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        新疆某鈾礦床鉆井內(nèi)置過濾器技術研究

        2020-02-17 05:04:06易志剛路乾乾王旨儒王紅義馬富青
        鈾礦冶 2020年1期
        關鍵詞:洗井刀片內(nèi)置

        易志剛,路乾乾,熊 威,王旨儒,王紅義,孫 浩,馬富青

        (新疆中核天山鈾業(yè)有限公司,新疆 伊寧 835000)

        在地浸采鈾工藝流程中,地浸鉆井不僅起著礦床開拓和抽注液通道的作用,還起著監(jiān)控溶浸液在礦層中的滲透情況和調(diào)控抽注液量等作用[1]。

        新疆某鈾礦床首采段生產(chǎn)采區(qū)的地質(zhì)條件復雜,地層滲透性差,碳酸鹽含量及地下水礦化度較高。該采區(qū)在采用硫酸和碳酸氫銨浸出過程中,均出現(xiàn)了嚴重的礦層化學堵塞問題,鉆孔抽注液能力顯著下降,浸出液鈾濃度偏低;這嚴重地影響了鈾的地下浸出過程[2]。針對該類高礦化度條件下CO2+O2地浸過程中的水巖作用及硫酸鈣、碳酸鈣沉淀飽和機理進行了較深入地研究,并提出淡化地下水以降低其硬度的浸出工藝流程[3-7]。

        該礦床礦層賦存位置變化較大,生產(chǎn)鉆井深度范圍在150~200 m。為維持產(chǎn)能,在運行過程中,經(jīng)常對鉆井進行空壓機脈沖洗井、機械活塞洗井以及化學洗井。洗井過程會對鉆孔造成一定的破壞,尤其在過濾器位置。經(jīng)計算,該礦床因洗井造成過濾器破壞的鉆井數(shù)的占比為3.0%。這會導致相應生產(chǎn)采區(qū)的浸出率偏低,服務年限延長。

        隨著鉆井技術的不斷發(fā)展,可更換過濾器技術在地浸鉆孔成井中的應用受到廣泛重視;但不同的鈾礦山具有不同的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,可更換過濾器的形式及安裝方法有所區(qū)別。筆者以新疆某礦床因洗孔破壞的鉆井過濾器為例,根據(jù)實際的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,采用二次鉆進、優(yōu)化切割刀具結(jié)構(gòu)、設計制作內(nèi)置過濾器鉚固裝置等方法,以期解決過濾器修復難題,為在地浸礦山全面推廣內(nèi)置過濾器技術提供技術支撐。

        1 工藝現(xiàn)狀及存在的問題

        1.1 內(nèi)置換過濾器工藝現(xiàn)狀

        內(nèi)置過濾器技術是二次成井工藝的重要組成部分,即在鉆井施工過程中,在完成裸眼鉆進、下套管、注水泥固井作業(yè)后,以測井數(shù)據(jù)為依據(jù),完成鉆井含礦層位的切割、內(nèi)置過濾器安裝、反向投礫作業(yè)等工序。該技術具有以下優(yōu)點:1)能夠準確定位并安裝內(nèi)置過濾器,進而確保投礫段準確;2)在大規(guī)模施工鉆井時,可先施工鉆井,根據(jù)全部鉆井的見礦情況,統(tǒng)一設計過濾器位置,降低單井過濾器設計導致整個采區(qū)過濾器位置的偏差率。

        目前,內(nèi)置過濾器在地浸鉆井中主要應用于新鉆井成井和已破損的生產(chǎn)鉆井修復中。無論是哪種類型的鉆井,其工藝流程基本為:破壞原鉆井過濾器(或盲管)及礫石層→將破壞后的PVC碎料及礫石返出地面→安裝內(nèi)置過濾器→重新填入礫石層。

        1.2 內(nèi)置過濾器式鉆井關鍵施工參數(shù)

        1)主要設備:采用XY-1500車載鉆機完成內(nèi)置過濾器工藝的施工,包括原過濾器的切割、內(nèi)置過濾器的下放和過濾礫料的充填,發(fā)揮其機動靈活的優(yōu)點,提高效率;采用BW250/50泥漿泵,最大壓力7.0 MPa,最大流量250 L/min,最大功率18 kW。2)鉆井液:利用膨潤土、腐殖酸鉀等根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)鉆井液密度和黏度。3)鉆桿:抽液井使用φ60 mm鉆桿,注液井使用φ50 mm鉆桿,反向投礫時使用φ40 mm投礫管。4)切割刀具:注液井鉆孔切割采用φ180 mm、φ220 mm刀具切割和擴孔;抽液井采用φ280 mm、φ320 mm刀具切割和擴孔。5)反向投礫工具:使用地浸鉆井專用反向投礫裝置(單向閥)。6)人造礫石層:使用線性低密度聚乙烯顆粒。7)過濾器:注液井內(nèi)置過濾器使用φ75 mm×12 mm PVC管材,在管材上采用φ2.5 mm的鉆頭打孔,孔距為0.5 cm,外裹不銹鋼紗網(wǎng);抽液井內(nèi)置過濾器使用φ90 mm×12 mm PVC管材,在管材上采用φ2.5 mm的鉆頭打孔,孔距為0.5 cm,外裹環(huán)形骨架。

        1.3 內(nèi)置過濾器在使用中存在的問題

        1.3.1 環(huán)形骨架切碎及返出地表難

        原抽、注液鉆井的過濾器均為圓井式外套環(huán)形骨架過濾器。在切割過程中,從井口鉆井液攜帶出的返出物可以看出:抽液鉆井過濾器的PVC篩管被切成面積約2 m2、厚度約0.1~0.2 cm的碎片,套在PVC篩管外的環(huán)形骨架大約80%以上被切成厚度約0.1 cm、寬約1.5 cm、弧長約2~25 cm的碎塊;注液鉆井過濾器上的PVC篩管被切成面積約1 cm2、厚度約0.1~0.2 cm的碎片,套在PVC篩管外的環(huán)形骨架也是大概80%以上被切成厚度約0.1 cm、寬約1.5 cm、弧長約2~15 cm的碎塊。

        在切割過程中,切割段的過濾器及外圍的石英砂被切除后切割段呈甕狀,在甕口部即PVC井管的上部切口處井徑較小(抽液井內(nèi)徑128 mm、注液井內(nèi)徑80 mm),且井管內(nèi)有鉆桿(抽井用直徑60~78 mm鉆具,注井用50~65 mm鉆具),致使甕口部空間為一個平均寬度25~34 mm(抽液井)或7.5~15 mm(注液井)的環(huán)狀間隙。該環(huán)狀間隙用于輸送切割過程中產(chǎn)生的環(huán)形骨架碎塊和PVC管碎片,間隙相對較為狹窄。在切割過程中鉆井液攜帶大量的環(huán)形骨架碎塊和PVC管碎片向上運送至狹窄的甕口部環(huán)形縫隙處,會有一部分遇阻積聚、堵塞,難于返出井外,進而滯留在切割位置。

        1.3.2 刀具收起難

        原鉆井為填礫結(jié)構(gòu)鉆井,過濾器為石英砂層。在切割過程中,過濾器被切開后,井內(nèi)大量的石英砂涌向切刀,同時還有泥砂及環(huán)形骨架碎塊和PVC管碎塊。當環(huán)形骨架碎屑堵塞在切割甕口部時,石英砂被阻擋,很難返出井外,加之石英砂密度大,鉆井液攜帶能力有限,返出更為困難。未被攜帶至地表的石英砂、泥砂及碎屑沉淀物懸浮在切割工作空間內(nèi),有些進入切割刀具的空隙中,擠塞和卡夾在切割刀具的刀架與殼體空隙內(nèi)、刀片室內(nèi)和彈簧座內(nèi),導致在切割工作完成后刀具不能正常收回,影響內(nèi)置過濾器技術的正常進行。

        1.3.3 內(nèi)置過濾器易上移

        鉆孔切割工作完成后,需要重新安裝內(nèi)置過濾器,以便開展后期的抽注運行。因新安裝的內(nèi)置過濾器外徑較原鉆孔內(nèi)徑小、質(zhì)量輕、密度小,在后期運行過程中,密封橡膠墊圈承受不住因抽液運動導致向上的拉力,導致內(nèi)置過濾器偏移設計位置,影響后續(xù)的正常浸出。

        1.3.4 污染礦層鉆井液清洗難

        在內(nèi)置過濾器技術應用過程中,采用鉆井液作為攜帶載體,將切碎的井管碎屑、環(huán)形骨架以及環(huán)形骨架外圍的石英砂等碎屑物攜帶至地表,在施工過程中,鉆井液不可避免會進入近井地帶,影響地層的滲透性。因內(nèi)置過濾器井徑較小,無法在過濾器部位開展機械活塞洗井工作,而采用空壓機洗井、化學洗井方法難于有效清洗出污染礦層鉆井液,影響鉆井后續(xù)運行水量。

        2 內(nèi)置過濾器技術的優(yōu)化

        2.1 二次鉆進優(yōu)化

        針對鉆井液無法將環(huán)形骨架碎片和石英砂全部攜帶至地表,碎片會沉積在鉆井切割后腔體內(nèi)等一系列難題,嘗試了二次鉆進技術,即在鉆井原有的沉沙管底部再往下鉆進3.0~5.0 m,以將破碎的環(huán)形骨架碎片沉積在井底,保證有足夠空間放置內(nèi)置過濾器和礫石層。該方法有效地解決了鉆孔切割過程中環(huán)形骨架碎片大無法返出的問題,為內(nèi)置過濾器技術的推廣應用提供了技術支撐。

        2.2 切割刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        內(nèi)置過濾器技術采用的切割刀具為自主設計的雙刀片結(jié)構(gòu),如圖1所示。切割刀具的頂部為活塞裝置,活塞外部安裝彈簧,刀片通過插銷安裝在活塞下部的刀架上,刀片底部為頂針裝置。在刀具下放至設計位置后,操作人員通過調(diào)節(jié)鉆井液泵的壓力,經(jīng)由活塞裝置向下移動打開切割刀片,裝置底部的頂針裝置將刀片頂開即可進行井管切割,實現(xiàn)切割井管的目的。

        隨著井管和環(huán)形骨架的破碎,井管和環(huán)形骨架碎片、石英砂和礦層中的泥砂等大量積聚,擠塞在切割刀具空隙內(nèi),卡住刀片復位裝置和堵塞刀片室,使得內(nèi)置過濾器技術應用完成后,切割刀具不易收回,容易發(fā)生卡鉆事故。

        針對上述問題,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,對切割刀具結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,如圖2所示。將原切割刀具結(jié)構(gòu)為雙刀片結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三刀片結(jié)構(gòu),這種切割刀具的復位裝置密封在殼體內(nèi),不暴露在外部泥沙環(huán)境中,不會形成石英砂和切屑對刀片復位裝置的卡夾,可達到切割完畢后刀片收縮的目的。這種切割刀具的刀片通過銷軸安裝在活塞裝置的外殼上,刀片根部的齒與三棱柱形齒條推桿上的齒相嚙合,三棱柱形齒條推桿與活塞裝置相連接。在切割過程中,鉆井液推動活塞帶動三棱柱形齒條推桿向下運動(軸向運動),齒條推桿上的齒推動與它嚙合在一起的刀片上的齒轉(zhuǎn)動,即刀片徑向運動(刀片伸出和縮回)。

        優(yōu)化后的三刀片切割刀具相比于雙刀片切割刀具積砂少,刀片收縮容易,不易發(fā)生卡鉆事故,有效地解決了雙刀片結(jié)構(gòu)刀具不易收縮、容易卡鉆的問題,能夠保障內(nèi)置過濾器技術的順利應用。

        2.3 內(nèi)置過濾器鉚固裝置的設計應用

        在內(nèi)置過濾器技術應用前期,內(nèi)置過濾器選用PVC材質(zhì),過濾器上下兩端配置同規(guī)格井管,底部安裝沉沙管。內(nèi)置過濾器上下兩端外圍安裝高強度密封橡膠墊圈,以增加內(nèi)置過濾器和井管間的摩擦力,從而達到固定內(nèi)置過濾器和密封的目的。

        經(jīng)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),該內(nèi)置過濾器安裝后因抽液活動出現(xiàn)了上移現(xiàn)象。為了解決內(nèi)置過濾器存在的這一缺陷,在內(nèi)置過濾器的底部加工制作了鉚固裝置,該裝置可固定內(nèi)置過濾器的位置,避免鉆井在使用過程中因水力因素造成內(nèi)置過濾器向上移動位置,可有效保證地浸生產(chǎn)活動的正常進行。

        設計的過濾器鉚固裝置包括鉆井內(nèi)置過濾器、沉沙管、六方螺帽、尼龍材質(zhì)的沉沙管堵頭以及鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的鉚固螺桿。六方螺帽為一個中間有圓井貫通的圓柱體(尼龍材質(zhì)),上端外側(cè)有絲扣,下端倒角呈錐面狀,中間圓井上部呈漏斗狀,下部為通徑井,漏斗井和通徑井過渡處有一變徑臺階。鉚固螺桿為一鋼質(zhì)右旋螺旋桿,螺距5 cm,牙高2 cm,螺旋桿上端有外絲扣,絲扣下方6 cm處焊有一圓形托盤,螺旋桿的底端呈錐形。過濾器鉚固裝置通過絲扣連接在內(nèi)置過濾器的底端位置上,在地面上順時針方向旋轉(zhuǎn)操作桿,操作桿即可通過其底端的內(nèi)六方套筒扳手扭轉(zhuǎn)鉚固螺桿,從而將鉚固螺桿旋入到井底的地層或沉渣中,使得鉚固螺桿將內(nèi)置過濾器鉚固在井底。過濾器的鉚固裝置如圖3所示。

        2.4 空氣自動活塞洗井裝置的應用

        內(nèi)置過濾器安裝完成后,無法開展常規(guī)的鉆機活塞洗井;而空壓機洗井不易將進入礦層的鉆井液洗出,從而造成鉆井使用水量較小。

        為了保證應用內(nèi)置過濾器技術后的使用水量,開展了自動空氣活塞洗井,該洗井方式無需在井內(nèi)安裝活塞洗井裝置,也不用將風管下放至過濾器位置。自動空氣活塞洗井利用空壓機和儲氣罐,在密閉鉆井并設定壓力后,將空氣緩慢壓縮至鉆井內(nèi)水位以上的腔體內(nèi),井內(nèi)液體受氣柱壓力向下運移,推動水流通過過濾器進入礦層;達到設定壓力后,自動打開排氣閥門迅速泄壓,高壓氣體釋放時帶動水流瞬間通過過濾器并回流至管內(nèi),利用高壓水流瞬間釋放的能量沖擊井壁,破壞井壁泥皮,擾動沉淀在過濾器外圍以及滲入礦層的鉆井液;在活塞壓氣結(jié)束后,利用空壓機洗井將礦層鉆井液及井內(nèi)沉淀物沖出井外。通過該洗井方式,可有效地提高內(nèi)置過濾器技術的使用水量,內(nèi)置過濾器技術應用前后洗井水量見表1。

        表1 內(nèi)置過濾器技術應用前后洗井水量統(tǒng)計

        3 現(xiàn)場應用效果

        2017年在生產(chǎn)采區(qū)的4-0206#單元的3個鉆井進行了內(nèi)置過濾器技術應用,其中4-0205#和4-0307#井為注液鉆井,4-0206#井為抽液鉆井。4-0206#單元在內(nèi)置過濾器技術應用前浸出液鈾質(zhì)量濃度為15.80 mg/L,應用后浸出液鈾質(zhì)量濃度為35.34 mg/L,平均鈾質(zhì)量濃度為26.57 mg/L,如圖4所示。應用內(nèi)置過濾器技術后,抽液鉆井抽液量由1.5 m3/h上升至2.9 m3/h,抽注液水量均有所提升。

        該單元內(nèi)置過濾器技術應用前,日浸出金屬量為0.57 kg;內(nèi)置過濾器技術應用后,日浸出金屬量為1.85 kg,比內(nèi)置過濾器技術應用前浸出金屬量增加了225.12%。

        4 結(jié)論

        1)地浸生產(chǎn)過程中,因洗井導致過濾器損壞的鉆井,可用內(nèi)置過濾器技術進行修復。修復后,試驗單元的水量及鈾濃度較修復前均明顯提高,鈾質(zhì)量濃度由15.80 mg/L上升至26.57 mg/L,水量由1.5 m3/h上升至2.9 m3/h。

        2)采用二次鉆進工序、刀具優(yōu)化、鉚固裝置和洗井方式優(yōu)化等措施,進一步完善了內(nèi)置過濾器技術。該技術可在類似鉆井中推廣應用。

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