張萬亮，張 勇，閆紀(jì)帆，張 渤，董惠琦

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

地浸工藝鉆孔是地浸采鈾工藝中浸出劑和浸出液出入礦層的通道。鉆孔質(zhì)量的優(yōu)劣決定了一定區(qū)域內(nèi)的浸出液鈾濃度和浸出液量[1]，對礦山的鈾資源回收率、開采成本及服務(wù)年限具有關(guān)鍵性的影響。因此，國內(nèi)外地浸采鈾企業(yè)一直把鉆孔施工技術(shù)作為研究與開發(fā)的重中之重。

目前，在中國地浸礦山工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用較多的鉆孔結(jié)構(gòu)是大孔徑填礫結(jié)構(gòu)，采用鉆孔套管與過濾器直接連接的一體化設(shè)計(jì)，為防止泥砂進(jìn)入過濾器，需要在過濾器段外圍充填礫石，最后利用套管外注漿工藝進(jìn)行固井封孔[2]。在十多年的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，填礫結(jié)構(gòu)鉆孔在施工及后期生產(chǎn)過程中存在以下不足[3]：1)鉆孔施工周期較長；2)成井質(zhì)量受鉆探技術(shù)人員專業(yè)水平因素影響較大，正向注漿易產(chǎn)生混漿段；3)鉆孔后期生產(chǎn)過程中洗井勞動強(qiáng)度大、洗孔頻繁；4)抽注液鉆孔結(jié)構(gòu)和規(guī)格存在差異，過濾器為一次建造完成不能更換；5)浸出過程存在較大的溶浸死角，影響資源回收率。

為解決填礫鉆孔結(jié)構(gòu)存在的不足，在錢家店鈾礦床先后開展了擴(kuò)孔式可更換防砂鉆孔結(jié)構(gòu)研究、水力噴砂割縫技術(shù)研究以及割縫式可更換鉆孔結(jié)構(gòu)研究等鉆孔結(jié)構(gòu)工藝改進(jìn)探索，進(jìn)而優(yōu)化形成了可更換過濾器式地浸采鈾鉆孔施工技術(shù)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

鉆孔施工區(qū)域位于松遼盆地南部錢家店凹陷，區(qū)內(nèi)鉆探揭露的地層包括上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組[4]。青山口組巖性主要為紫紅色厚層狀砂質(zhì)礫巖，夾紫紅色泥巖，構(gòu)成一個完整的正旋回沉積。姚家組下伏青山口組，上覆嫩江組，為辮狀河沉積的紅色砂-泥巖建造，是主要的含礦地層，以細(xì)-粉砂巖為主。嫩江組與下伏姚家組呈整合接觸，地層砂巖類以長石質(zhì)石英砂巖和石英砂巖為主，存在少量長石砂巖，礫石主要為泥礫、巖礫及石英長石礦物碎屑。第四系為砂、粉砂、礫石等松散碎屑堆積，厚度100～130 m，上覆于嫩江組之上，具填平補(bǔ)齊特征。

各地層之間具有較穩(wěn)定的隔水頂、底板，含礦層隔水頂、底板抗壓、抗剪強(qiáng)度較好，隔水性能優(yōu)越。

1.2 水文地質(zhì)條件

施工區(qū)內(nèi)姚家組、青山口組含水層為含礦含水層，其中姚家組為主含礦含水層。鉆孔施工過濾器段主要位于該含礦含水層內(nèi)。

姚家組含礦含水層地下水位埋深2.18～5.87 m，承壓水頭285.82～313.82 m；非滲透性夾層以泥巖、粉砂巖為主，少量鈣質(zhì)砂巖夾層，可見輝綠巖脈；含礦含水層滲透系數(shù)為0.08～0.49 m/d。

2 可更換過濾器式鉆孔施工

根據(jù)施工順序，可更換過濾器式鉆孔施工依次分為鉆進(jìn)施工、套管安裝、固井封孔、裸孔鉆孔清洗、可更換過濾器安裝等5個工序。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可更換過濾器式鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of replaceable filter drilling structure

2.1 鉆進(jìn)施工

采用一徑到底鉆進(jìn)方式，用φ215 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)礦層處，不再變換孔徑。礦層段采用新鮮泥漿鉆進(jìn)，鉆井液參數(shù)要求：密度<1.1 g/cm3；黏度=18～20 Pa·s；失水率=15～20 cm3/30 min；含沙量<4%。

裸孔鉆進(jìn)過程中，每鉆進(jìn)100 m進(jìn)行1次測斜。裸孔鉆進(jìn)完成后，置換孔內(nèi)鉆井液，進(jìn)行綜合測井，確定礦體位置。

2.2 套管安裝

利用清水進(jìn)行沖孔，安裝φ148 mm×10 mm PVC管至礦體上部位置。抽注液井采用相同規(guī)格的套管。

套管采用管箍連接，井管連接絲扣處采用密封圈密封，在密封圈處均勻涂抹704膠；在井管絲扣處均勻纏繞一圈生料帶并涂抹704膠。控制地表管箍頂端高出地表20 cm，安裝螺紋連接的尼龍棒孔蓋。

2.3 固井封孔

固井封孔采用預(yù)留孔逆向注漿工藝。套管內(nèi)下入注漿管至套管底端以上1～2 m處，將地表套管孔口封閉，并在注漿管上安裝閥門、壓力表和排氣閥。水泥漿在壓力的作用下，通過注漿管由套管底端進(jìn)入套管與裸孔形成的環(huán)形空間，替換環(huán)形空間內(nèi)的鉆進(jìn)漿體。當(dāng)水泥漿由井口返出后，再次向注漿管內(nèi)加注與注漿管相同體積的清水，關(guān)閉注漿管上的閥門，等待水泥漿固化。隨著水泥漿固化，注漿管上壓力表的示數(shù)緩慢降低；當(dāng)壓力表示數(shù)為零時(說明水泥漿已基本固化)，提出注漿管，完成固井工藝。該工序與擴(kuò)孔式鉆孔注漿工藝的固井封孔基本相同。

2.4 裸孔鉆孔清洗

在下放過濾器前，采用壓縮空氣普通洗井方式，進(jìn)行裸孔洗井。洗井風(fēng)管依次在井內(nèi)100 m、200 m及設(shè)計(jì)過濾器頂部位置20～30 m處分階段洗井。當(dāng)孔口出水連續(xù)穩(wěn)定、洗井出水清澈、洗井水含沙量≤100 mg/L時，洗井結(jié)束。

2.5 可更換過濾器安裝

根據(jù)礦層厚度配置可更換過濾器，過濾器下端連接沉砂管，坐落至孔底，過濾器上端連接提升裝置?？筛鼡Q過濾器從套管內(nèi)下入，并在過濾器提升裝置上安裝橡膠隔塞，用于固定過濾器。為減小過濾器在下放過程中受到的損壞，在過濾器上下兩端安裝保護(hù)裝置。

2.6 成井質(zhì)量檢查

鉆孔質(zhì)量檢測主要是確定套管完整性、固井質(zhì)量，以及過濾器安裝位置等。采用電流測井技術(shù)檢查套管完整性，判斷是否存在滲漏點(diǎn)，同時計(jì)算過濾器的安裝位置。采用γ-γ密度測井或超聲阻尼測井方式，檢查鉆孔的固井質(zhì)量。

3 可更換過濾器鉆孔關(guān)鍵技術(shù)

3.1 逆向注漿技術(shù)

傳統(tǒng)填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)采用套管外正向注漿技術(shù)，采用間斷式提升注漿管方式完成注漿過程。新型可更換過濾器鉆孔結(jié)構(gòu)采用套管內(nèi)逆向注漿技術(shù)，這種方法在套管內(nèi)下入注漿插管，水泥通過套管中的注漿管注入到井底，然后通過環(huán)形空間上返至地面[5]。整個注漿過程注漿管一直存放于套管內(nèi)，直至固井完成。

在該技術(shù)實(shí)施過程中，如何使固井水泥漿由套管內(nèi)均勻輸送至套管外環(huán)形空間是實(shí)現(xiàn)逆向注漿的一個關(guān)鍵技術(shù)。通過在末端套管設(shè)計(jì)一個“馬蹄口”狀注漿預(yù)留口，可成功實(shí)現(xiàn)逆向漿過程均勻連續(xù)，末端套管“馬蹄口”狀注漿預(yù)留口如圖2所示?！榜R蹄口”斜口長度約10 cm，安裝至過濾器位置上端1 m處。

圖2 末端套管“馬蹄口”狀注漿預(yù)留口Fig. 2 Reserved grouting orifice of "horseshoemouth" shape for end casing pipe

3.2 可更換過濾器

3.2.1 可更換過濾器的設(shè)計(jì)研制

地浸工藝鉆孔可更換過濾器必須具有良好的防砂性能、較高的透水率、一定的抗拉抗壓強(qiáng)度，以便于后期對過濾器進(jìn)行提升、更換。因此，可更換過濾器設(shè)計(jì)選擇貼礫過濾器。貼礫過濾器是用無毒樹脂將一定粒徑的濾粒粘貼在帶孔襯管上制成的一種新型濾水管，按所用濾料分別為石英砂貼礫過濾器、陶粒貼礫過濾器、塑料顆粒貼礫過濾器等[6-7]，幾種常用貼礫過濾器主要性能指標(biāo)見表1，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)物模型如圖4所示。

表1 幾種常用貼礫過濾器主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of several commonly used ceramsite gravel filters

圖3 貼礫過濾器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure diagram of ceramsite gravel filter

圖4 貼礫過濾器實(shí)物模型Fig. 4 Physical model of ceramsite gravel filter

貼礫層孔隙率一般為20%～30%，可根據(jù)地層的滲透性能，設(shè)計(jì)選擇不同孔隙率的過濾器。貼礫過濾器的濾料粒徑大小決定著過濾器的防砂性能，根據(jù)不同的砂巖型礦層需對應(yīng)選擇不同濾料粒徑的過濾器，球形陶粒濾料粒徑選用規(guī)格見表2。

表2 球形陶粒濾料粒徑選用規(guī)格Table 2 Diameter selection specifications of spherical ceramsite filter material

錢家店鈾礦床含礦層巖性主要為細(xì)-粉砂巖，礦層巖石孔隙率約為29%，含礦含水層pH為7.8～8.5，過濾器設(shè)計(jì)深度為380～420 m。設(shè)計(jì)采用φ108 mm±1 mm貼礫過濾器，單根長度為1.5 m，貼礫過濾器濾料粒徑為0.5～1.0 mm，貼礫層厚度為19 mm±1 mm，材質(zhì)為陶粒；內(nèi)襯碳鋼材質(zhì)無縫鋼管，提高過濾器的抗拉強(qiáng)度，襯管規(guī)格為φ75 mm×6 mm。根據(jù)巖層孔隙率，在內(nèi)襯鋼管上設(shè)置φ10 mm的圓形透水孔，共設(shè)置8排圓孔，每排42個，實(shí)物如圖5所示。

圖5 陶粒貼礫過濾器實(shí)物Fig. 5 Physical object of ceramsite gravel filter

3.2.2 可更換過濾器安裝

過濾器采用絲扣連接，由碳鋼管材加工，管箍長度100 mm。單根過濾器采用尼龍紗網(wǎng)均勻包裹，紗網(wǎng)孔網(wǎng)度為50 mm×50 mm。過濾器下放或提升必須勻速，保證速度≤1 m/s。過濾器下端連接沉砂管，長度為3～6 m(根據(jù)實(shí)際孔深確定)。為防止安裝后過濾器出現(xiàn)上浮或下沉情況，過濾器采用膨脹橡膠固定，膨脹橡膠安裝在過濾器提升管上，數(shù)量不少于3個，膨脹橡膠靜水膨脹率≥250%。過濾器固定裝置如圖6所示。

需要特別說明的是，當(dāng)實(shí)際孔深超過6 m時，沉砂管不能坐落至孔底。為有效防止后期過濾器下沉，超出實(shí)際成井深度的部分用石英砂(5～10 mm)充填或投放一段直管。石英砂用量必須經(jīng)過精確計(jì)算，采用邊施工邊探面形式，嚴(yán)禁出現(xiàn)石英砂用量超標(biāo)導(dǎo)致充填深度大于鉆孔過濾器設(shè)計(jì)深度情況。

3.2.3 可更換過濾器提升更換

過濾器更換通過提升裝置實(shí)現(xiàn)。過濾器提升裝置采用φ110 mm×15 mm不銹鋼管加工，長度為1 m，上端加工L型卡口，用于過濾器提升接口，下端與過濾器固定裝置相連，組合為整體，如圖7所示。

1—φ943 mm UPVC管；2—φ886 mm UPVC管；3—φ943 mm UPVC管；4—φ240 mm尼龍棒加工件；5—膨脹橡膠。圖6 可更換過濾器固定裝置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of replaceable filter fixture

圖7 可更換過濾器提升裝置示意圖Fig. 7 Schematic diagram of replaceable filter lifting device

4 可更換過濾器式鉆孔施工效果

從2017年開始開展可更換過濾器鉆孔施工技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)，采用貼礫過濾器，在礦床礦石滲透系數(shù)0.18 m/d條件下，單孔洗井水量達(dá)15 m3/h，群孔抽注情況下單井穩(wěn)定抽液量為7.5 m3/h，較好地滿足了地浸生產(chǎn)要求。經(jīng)過近幾年的不斷探索完善，已建立可靠的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并成功應(yīng)用于錢家店鈾礦床錢Ⅲ塊現(xiàn)場地浸試驗(yàn)項(xiàng)目和錢Ⅳ塊鈾礦床原地浸出采鈾工程項(xiàng)目(錢Ⅳ一期工程)。至2020年底，已累計(jì)施工新型地浸工藝鉆孔500余個，均已投入生產(chǎn)使用。

4.1 單鉆孔施工周期縮短

與填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)相比，可更換過濾器鉆孔結(jié)構(gòu)的單井成井周期縮短了1～2 d，成井效率提高約16%。2種鉆孔結(jié)構(gòu)施工周期對比見表3。表3數(shù)據(jù)為2018—2020年通遼鈾業(yè)鉆孔施工統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單鉆孔平均施工孔深為420 m。

表3 填礫式鉆孔與可更換過濾器鉆孔施工周期對比Table 3 Construction cycle contrast between gravel filling drilling and replaceable filter drilling

由表3可知，可更換過濾器鉆孔結(jié)構(gòu)在固井和過濾器安裝環(huán)節(jié)效率提升明顯。固井效率提升主要是由于采用逆向注漿技術(shù)，一次性完成固井工藝；相比填礫式結(jié)構(gòu)鉆孔，減少了階段性提升注漿管的過程。

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，采用邊投礫邊向上提金屬管的方式進(jìn)行。這種結(jié)構(gòu)形式簡單、施工難度?。坏┕すて陂L，易發(fā)生填礫不均，導(dǎo)致過濾器堵塞，后期洗孔頻繁[8]?？筛鼡Q過濾器鉆孔結(jié)構(gòu)采用成型過濾器設(shè)備，設(shè)計(jì)自帶管外貼礫材料，直接進(jìn)行井內(nèi)安裝，施工中減少了管外投礫過程，過濾器安裝效率明顯提高。

4.2 單鉆孔施工成本降低

與填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)相比，可更換過濾器鉆孔采用“一徑到底”的施工方式，降低了前期鉆探成本費(fèi)用；施工周期的降低，節(jié)約了鉆探人工成本約6%。采用新型陶粒式貼礫過濾器，相比原環(huán)形填礫式過濾器，單孔過濾器價格降低，同時過濾器施工過程節(jié)省了礫石材料費(fèi)用。通過采用可更換過濾器鉆孔工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單孔施工成本降低6%。填礫式鉆孔與可更換過濾器鉆孔單孔施工成本對比見表4。

表4 填礫式鉆孔與可更換過濾器鉆孔單孔施工成本對比Table 4 Single hole construction cost contrast between gravel filling drilling and replaceable filter drilling

4.3 固井質(zhì)量明顯提高

與填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)相比，可更換過濾器鉆孔采用孔內(nèi)逆向注漿技術(shù)，消除了在注漿過程中因人為控制注漿管階段性提升導(dǎo)致的固井不完全、水泥漿架空等情況，實(shí)現(xiàn)了全孔段固井完全，固井質(zhì)量合格率100%。采用綜合物探技術(shù)可以對固井質(zhì)量實(shí)施有效性檢查[9]，孔外注漿固井封孔、孔內(nèi)逆向注漿固井封孔質(zhì)量檢查測井曲線如圖8、9所示。

從圖8可看出，采用γ-γ密度測井檢查孔外注漿固井封孔質(zhì)量，在鉆孔深度133～153 m處曲線波動異常，表明固井不完全，局部存在水泥漿架空情況。從圖9可看出，采用聲波阻尼測井檢查孔內(nèi)逆向注漿固井封孔質(zhì)量，顯示測井曲線平滑，無明顯固井不完全、水泥架橋等情況，固井質(zhì)量明顯提高。

圖8 孔外注漿固井封孔質(zhì)量檢查測井曲線Fig. 8 Logging curve of cementing quality inspection for outside hole grouting

圖9 孔內(nèi)逆向注漿固井封孔質(zhì)量檢查測井曲線Fig. 9 Logging curve of cementing quality inspection for reverse grouting

4.4 鉆孔洗井效率大幅提升

目前地浸礦山主要采用普通洗井方式，通過將化學(xué)試劑(氫氟酸、鹽酸等)注入鉆孔溶解垢物來解決鉆孔堵塞問題[10]。該方法雖能較好溶解垢物；但生產(chǎn)系統(tǒng)中引入F-、Cl-，會造成地下水環(huán)境污染、鈣類垢轉(zhuǎn)變?yōu)镃aF2重新沉淀、影響鈾的浸出與吸附等次生效應(yīng)[11]。

可更換過濾器鉆孔采用了井內(nèi)過濾器與套管獨(dú)立施工方式，在后續(xù)鉆孔生產(chǎn)運(yùn)行過程中，可采用提升過濾器洗井方式進(jìn)行鉆孔清洗。提升過濾器洗井方式的效果明顯好于普通洗井方式，可縮短單孔洗孔時長，2020年度普通洗井與提升過濾器洗井效果見表5。

表5 普通洗井與提升過濾器洗井效果對比Table 5 Effect Contrast between ordinary well washing and lifting filter well washing

5 結(jié)論

可更換過濾器鉆孔工藝技術(shù)施工簡單，設(shè)計(jì)采用陶粒式貼礫過濾器，鉆孔水量滿足地浸生產(chǎn)要求。與填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)相比，可更換過濾器鉆孔結(jié)構(gòu)的單井成井周期縮短了1～2 d，成井效率提高約16%，單鉆孔施工成本降低6%，鉆孔固井質(zhì)量合格率100%，洗井效率提升40%以上。

可更換過濾器鉆孔工藝采用抽注液井同徑結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中抽注液井互換，有利于進(jìn)一步強(qiáng)化地下浸出效果，提高浸出液鈾濃度。同時，在采區(qū)開拓鉆孔施工結(jié)束后，可根據(jù)實(shí)際鉆孔見礦情況，調(diào)整鉆孔的抽注功能，進(jìn)一步合理布置浸采單元。