫料

3.3 礫料用量計(jì)算

設(shè)計(jì)充填礫料上界面為過濾器的上端，計(jì)算所需充填礫料的量。礫料用量計(jì)算公式為[4]

V=0.785(D2-d2)LK

(6)

式中：V—填礫體積，m3；D—孔徑，m；d—PVC管外徑，m；L—填礫孔段，m；K—超徑系數(shù)，K=1.1～1.3。

4 現(xiàn)場可行性試驗(yàn)

為了進(jìn)一步測試填礫泵的水流能否沖開單向閥，并將礫石投放到過濾器環(huán)空，在現(xiàn)場水箱內(nèi)模擬水中環(huán)境進(jìn)行了可行性試驗(yàn)，如圖4所示。試驗(yàn)使用的泥漿泵型號為BW250，最大流量250 L/min，最大壓力7 MPa，額定功率18 kW。

圖4 反向填礫裝置地表可行性試驗(yàn)

將填礫器安裝在內(nèi)置過濾器尾部并置于水箱內(nèi)，將填礫管插入內(nèi)置過濾器至單向閥位置，打開水泵，使用水泵最小壓力(0.1 MPa)，單向閥順利打開。然后緩慢提升填礫管，使填礫管與單向閥的距離不斷增大。試驗(yàn)表明：填礫管與單向閥的最遠(yuǎn)打開距離為1 100 mm。而實(shí)際試驗(yàn)時，填礫管直接通過反絲扣連接在填礫器上，且與單向閥形成一個密閉空間，水流必須通過單向閥流出；而且實(shí)際試驗(yàn)時的壓力遠(yuǎn)大于可行性試驗(yàn)時的壓力，因此反向填礫裝置可以在孔內(nèi)被水流順利打開，完成填礫。

5 反向填礫現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)

5.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

截至目前，郎卡鈾礦床共有13個試驗(yàn)鉆孔采用了反向填礫技術(shù)，這些鉆孔主要采用2種鉆孔結(jié)構(gòu)，分別是下裸式鉆孔結(jié)構(gòu)與切割式鉆孔結(jié)構(gòu)，見表2。

鉆孔直徑為φ269 mm，套管采用φ152 mm×12.88 mm PVC-U管，用相同材質(zhì)的φ160 mm×15 mm管加工管箍，采用非變徑結(jié)構(gòu)。開采層位為三工河下段，礦層埋藏深度717～738 m，過濾器類型均為內(nèi)置過濾器。

表2 采用反向填礫技術(shù)的試驗(yàn)鉆孔

孔號為SY-02、SY-06、SY-08、SY-10、SY-15采用切割式鉆孔結(jié)構(gòu)，即全孔下放過濾管后逆向注漿，形成穩(wěn)定開采柱。在礦層部位對PVC-U管進(jìn)行切割，下放內(nèi)置過濾器并進(jìn)行反向填礫，形成二次成井結(jié)構(gòu)。

其余鉆孔均采用切割式鉆孔結(jié)構(gòu)，即全孔下放過濾管后逆向注漿，形成穩(wěn)定開采柱。在礦層部位對PVC-U管進(jìn)行切割，下放內(nèi)置過濾器并進(jìn)行反向填礫，形成二次成井結(jié)構(gòu)。

以上2種工藝采用的過濾器類型均為內(nèi)置過濾器，反向填礫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)切割式鉆孔結(jié)構(gòu)與下裸式鉆孔結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)組成部分。

5.2 內(nèi)置過濾器的制作

內(nèi)置過濾器組件管材全部為PVC-U管，如圖5所示。過濾管按常規(guī)方法加工并外套環(huán)形外骨架；過濾器下部為3 m的沉砂管，沉沙管底部連接內(nèi)置過濾器反向填礫裝置；過濾器上部長度應(yīng)大于2 m，留出充分的空間纏繞膨脹膠帶。

在內(nèi)置過濾器上部纏繞2道膨脹止水膠帶，膨脹止水膠帶最大厚度需小于套管內(nèi)徑。將纏繞膨脹止水膠帶的內(nèi)置過濾器下入鉆孔的設(shè)計(jì)位置后靜置12 h，待膨脹膠帶充分膨脹，然后將內(nèi)置過濾器固定在套管中。

圖5 內(nèi)置過濾器示意

5.3 反向填礫工序試驗(yàn)

現(xiàn)場進(jìn)行反向填礫工序試驗(yàn)和驗(yàn)證。

1)洗孔。清水軟管接到φ50 mm填礫管上，泵入清水清洗過濾器環(huán)空。

2)準(zhǔn)備人工礫料。HDPE塑料礫使用前用5.0 mm的網(wǎng)篩篩分，再用清水清洗干凈。

3)填礫。加入塑料礫，填礫過程不允許斷水，非事故狀態(tài)下不能停止填礫管內(nèi)水的流動；按預(yù)算的礫量投完后，繼續(xù)開泵15 min，將填礫管及單向閥中的礫料沖洗干凈。

4)提出填礫管。填礫管和內(nèi)置過濾器采用反向螺紋固定，因此順時針旋轉(zhuǎn)填礫管，使填礫管和內(nèi)置過濾器分離，提出填礫管。

5.4 試驗(yàn)效果

各鉆孔經(jīng)過空壓機(jī)洗孔后的抽水量見表3。

表3 試驗(yàn)鉆孔水量

下裸式結(jié)構(gòu)鉆孔的最小抽水量為7.56 m3/h，最大抽水量為8.62 m3/h，平均抽水量為7.98 m3/h；切割式結(jié)構(gòu)鉆孔的最小抽水量為7.06 m3/h，最大抽水量為8.62 m3/h，平均水量為7.80 m3/h。2種結(jié)構(gòu)鉆孔的抽水量均超過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求的6 m3/h水量。

6 結(jié)論

1)在絲扣式、彈簧式等單向閥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，以扭簧帶動擋板形式作為主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地浸采鈾鉆孔反向填礫工具。

2)HDPE顆粒比PP顆粒與載體密度更接近且小于載體密度，是比較理想的人造礫料。

3)對郎卡礦床試驗(yàn)孔應(yīng)用反向填礫技術(shù)，無論是切割式鉆孔結(jié)構(gòu)，還是下裸式鉆孔結(jié)構(gòu)，鉆孔抽水量均超過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4)地浸采鈾鉆孔內(nèi)置過濾器反向填礫技術(shù)解決了常規(guī)填礫方法無法完成內(nèi)置過濾器外圍填礫的技術(shù)難題，延長了內(nèi)置過濾器的使用年限，對超深采鈾鉆孔、多層采鈾鉆孔及鉆孔修復(fù)技術(shù)的完善具有重要意義。