魏冬哲

摘? 要：在地浸鉆孔成井工藝中，投礫設備主要有投礫泵與各類自制投礫裝置。傳統(tǒng)投礫方法在使用過程中存在功耗大，時間長，投礫效率低，投礫過程中易堵管，礫料填充不均勻，嚴重影響了投礫質量。文章從全新視角設計了一種新式的投礫裝置——投礫罐，投礫罐是一種基于水射流原理的投礫裝置，該裝置依靠水射流的作用力將礫料沖擊輸送到地浸孔中，可以有效提高投礫的工作效率和成井質量。

關鍵詞：投礫罐;噴嘴結構;水射流;地浸鉆孔

中圖分類號：TD80? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0123-02

Abstract： In in-situ leaching drilling well completion technology， gravel throwing equipment mainly includes gravel pump and various kinds of self-made gravel device. In the process of using the traditional gravel method， the power consumption is large， the time is long， the gravel efficiency is low， the pipe is easy to be blocked and the gravel filling is uneven， which seriously affects the quality of the gravel. In this paper， a new type of gravel throwing device-gravel tank， which can effectively improve the working efficiency of gravel and the quality of well completion.

Keywords： gravel tank; nozzle structure; water jet; in-situ leaching drilling

引言

地浸鉆孔采鈾工藝是一項在世界上十分先進的采礦技術，其中成井工藝中的投礫環(huán)節(jié)是直接影響成井質量的關鍵因素，目前是使用投礫裝置將礫料和水的混合物通過投礫管添加至采鈾UPVC套管與孔壁之間，礫料從孔底灌注直至沒過過濾器，之后灌注水泥固井。投礫質量直接影響含礦水層與地表間的流場結構，直接影響鉆孔涌水量大小。

在成井工藝中，投礫前的清水沖孔工藝環(huán)節(jié)會將礦層部位的護壁泥皮清除，使孔壁失去保護，投礫過程中的清水沖洗更加加劇了對孔壁的影響，此刻投礫的速度將直接影響成孔質量，投礫速度越快孔壁影響將越小，成井質量將越高，另外礫料在攜帶水流中的均勻性也會影響礫料在孔底的沉淀堆積，水流攜帶越均勻，孔底沉淀堆積的越均勻致密，越會減少架橋空洞的形成可能性。在投礫將至設計位置時礫料面的均勻平整也會嚴重影響礫料上部對水泥漿的阻隔封閉，此刻如果出現(xiàn)礫料松散不平整的現(xiàn)象，就會造成水泥漿進入粗礫層甚至進入過濾管內，繼而會造成成井報廢。

本文研發(fā)并改良的投礫罐，采用水射流原理，相比較其他投礫設備具有低費用、低能耗的優(yōu)點，在有些地區(qū)得到廣泛的應用。

1 投礫罐的設計以及工作原理

投礫罐，其本身為壓力密閉容器，配有壓力表以及安全閥，罐壓力表可以實時監(jiān)測投礫過程中投礫管內壓力，安全閥起到保護作用，防止管內壓力超差發(fā)生危險。罐內的礫料與清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道內，管道主要依靠水射流的作用力將礫料清水混合物沖擊至投礫管中，直至孔底。

投礫罐工作原理，先關閉控制球閥，從礫料進口法蘭向罐內加入所需體積的礫料，封閉法蘭后打開水泵，先打開右邊控制球閥，當罐壓力表與水泵的壓力表相近后打開球閥左邊，礫料便被清水泵入孔底?？赏ㄟ^罐壓力表的指示值與投礫罐送礫料的流動聲音判斷投礫是否正常。如若不正常，提升投礫管后繼續(xù)投礫，直至達到投礫高度。

2 投礫罐噴嘴結構設計與改進

2.1 引射器噴嘴結構

常見的傳統(tǒng)投礫裝置一般使用的是引射器結構，引射器一般由噴嘴、引射入口、吸入室、混合室與擴散室組成，此設計將礫料口置于噴嘴后方，在使用中存在如下幾點問題：（1）由于噴嘴抽吸效果不好，礫料向孔底注入的流速較低;（2）投礫過程中混合室過于狹窄，易出現(xiàn)礫料卡堵現(xiàn)象。

2.2 噴嘴結構改進

基于引射器結構的啟發(fā)，我們將噴嘴結構進行改進，使用一束從小口徑孔中射出的高速水射流作用在材料上，可使用其所具有的足夠能量，稱之為水射流。水射流是由噴嘴流出形成的不同形狀的高速水流束，射流的流速取決于噴嘴出口截面前后的壓力降。水射流是能量轉變與應用的最簡單的一種形式。通常，動力驅動泵通過對水完成一個吸、排過程，將一定量的水泵送到高壓管路，使其以一定能量到達噴嘴。而噴嘴的孔徑要求比高壓管路直徑小得多，因此到達噴嘴的這一一定量的水要想流出噴嘴孔，必須加速。這樣，經(jīng)過噴嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。噴出的射流打擊在靶件表面上就稱為射流作業(yè)。射流一旦離開噴嘴，它的凝聚段不會太長。對此，射流的速度尤為重要。水經(jīng)過泵送獲得了壓力，壓力首先驅動水從泵至噴嘴，又使其以給定的速度通過噴嘴。

利用水射流可以獲得足夠的動能，將礫料入口置于噴嘴后端，取消狹小的混合室，有效避免了礫料卡堵的現(xiàn)象。

3 投礫罐基于水射流參數(shù)的數(shù)學模型

水射流是一種自由狀態(tài)的射流，其流動結構十分復雜，可以按照不同的流動特性將水射流劃分為幾個區(qū)域，如圖1所示。從噴嘴出口開始向內外擴展的摻混區(qū)稱為剪切層;其中心未受摻混影響，仍然保持初始速度的區(qū)域稱為勢流核。沿射流方向從噴嘴出口至勢流核末端為初始段;初始段下游絕大部分為充分發(fā)展的紊動摻混區(qū)，稱為主體段;在初始段和主體段之間存在很短的過渡段。[2]

在投礫罐工作的條件下，水泵提供的水勢為連續(xù)射流，勢流核為等速核，其形狀為楔形，流線為一平行直線，速度一致、能量在四部分中也最大也最集中，隨著水射流長度的增加，由于空氣阻力及高壓水射流內部湍流的作用，水射流速度將隨之逐漸減弱。我們考慮在水流減速之前，沖擊礫石，獲得動能。

4 投礫罐在地浸孔中的應用

4.1 應用效果

（1）節(jié)約電能：在實際使用過程中，投礫罐只需配合NBB250/60泥漿泵使用，泥漿泵的功率為25kW/h，而投礫泵在使用過程中，需額外供電，其功率為50kW/h，可見投礫罐相比投礫泵可有效節(jié)約電能67%。

（2）效率提升：根據(jù)實際使用經(jīng)驗，使用投礫泵投擲1m3左右的礫石大致需要5-6小時，而使用投礫罐只需3小時左右，且投礫過程中只需一次性將礫料裝填足夠即可完成投礫，有效的降低了勞動強度，其工作效率提高40%以上。

（3）堵管減少：在地浸孔現(xiàn)場使用過程中，經(jīng)過現(xiàn)場調研，使用投礫泵投礫的鉆機，平均每投礫十個孔就會有4-6個孔在投礫過程中出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。而使用改良過噴嘴結構投礫罐的鉆機，則發(fā)現(xiàn)堵管現(xiàn)象有明顯改善，平均每投礫十個孔，最多會出現(xiàn)一次堵管現(xiàn)象，堵管率有顯著減少。

（4）技術水平要求：投礫泵在使用過程中，對操作工人的技術水平要求較高，井下投礫的均勻度完全取決于操作工人的技術水平，且勞動強度大。而改良型投礫罐只需一次性將礫料添加入投礫罐中，對操作工人的勞動強度降低，技術要求降低。

4.2 使用方法

步驟1，如圖2，將投礫管安裝至過濾器下端1m的位置，并按設計投礫量向投礫罐中加入礫料。

步驟2，關閉控制球閥1、控制球閥2、排氣球閥，讓泥漿泵工作，觀測泥漿泵出水壓力表和管內壓力表，直至壓力表數(shù)值近似，偏差不小于0.1MPa。

步驟3，打開控制球閥2，觀察投礫罐壓力表，其與泥漿泵出水壓力差不超過0.2Mpa。

步驟4，打開控制球閥1，監(jiān)聽礫料在高壓管內的輸送情況，投礫進行時，當投礫罐壓力表瞬間升高或礫料不流動時，應立即關閉控制球閥1，順勢關閉控制球閥2，將投礫管提高2-3m。

步驟5，循環(huán)步驟3-4，直至將礫料投置到制定高度，結束投礫，打開排氣球閥，關閉泥漿泵。

5 結束語

投礫罐在實際使用過程中具有更節(jié)能、更高效、更便捷、更安全的特點，本文將基于引射器原理的投礫裝置進行了優(yōu)化分析研究。結果表明，水射流由于較小的噴嘴直徑能夠提高水射流的噴射速度，增強其對周圍流體的卷吸能力，因此較小的噴嘴直徑有利于提升引射器性能，但較小直徑噴嘴會導致引射流入口壓力大幅增加，為與現(xiàn)場用NBB250/60型泥漿泵壓力匹配，投礫1立方礫料大約需要3小時，投礫罐只需一次裝填礫料便可快捷的完成投礫工作，降低了工人的勞動強度，又提高了成井質量。現(xiàn)場生產(chǎn)試驗表明，采用優(yōu)化后的投礫裝置較原有引射器的投礫裝置，可以有效解決了卡礫這一主要問題，投礫效率和質量均有大幅提高。

參考文獻：

[1]劉忠偉.基于水射流技術的軋鋼機清洗機的研究與開發(fā)[D].中南林學院，2005.

[2]韓啟龍，等.噴嘴結構對高壓水射流影響及結構參數(shù)優(yōu)化設計[J].國防科技大學學報，2016，38（03）：68-74.

[3]孟輝.高壓水射流清砂設備及其加工理論的研究[D].沈陽航空航天大學，2010.