李 坡，周根茂，李召坤，牛慶和，楊 睿，趙利信

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043)

目前地浸采鈾礦山開采工藝鉆孔主要采用直井型式，鉆孔工程費用較高。據統(tǒng)計，開采深度為200 m時，鉆孔投資占整個礦山基建投資的30%～35%；開采深度為500～600 m時，鉆孔投資占比達67%以上。近年來，在中國北方相繼發(fā)現了一批大埋深、低滲透、特大型砂巖鈾礦床[1-3]；若采用常規(guī)直井開采此類鈾資源，面臨井網稠密、開采成本高、單井控礦面積小、復雜地形開采困難等制約因素。

與直井相比，水平井開采具有過流控礦面積大、溶浸死角小等優(yōu)勢，可大幅提升鉆孔注液量，降低鉆井工程成本[4-5]。過濾器是地浸采鈾鉆孔溶液進出礦層的咽喉。目前，石油領域水平井過濾器建造技術較成熟；但地浸采鈾領域在儲層特性、開采工藝及開采成本等方面與石油領域的差異較大，例如：油氣層埋藏更深(>2 000 m)、巖性更致密、礦體規(guī)模更大、允許鉆井成本更高、允許物理驅替和油水兩相滲流等。這些儲層物性和完井技術差異制約了水平井過濾器建造技術在地浸采鈾領域的直接應用，必須結合地浸采鈾技術的特點重新設計過濾器。

1 過濾器設計與優(yōu)化

1.1 過濾器選擇

本試驗地浸采鈾水平井過濾器遴選設計原則：1)防砂效果好；2)有效過流面積大(>4%)；3)布液均勻；4)成本低；5)強度高。

目前石油行業(yè)水平井開采采用的過濾器主要有：割縫過濾器、繞絲過濾器、復合沖縫過濾器，如圖1所示。

(a)割縫過濾器；(b)繞絲過濾器；(c)復合沖縫過濾器。圖1 水平井過濾器類型Fig. 1 Horizontal well filter type

1.1.1 割縫過濾器

割縫過濾器允許一定大小、能被溶浸液攜帶到地面的細小砂粒通過，將較大砂粒阻擋在篩管外面，使大砂粒在篩管外面形成“砂橋”，達到防砂的目的[6]。割縫過濾器施工安全可靠；但在地層壓力的作用下，割縫會受擠壓變形，導致“砂橋”失效，砂粒堵塞縫口。因此，需要測試篩管的抗擠壓強度并優(yōu)化篩管割縫尺寸。割縫過濾器參數設計主要包括縫寬、縫長、環(huán)向縫間距、縱向縫間距和斷面縫型(矩形縫、梯形縫)等[7]。

石油行業(yè)水平井所用割縫過濾器直徑為150～200 mm，壁厚為6～15 mm，縫口寬為0.6～3 mm，縫隙長為50～300 mm，每米割縫100條；斷面縫型分為矩形縫、梯形縫。值得注意的是，石油和煤炭行業(yè)采用水力驅替方式開采，開采深度大，割縫篩管的每米割縫數少且縫隙較寬。

雖然梯形斷面縫型(夾角12°)不會出現砂礫卡在縫內造成砂堵的情況，是最優(yōu)的選擇[8]；但在每米割縫數量較多時，梯形縫較難生產。

1.1.2 繞絲過濾器

繞絲過濾器采用高強度的316L三角繞絲直接焊接纏繞在基管上，有效過流面積5%～20%。繞絲過濾器的過流面積與在用的環(huán)形骨架過濾器相當，三角繞絲設計不會出現由于砂礫卡在縫內造成砂堵的情況；但繞絲焊接點可能會脫扣，施工風險大，加工成本較N80割縫過濾器高20%。

1.1.3 復合網過濾器

復合網過濾器由外保護套、反向荷蘭斜紋網、支撐基管組成。不銹鋼金屬網結構穩(wěn)定，變形后仍可保持金屬網的三維網狀多孔結構，有效過流面積5%～20%。復合網過濾器具有優(yōu)異的過濾性能；但金屬網可能會脫落，施工風險大，加工成本較N80割縫過濾器高30%。

綜上分析，依據地浸采鈾水平井過濾器設計原則，結合過濾器廠家生產能力，設計了N80割縫過濾器，開展過濾器抗壓強度測試。過濾器套管外徑101 mm、縫寬0.6 mm、縫長76 mm，每米割縫數是304條，斷面縫型為矩形，有效過流面積為4.4%，基本滿足試驗要求。

1.2 割縫過濾器抗壓強度測試

選取6種不同縫寬、割縫數量的過濾器進行試驗，以選取最佳割縫過濾器規(guī)格(表1)。縫寬在0.4～0.6 mm，每米割縫數量為256和304(目前能加工的最大縫數)，套管規(guī)格均為φ101×5 mm，過濾器材質均為N80。

表1 試驗選取的過濾器規(guī)格Table 1 Filter specifications selected for test

采用單軸試驗機對試件進行抗壓測試，加壓速度為5 mm/min，通過測量變形位移達到30 mm時，試件承受的壓力大小來判定試件的抗壓強度。試驗機的最大試驗力為2 000 kN，上下壓板間的距離為320 mm，活塞移動速率在0～250 mm/min之間可控，位移精度為±1×104mm。過濾器抗壓強度試驗結果如圖2所示。

圖2 不同過濾器的最大試驗壓力Fig. 2 Maximum test pressure of different filters

從圖2可看出,縫寬和每米割縫數量對過濾器的強度均有影響，而且呈現出較明顯的變化規(guī)律，6種規(guī)格過濾器最大承壓力均在93 kN以上。

以新疆某礦床為例，含礦含水層擁有穩(wěn)定的泥巖隔水頂板，礦層距泥巖頂板的垂直距離為4～8 m，此區(qū)塊內巖性一般為中砂巖。對于割縫過濾器的強度分析，按上部砂巖整體垮塌的極端條件考慮，則掉落的最大地層壓力F為

F=ρghDL，

式中：ρ—中砂巖層密度，約為2.6 g/cm3；h—巖層厚度，按8 m計；D—井眼直徑，取152.4 mm；L—掉落長度。在不考慮地層擠壓應力等影響時，作用在單位長度(m)過濾器上的壓力約為31.065 kN。上述6種規(guī)格的過濾器均滿足試驗要求，為保證過濾器最大過流面積，選擇7#過濾器進行現場試驗，其規(guī)格參數為割縫數304條/m，縫寬0.6 mm，縫長76 mm。

2 水平井過濾器液流均勻性分析

2.1 水平井滲流均勻性研究

為了研究水平井中溶浸液的壓降特征及溶浸液在礦層中的滲流規(guī)律，通過搭建物理模型，進行鈾礦水平井地浸開采滲流模擬試驗。該試驗模擬系統(tǒng)由模型槽、注液筒、變頻器、螺桿泵和監(jiān)測系統(tǒng)組成。

模型槽尺寸：長×寬×高=10 m×0.5 m×0.5 m，模型槽的前端和出口端為鋼化玻璃材質，其余3個面均為鋼板。模型槽中間預留長×寬×高=0.5 m×0.1 m×0.3 m的空間，內部填充熔融石英砂，并用透明粘合劑膠結，形成可視化觀測窗，以便于對礦層中溶浸液滲流過程進行實時觀測。模型槽中間設置直徑12 cm的水平洞穴，用來放置過濾器，洞穴長9.6 m。

監(jiān)測系統(tǒng)由10組滲流觀測孔和6組壓降觀測孔組成，如圖3所示。圖中1(a,b,c)～10(a,b,c)為10組滲流監(jiān)測孔，a、b、c分別代表底部、中部、上部監(jiān)測面，各監(jiān)測面距頂端分別為40、25、10 cm。相鄰兩組滲流監(jiān)測孔之間的距離為180 cm；監(jiān)測孔距側壁距離為9 cm(遠離過濾器)和18 cm(靠近過濾器)。Ⅰ～Ⅵ分為為6組壓降監(jiān)測孔，Ⅰ為入口端監(jiān)測孔，Ⅱ～Ⅵ為實際壓降監(jiān)測孔。壓降監(jiān)測孔的間距為180 cm，設置在水平井上壁的中央。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)布置圖Fig. 3 Layout of monitoring system

將100 m水平井分為10段，分10次進行模擬試驗。第1次模擬試驗：以恒定壓力0.2 MPa注液，待穩(wěn)定后，讀取監(jiān)測孔1(a,b,c)～ 10(a,b,c)和Ⅰ～Ⅵ的壓力，并記錄。第2次模擬試驗：設置入口端壓力為第1次試驗的出口端壓力，其余條件不變，按第1次的方法試驗并記錄。重復上述步驟，設置每段入口端壓力為上一次試驗的出口端壓力，直至10段模擬完成。試驗得到沿過濾器延伸方向上的壓力以及滲流場內監(jiān)測線上的流體壓力，如圖4所示。

圖4 水平井延伸方向上壓降Fig. 4 Pressure drop in the extension direction of horizontal well

圖4中，B1、M1和T1分別代表靠近過濾器側底部、中部和上部的監(jiān)測線；B2、M2和T2分別代表遠離過濾器側底部、中部和上部的監(jiān)測線。從圖4可看出，沿著篩管延伸方向流體壓力逐漸降低，水平井滲流過程中存在流體壓降，中間監(jiān)測線壓力要大于底部和上部監(jiān)測線的壓力，這是因為中部監(jiān)測線更靠近于過濾器，溶浸液更容易、更快速滲透至該監(jiān)測線。另外，底部和上部監(jiān)測線壓力差別不大，這說明重力對溶浸液的垂向滲流影響不大。

2.2 水平井液流均勻性數值模擬研究

采用與水平井滲流模擬相同的物理模型進行水平段液流均勻性數值模擬研究。假設模擬巖層中不存在大裂隙，巖層可視為各向同性，且在溶液注入過程中不發(fā)生變形和破裂。采用COMSOL網格生成器自動劃分網格，如圖5所示，共劃分四面體域單元66 023個、三角形單元7 932個、邊單元1 252個、頂點單元16個。

圖5 水平井滲流模型網格劃分Fig. 5 Mesh generation of horizontal well seepage model

2.2.1 邊界條件

邊界條件是求解區(qū)域幾何邊界位置與邊界上起支配作用的條件[9-10]。本次試驗邊界條件如下：1)立方體模型槽入口端的截面為無流動邊界，其余面為定壓邊界，壓力為0 MPa；2)水平井篩管的側面為定壓邊界，壓力值采用試驗擬合數據；3)水平井篩管底面壓力等于其側面底端的壓力。

2.2.2 參數初始值

本次模擬所需參數包括滲透系數、流體密度、流體黏度、孔隙度、流體和固體基質可壓縮系數等，見表2。

表2 參數初始值Table 2 Parameter initial value

2.2.3 結果分析

本次模擬采用瞬態(tài)研究方式，隨著時間的增加，壓力在模型內部傳遞，并且逐步達到穩(wěn)定。通過分析模擬數據，發(fā)現當時間趨近于1 000 min時，壓力分布趨于穩(wěn)定，故選取1 000 min為研究時間段，且每隔100 min提取一次模擬結果。

提取模型的代表性切面，即yz切面、xy切面和zx切面，分別觀測模型的側切面、上切面和橫切面壓力分布。

2.2.3.1 代表性切面壓力云圖

yz側切面上溶液的壓力分布如圖6所示。壓力沿著篩管向模型上下側傳遞，在前500 min內壓力傳遞較快；在500～1 000 min內，壓力傳遞速度降低，且逐步趨于穩(wěn)定。壓力云圖呈現對稱分布，說明重力對溶液壓力分布的影響較小。

圖6 yz切面壓力云圖Fig. 6 Pressure nephogram of yz section

xy上切面溶液的壓力分布如圖7所示。壓力沿著篩管向兩側傳遞，同樣，在前500 min內壓力傳遞較快;在500～1 000 min內，壓力傳遞速度降低，且逐步趨于穩(wěn)定。壓力云圖呈現對稱分布，這是因為模型各向同性。

圖7 xy切面壓力云圖Fig. 7 Pressure nephogram of xy section

zx橫切面溶液的壓力分布如圖8所示。壓力沿著篩管向四周傳遞，同樣，在前500 min之內壓力傳遞較快;在500～1 000 min內，壓力傳遞速度降低，且逐步趨于穩(wěn)定。壓力云圖呈現對稱的圓形分布，說明重力對zx切面壓力分布的影響不大。

圖8 zx切面壓力云圖Fig. 8 Pressure nephogram of zx section

2.2.3.2 試驗、模擬結果對比

和試驗方案一致，數值模擬也選取了6條監(jiān)測線(B1、M1、T1、B2、M2、T2)。將6條監(jiān)測線上試驗所得的壓力值和數值模擬結果進行對比，如圖9所示。

圖9 壓力平衡時各監(jiān)測線壓力模擬值和試驗值對比Fig. 9 Comparison of pressure simulation value and test value of each monitoring line during pressure balance

從圖9可看出，試驗結果和數值模擬結果整體上相匹配，部分監(jiān)測點存在出入是由于試驗誤差或數值模擬參數選擇誤差導致的。模型中0～9.6 m距離內存在溶液壓力，且壓力穩(wěn)定、幾乎無壓降；在9.6～10 m，由于篩管內溶液滲流范圍未覆蓋到，所得溶液壓力為0。

3 割縫過濾器現場試驗

3.1 礦床地質條件

試驗點位于新疆某礦床。試驗區(qū)各含水層砂體厚度適中，一般介于10.0～20.0 m，隔水層連續(xù)、穩(wěn)定。礦化圍巖成分主要為長石和石英，易溶礦物及碳酸鹽含量較小，礦化圍巖耐酸、堿性強，含水層巖石顆粒成分均一，分選性中等-差，結構疏松，孔隙度25.30%～32.70%，含礦砂體透水性好。

鉆探施工不利地質因素：1)礦層的頂板位于第八煤層下部，由于煤層比較松散，對水平井造斜指向性影響較大；2)泥漿泵壓力為5 MPa左右，容易造成二開塌孔。

3.2 水平井井身結構設計

根據礦床地質資料，設計了水平井，其井身結構見表3，水平段長200 m。

表3 水平井井身結構設計Table 3 Structure design of horizontal well

3.3 水平井完井試驗

水平井的井下對接使用慧磁對接工具，在對接井下入重磁信號發(fā)射裝置，并在鉆頭處安裝信號接收裝置，根據重磁信號實時調整經驗軌跡。監(jiān)測數據顯示，水平段井眼軌跡的控制精度在10 cm以內，一次對接成功。

三開過濾器采用N80級、φ114.3 mm割縫過濾器，割縫數304條/m，縫寬0.6 mm，縫長76 mm。在860 m和420 m處各串聯1只自膨脹式封隔器。整個過濾器下放施工作業(yè)平穩(wěn)有序，未出現井下事故，現場試驗結果表明過濾器結構、強度滿足地浸采鈾水平井施工要求。

3.4 水平井注液試驗

注液循環(huán)系統(tǒng)主要包括50 m3蓄水池、注液管路、壓力表、流量計及注液井口裝置。注液泵型號為GYZS/0.81，最大注液壓力0.8 MPa，最大流量25 m3/h。

通過變頻器調節(jié)注液壓力，可以得到注液量和注液壓力關系，如圖10所示。

圖10 注液壓力與注液量的關系Fig. 10 Relationship between liquid injection pressure and liquid injection volume

從圖10可看出，隨注液壓力升高，注液量不斷增加，最高注液量達23.61 m3/h。以200 m水平段布置5口注液直井計，相當于單口直井注液量為4.72 m3/h，與周圍直孔的注液量(普遍低于2.4 m3/h)相比，水平井單井注液量提高了約1倍。

4 結論

1)研制了6種規(guī)格N80材質的割縫過濾器，通過抗壓強度測試優(yōu)選出規(guī)格為φ104 mm、割縫數304條/m、縫寬0.6 mm的過濾器。對該過濾器進行的數值建模分析和室內長距離注水試驗表明，0～9.6 m距離內溶液壓力穩(wěn)定、全段幾乎無壓降，可實現水平井均勻布液。

2)現場試驗表明水平井注液量為23.61 m3/h，按水平段距離可布置5口注液直井計，相當于直井單孔注液量為4.72 m3/h，較常規(guī)直井注液量提高1倍。割縫過濾器建造技術在地浸采鈾領域是可行的。