易志剛，李勇，哈杰提，陳梅芳，田瑩華

（1.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司七三五廠，新疆 伊寧 835000；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149）

蒙其古爾礦床采用CO2＋O2地浸采鈾工藝［1-3］，隨著浸出的推進，浸出劑溶解了礦層和圍巖中的碳酸鹽、黃鐵礦、粘土礦物等，鈣、鐵、鋁等離子在溶解之后搬運再沉淀，同時細微顆粒也隨水動力搬運沉積堵塞孔喉，造成含礦層滲透能力減弱，抽注液量下降。蒙其古爾礦床已生產的各采區(qū)抽注液量下降趨勢明顯，最大降幅達到50%。蒙其古爾礦床鉆井深度為450～600 m，采用常規(guī)壓縮空氣洗井未取得明顯的效果［4］。

2017—2018 年，在蒙其古爾礦床曾經(jīng)使用加酸化學洗井方式，獲得了良好的效果，大部分生產孔，在加酸化學洗井［5］后能夠實現(xiàn)產能的提高，而且一般能持續(xù)3～6 個月的周期才再次降低至酸洗前產能。隨著化學洗井次數(shù)的增加，產生的洗井廢液大幅度增加。洗井廢液中含有大量的Cl-，Cl-一方面對水冶工藝有影響，另一方對工藝管道有腐蝕作用。2019 年以來，已經(jīng)停止大規(guī)模使用。停止酸洗后，各采區(qū)找不到有效的解堵措施，普遍出現(xiàn)注液量減小的問題。

根據(jù)超聲波洗井工藝的特性，針對在蒙其古爾礦床生產過程中產生的無機鹽堵塞進行了超聲波解堵實驗，同時針對鉆井液污染礦層堵塞、平米鈾量高但浸采效果差、成井水量不達標等其他3 類鉆孔進行超聲波解堵嘗試。

1 超聲波洗井工藝基本原理與特點

超聲波頻率上限可高至與電磁波的微波區(qū)（＞10 GHz）重疊，工業(yè)中常用的超聲波頻率為20 kHz～2 MHz，其中20～100 kHz之間的超聲波應用又稱為功率超聲。超聲波洗井是基于超聲波的空化作用，即在清洗液中無數(shù)氣泡快速形成并迅速內爆［6］，由此產生的沖擊波將浸沒在清洗液中的工件內外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱，因此超聲波特別適用于小顆粒污垢的清洗［7］。

功率超聲波本身具有頻率高、能量大、波長短的特點，具有良好的方向性和穿透力，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠。將超聲波能量直接送入目的層，利用聲波具有的“空化”“剪切”等原理，理論上可以實現(xiàn)對鈣垢/鐵銹等物質的震蕩、剝離、粉碎等效果。超聲波解堵工藝可以限制功率，在實現(xiàn)針對不同形式的堵塞形成不同的解堵方案的同時，保護地層結構的穩(wěn)定。針對普通無機鹽堵塞，在有效震蕩后，將使無機鹽剝離，并可以進一步細碎，排出井筒，實現(xiàn)解堵。針對物性本身比較差，或者已經(jīng)存在泥漿污染、板結等的堵塞，可以放大功率，在有效震蕩后，解除板結，產生新的空隙，以增加滲透性。

2 超聲波洗井地面試驗

2.1 地面試驗目的

超聲波解堵工藝在油氣田已經(jīng)進行了一定范圍的有效應用，但油氣井完井方式、套管類型、地層深度和類型、開采工藝原理、液量等都與蒙其古爾礦床的生產工藝不同。因此，在地面模擬條件下，弄清楚超聲波解堵工藝應用效果，規(guī)避破壞井筒和地層的風險，是地面作業(yè)需要嘗試和驗證的主要內容，地面模擬結果能夠對井下實際作業(yè)提供指導性意見。

弄清超聲波解堵工藝在地表模擬條件下的作用和效果，并根據(jù)地面作業(yè)的結果，改進井下作業(yè)的實施辦法，調整實施參數(shù)，是地面實驗的主要目的。

2.2 近端模擬試驗

選用直徑64 mm，長度1.4 m，輸出頻率16～25 kHz 的超聲波儀器作為實驗儀器，將儀器放入PVC 過濾器中，將結垢嚴重的泵及兩塊布滿銹垢的鍋爐水管放置在鐵絲網(wǎng)外側，距離鐵絲網(wǎng)外側分別為13 cm、27cm、13 cm（圖1）。功率6 kW、頻率16～23 kHz、供電工作3 小時。

圖1 近端模擬實驗俯視圖及現(xiàn)場試驗圖Fig.1 Vertical view of simulation experiment and field test diagram

試驗前泵筒周身結垢且堅硬，用木片無法刮掉和清除，用角鐵敲擊，敲擊點周圍直徑0.5～1 cm 左右能產生小塊剝落。

超聲波作用后，在泵筒上出現(xiàn)一條縱向的光亮面，寬度約1.5 cm，而其他部位鈣垢仍然緊實附著（圖2）。

圖2 結垢泵筒超聲波作用后效果圖Fig.2 Scaling pump tube after ultrasonic action

由此可知，模擬試驗結果符合超聲波沿直線縱向傳播且集中的特點，驗證了超聲波解堵工藝在地面模擬設定的工作參數(shù)下，對礫石層外部緊貼放置的結垢泵管能夠產生鈣垢解除的作用。

試驗前鍋爐水管呈青黑色和深灰色硬質物質，磕碰不掉，用堅硬金屬反復刮削，在刮削部位可見明顯變薄，呈粉末狀。

試驗后清除效果明顯，內壁污垢基本去除，露出干凈管壁（圖3）。驗證了超聲波解堵工藝在地面模擬設定的工作參數(shù)下，對礫石層外部緊貼放置的結垢鍋爐管內壁能夠產生鈣垢解除的作用。

圖3 布滿銹垢的鍋爐水管超聲波作用前后對比圖Fig.3 Comparison of rust scale on boiler water pipe before and after ultrasonic treatment

2.3 遠端模擬試驗

為進一步驗證作業(yè)時間和距離對除垢效果的影響，對地面試驗進行了補充，加大了泵管和鍋爐管與儀器的距離，增加了作業(yè)時長至6 小時。將儀器放入緊貼水池一角的過濾器中，將結垢嚴重的泵桶和鍋爐水管放置在水池對角，距離儀器約2.8 m（圖4）。設定儀器聲功率為6 kW、頻率16～23 kHz、供電工作6 小時。

圖4 遠端模擬試驗俯視圖Fig.4 Vertical view of simulation experiment

在作業(yè)進行到3 小時的時候，泵管表面鈣垢的清除并不明顯，而鍋爐管內壁的鈣垢已經(jīng)基本清除。作業(yè)6 小時后，泵筒外壁正對儀器面的下半部分表面，部分鈣垢清除明顯，上半部分未見明顯的清除；鍋爐水管內側污垢等被有效清除（圖5）。

圖5 超聲波遠端試驗作用對比圖Fig.5 Effect comparison before and after ultrasonic test

2.4 地面試驗結果

通過近端與遠端兩組模擬試驗，結果表明：

1）試驗用超聲波設備可有效穿透過濾器和礫石填充層對目標物施加作用，能夠清除鈣垢、銹垢；

2）試驗用超聲波對正對儀器的方向能夠產生除垢效果，而非正對方向效果未能直觀顯現(xiàn)，驗證了超聲波作用的指向性和能量集中的特點；

3）一定距離下，泵管外壁上半部清除不理想，推測原因為深水位水壓高，介質密度變大，除垢作用效果直觀顯示優(yōu)于淺水位；

4）驗證了超聲波有效作用范圍不低于2.8 m；

5）在地面的作業(yè)環(huán)境條件下，對PVC 材質的過濾器物理結構不會造成損壞，聲波能夠穿透過濾器、礫石層。但需要更長的作用時間才能對遠距離的目標產生作用。

3 超聲波洗井地下試驗

蒙其古爾礦床采用的超聲波洗井工藝是利用測井電纜將超聲波儀器下放入井筒內，直至井下過濾器位置。超聲波儀器以縱波的方式，指向性地對產層（目的層）進行超聲波解堵作業(yè)。超聲波作業(yè)完畢，再利用空壓機洗孔方式對作業(yè)井進行物理方式洗井，洗出超聲波洗井作業(yè)解離的堵塞物。

本試驗主要針對生產過程中產生的無機鹽堵塞進行解堵實踐，同時針對鉆井液污染礦層堵塞、平米鈾量高但浸采效果差、成井水量不達標等其他3類鉆孔進行功率超聲解堵嘗試。

3.1 超聲波洗井解決無機鹽堵塞問題

蒙其古爾礦床碳酸鹽、黃鐵礦含量高，用CO2＋O2的浸出工藝過程中極易發(fā)生碳酸鈣及氫氧化鐵等無機鹽沉淀，無機鹽堵塞具有脆性特征，主要集中在井筒表面。利用超聲波的特性，在不破壞原始地層骨架的同時，將地層內已板結的無機鹽物理破碎為粉末狀，通過空壓機將破碎后的沉淀物帶到地表或將板結結垢破碎掉，增加滲透性。超聲波儀器井下聲功率控制在5～6 kW，作業(yè)時間60～90 min。

3.2 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞

地浸鉆孔施工無法避免鉆井液污染降低礦層滲透性［8］，以往采用空壓機進行洗井或者活塞洗井［9］將殘余的鉆井液去除，但依然存在抽液井中會抽出大量鉆井液的難題。利用功率超聲工藝，有去除殘留在地層內的鉆井液、恢復地層滲透性的可能性。鉆井液污染屬于侵入型堵塞，堵塞強度及波及深度都較大，超聲波儀器井下聲功率控制在7～9 kW，作業(yè)時間90～120 min。

3.3 超聲波洗井改善溶浸通道

蒙其古爾礦床存在平米鈾量高但浸出效果不理想的單元，本次利用超聲波洗井工藝，改善浸出不理想單元的溶浸通道，提高鈾的浸出效果。改善溶浸通道主要是改善作用范圍的地層滲透性，通過超聲可實現(xiàn)作用半徑內的地層產生塑性變形，進而形成微裂縫網(wǎng)，實現(xiàn)改善地層滲透性的效果。超聲波儀器井下聲功率控制在7～9 kW，作業(yè)時間90～120 min。

3.4 超聲波洗井解決成井水量不達標問題

蒙其古爾礦床鉆孔施工采用技術成熟的填礫式鉆孔結構和施工工藝［10］，現(xiàn)有運行的生產鉆孔中，雖然水量指標達到了驗收的標準，但部分鉆孔水量仍然不高，鉆井液污染是一方面，還存在投礫質量差，局部巖性變化等問題。利用超聲波工藝，在解除鉆井液污染的基礎上，改善投礫質量，進而提高該類鉆孔的水量。改善投礫質量著眼點在于解除礫石間隙內的砂質及膠結物所形成的堵塞，從而改善近井筒地帶的地層滲透性。作業(yè)期間超聲波儀器井下聲功率控制在5～6 kW，作業(yè)時間60～90 min。

4 現(xiàn)場試驗與效果分析

4.1 超聲波洗井解決無機鹽堵塞問題

4.1.1無機鹽解堵總體概況

本次挑選兩個單元，共計10 個鉆孔，進行超聲波洗井解決無機鹽堵塞問題研究，試驗井的參數(shù)見表1。

表1 超聲波洗井解決無機鹽堵塞問題研究試驗井參數(shù)Table 1 Statistical table of solving inorganic salt blockage by ultrasonic well flushing

經(jīng)過超聲波洗井之后的鉆孔，有7 個鉆孔水量呈現(xiàn)上升趨勢，其中以9-0602、9-0702、17-1313、17-1109 孔上升幅度最大（表2）。

表2 超聲波洗井解決無機鹽堵塞問題研究試驗效果Table 2 Statistics of inorganic salt blockage effect by ultrasonic well washing

以9-0602 鉆孔為例，本井進行兩次試驗，第一次作業(yè)工藝為16～23 kHz，2 h/m，5～6 kW，第二次作業(yè)工藝為16～23 kHz，6 h/m，7～9 kW。超聲波作業(yè)后洗井8 小時，見液10 分鐘出現(xiàn)渾濁，洗井水回收罐取樣，見少量懸浮物和紅褐色懸浮顆粒，靜置后沉淀（圖6）。

圖6 9-0602 超聲波洗井后樣品特征Fig.6 Sampling after well washing by ultrasonic action（9-0602）

在超聲波洗井結束后，使用大功率（9.2 kW）提升設備進行抽液，流量提升在0.7 m3/h 左右，維持時間僅為20 d。同時再更換至超聲波洗井前的提升設備（7.5 kW），其流量出現(xiàn)降低，較之前流量降低約0.2 m3/h（圖7）。

圖7 9-0602 超聲波洗井效果變化圖Fig.7 Effect chart of well washing by ultrasonic action（9-0602）

在第一次試驗40 d 后，本井流量已經(jīng)降低至試驗前狀態(tài)，結合地面試驗結論，為驗證本井是否徹底解堵，對本井進行6 h/m 的加強試驗。第二次試驗返排液基本澄清，只含有極少量泥沙沉淀。兩次試驗的返排液對比能夠推斷出：本井在第一次試驗時已經(jīng)解除堵塞，并且在兩次試驗的間隔期的40 d 內，沒有再次產生明顯的堵塞；高產狀態(tài)不能長時間維持的原因，初步判定為供液能力問題。

4.1.2無機鹽堵塞試驗后的初步認識

1）抽孔超聲波洗井后產量均有一定程度的上升，表明均存在不同程度的堵塞，經(jīng)超聲波洗井后堵塞得以解除；

2）解堵后產量恢復程度與堵塞程度有關，如9-0602 洗井取樣觀察堵塞明顯，解堵效果良好，產量恢復幅度大。而17-1211 孔堵塞程度明顯較輕，因斷流未錄取數(shù)據(jù)進行有效對比；

3）8 口注孔作業(yè)后取樣結果顯示僅17-1109、9-0702 堵塞明顯，解堵后產量恢復幅度大，而其他各孔堵塞不明顯，作業(yè)后前期產量略有提升，短時間內恢復至作業(yè)前相同的水平；

4）對于洗井作業(yè)結果顯示的堵塞不明顯的生產孔，建議進一步查明真正影響產能的關鍵因素。

4.2 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞

本次挑選一個鉆孔進行超聲波洗井，進行鉆井液污染礦層堵塞的試驗研究，試驗井的參數(shù)見表3。

表3 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞試驗井參數(shù)Table 3 Statistics of ultrasonic well washing to solve the plugging of the seam polluted by drilling fluid

本井洗井返排未見明顯堵塞物，試驗后產液情況起伏很大，不能穩(wěn)定，判斷為超聲波洗井工藝未能對鉆井液污染礦層的堵塞產生明顯的作用（表4）。

表4 超聲波洗井解決鉆井液污染礦層堵塞效果Table 4 The effect of ultrasonic well washing to solve the plugging of ore bed polluted by drilling fluid

4.3 超聲波洗井改善溶浸通道

本次挑選兩個鉆孔進行超聲波洗井改善溶浸通道研究，試驗井的參數(shù)見表5。

表5 超聲波洗井改善溶浸通道試驗井參數(shù)Table 5 Improvement of leaching channel parameters by ultrasonic well flushing

10-1-1903、15-1405 均為抽孔，實驗目的為改善溶浸通道。其中10-1-1903 孔解堵后產量恢復明顯，取樣結果也驗證了該孔有較重的堵塞，解堵效果良好，但受供液的影響未能保持長期穩(wěn)定。15-1405 孔超聲洗井作業(yè)后取樣結果顯示堵塞并不明顯，但工藝實施后產量前期明顯提升，達到改善溶浸通道的目的。上述兩個鉆孔水量維持時間不足15 d（表6）。

表6 超聲波洗井改善溶浸通道效果Table 6 Effect of ultrasonic well flushing on improving leaching channel

4.4 超聲波洗井解決成井水量不達標問題

本次挑選兩個鉆孔進行超聲波洗井，進行成井水量不達標問題的試驗研究，試驗效果見表7。

表7 超聲波洗井解決成井水量不達標問題效果Table 7 Statistics on the effect of ultrasonic well flushing to solve the problem of water volume not up to standard

本次試驗的目的是希望通過多次反復進行超聲波和空氣洗孔作業(yè)，驗證此方法是否能夠將堵塞物進一步擊碎并排出，增強解堵效果。

試驗后發(fā)現(xiàn)有明顯的涌砂現(xiàn)象，經(jīng)沉砂測量，底部有3 m 過濾器被涌進來的泥砂填埋。需要進行返砂洗井，待沖砂打開產層后，再跟蹤注液量變化情況。通過跟蹤9-0904 孔流量，發(fā)現(xiàn)該孔流量有所上升，但流量維持天數(shù)低于20 d。

本次試驗表明，超聲波洗井過程中提高井下功率、頻率、每米作業(yè)周期等參數(shù)，井下解堵效果得到強化，但客觀情況則是對底層的原始骨架造成了破環(huán)，刺激擾動地層，加劇了出砂，總體結果是對本井造成了傷害。因此應盡量遵循防止破壞地層骨架、防止刺激地層出砂、防止破壞井筒結構的原則。

綜合上述試驗數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析，抽液孔的水量增幅達43%以上；注液孔水量增幅為-8%～43%，平均為11%。

4.5 與其他洗井方式的效果對比

蒙其古爾礦床在停止使用化學洗井后，在現(xiàn)場還開展了“高壓風包洗井”“氣活塞洗井”“風包＋氣活塞洗井”等物理方式的洗井，通過與超聲波洗井方式對比發(fā)現(xiàn)，超聲波洗井方式水量提升最低，維持時間也相對較短（表8）。

表8 各種洗井方式效果對比Table 8 Comparison of the effect of well cleaning methods

5 結 論

1）地表試驗中，附著于泵管、鍋爐管的鈣垢和銹垢經(jīng)超聲波作用后剝離；在地下試驗中，抽孔液量提升、注孔多次試驗后被砂埋，這說明超聲波能夠刺激地層出砂，但目前無法有效將剝落的泥砂排出鉆孔。

2）從試驗結果數(shù)據(jù)判斷，在發(fā)生器頻率為16～23 kHz，井下功率為5～6 kW，作業(yè)時間為2～6 h/m 的工作參數(shù)下，抽液孔的水量增幅達43%以上；注液孔水量增幅為-8%～43%，平均為11%。超聲波對注液井和抽液井的清洗效果相差較大，主要原因是超聲波雖能有效剝離結垢物，但注液井中剝離的垢物未能有效返排。

3）現(xiàn)場試驗表明，超聲波技術在地浸采鈾生產井中具有一定的解堵作用，但對于深井的清洗，需在超聲功率、作用時間及返排措施等方面做進一步研究。

4）超聲波儀器受尺寸限制，暫時無法提供更高的使用頻率和功率。可以在條件成熟時，使用具備更高功率和頻率的超聲波工藝設備，探索超聲波在可地浸砂巖型鈾礦抽注液鉆井解堵方面的方法和工藝參數(shù)。