楊蘇昌,張琳,秘俊峰,胡丹,李妍寧,劉虎崗

(陜西核昌機(jī)電裝備有限公司,陜西咸陽 712000)

0 引言

地浸采鈾是一種在天然埋藏條件下,通過溶浸劑與礦物的化學(xué)反應(yīng)溶解礦石中的鈾,而礦石未發(fā)生位移的集采、冶一體的采鈾方法。該工藝將溶浸劑從注液孔注入至地下礦層,溶解礦石中有用成分形成浸出液,之后通過抽液井被提升出地表,經(jīng)過水冶處理后分離,回收浸出液中的金屬鈾。開采過程中,在壓力梯度的作用下,礦層中的泥質(zhì)、粉砂質(zhì)等微小顆粒沿著孔隙喉道移動(dòng)、聚集,造成物理堵塞;溶浸劑與礦石反應(yīng),生成鈣、鎂、鐵、鋁等化學(xué)沉淀物,造成化學(xué)堵塞[1-2]。抽液井過濾器及其周邊地層是堵塞最為嚴(yán)重的部位。日積月累,透過過濾器進(jìn)入井筒內(nèi)的細(xì)顆粒和化學(xué)沉淀一部分會(huì)殘留在過濾器內(nèi)壁,一部分則沉淀在過濾器下部的沉砂管內(nèi),甚至掩埋掉部分過濾器段,也使井筒變的臟污。上述現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鉆孔抽液量降低和浸出液中鈾濃度下降,使礦層滲透性降低,大大的影響正常生產(chǎn)和運(yùn)行,所以,洗井一直是地浸鈾礦最繁重的日常工作,洗井工藝也是地浸采鈾技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。我們研制了一種用于高壓射流洗井的脈沖自旋轉(zhuǎn)裝置,在自旋轉(zhuǎn)高壓水流的作用下,對(duì)井壁的黏垢進(jìn)行沖洗,并擾動(dòng)、敲擊井壁及過濾器,疏通過流水路,達(dá)到增大出液量目的。

1 常用洗井方法

1.1 活塞洗井

根據(jù)鉆井內(nèi)套管內(nèi)徑,加工一個(gè)帶有能向下開啟的橡膠皮閥,向上閉合且能提水的活塞,將鉆桿下入井內(nèi)水位以下反復(fù)抽拉,該方法利用活塞在孔內(nèi)礦層附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成水流強(qiáng)烈沖擊孔壁,同時(shí)抽出滲入礦層的泥漿,直至水色變清為止。洗井工作時(shí),活塞盡量下在鉆井深部,活塞越深,提拉時(shí)活塞下部形成的真空負(fù)壓越大,在反復(fù)提拉過程對(duì)含水層的沖擊振蕩也越大;提拉時(shí)要盡量快速,速度越快,孔內(nèi)形成的真空吸附力越大;提拉時(shí)行程盡量大,行程越大,連續(xù)提水時(shí)間越長(zhǎng),形成真空負(fù)壓的效果越好[3]。

活塞洗井可清洗過濾器上的泥皮,可洗出沉砂管中的砂子,破壞淤塞物,但勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作時(shí)間長(zhǎng)。

1.2 空壓機(jī)洗井

空壓機(jī)洗井裝置有并列式、同心式和并列同心式,是借助空壓機(jī)的風(fēng)壓,使孔內(nèi)水位產(chǎn)生振蕩,沖擊井管,破壞泥皮,并將孔底沉淀物排出地面。將空壓機(jī)風(fēng)管和排水管連體下入孔底,排水管管口閥門關(guān)閉后直接向孔內(nèi)送風(fēng),讓其管內(nèi)水上下躥動(dòng)、含水層內(nèi)水上下循環(huán)達(dá)到?jīng)_洗井壁及含水層的效果;關(guān)閉空壓機(jī),打開排水管閥門后開始送風(fēng),將第一步洗落至孔底的沉淀直接排至孔外,反復(fù)以上動(dòng)作直至排出水為清水。

空壓機(jī)洗井可清除過濾器上的機(jī)械淤塞物,但有可能對(duì)套管造成傷害,且不能破壞化學(xué)淤塞物。

1.3 化學(xué)劑洗井

需要向堵塞部位注入化學(xué)試劑,常用的化學(xué)試劑為焦磷酸鈉、氟化鉀、氟化銨、氫氟酸等,這幾種化學(xué)試劑有些可溶合在一起,氫氟酸和鹽酸相溶,氟化氫和氟化銨相溶,焦磷酸鈉只能單獨(dú)使用[4]。將化學(xué)試劑注入孔內(nèi),然后用高壓氣體將孔內(nèi)液體壓入礦層,并循環(huán)均勻,靜泡一段時(shí)間,通過化學(xué)反應(yīng)溶解細(xì)顆粒和化學(xué)沉淀物。但是所使用的化學(xué)試劑往往會(huì)改變過濾器部位地層的酸堿度,進(jìn)而帶入一些新的雜質(zhì)離子,對(duì)浸出及后續(xù)吸附、淋洗、沉淀等工序造成影響,嚴(yán)格意義上講,化學(xué)試劑洗井僅僅是發(fā)揮了溶蝕作用,需要輔以其他洗井方法,如空壓機(jī)洗井,達(dá)到疏通過濾器及其周邊地層孔隙通化學(xué)劑洗井道的目的。

化學(xué)劑洗井使淤塞以液體形式遷移,并形成穩(wěn)定的懸浮液排出地表,但處理時(shí)間長(zhǎng),易腐蝕設(shè)備。

1.4 高壓射流洗井

在鉆具底部連接洗孔器,地面用高壓大泵量由鉆桿壓入清水,清水通過洗孔器向井壁沖刷,清洗井壁泥皮、巖粉及裂隙中的雜物。洗井工作時(shí),泵量需足夠大,保證洗孔器射出水流壓力足夠大,對(duì)主要含水層段多次反復(fù)沖洗,用足量清水單循環(huán)壓入,洗井結(jié)束時(shí),孔口返出水須為清水。

高壓射流洗井可清除過濾器上的機(jī)械淤塞,但不能破壞化學(xué)淤塞物。

1.5 泡沫洗井

泡沫洗井是泡沫液泵、泡沫發(fā)生器及泡沫增壓裝置[5],將泡沫劑(表面活性劑)與水混合,使氣泡均勻地分散在水中,由于起泡劑和穩(wěn)泡劑的作用,在氣-液界面上形成有一定強(qiáng)度的混合潔面膜,表面活性劑在液膜中形成膠團(tuán),提高了液膜的液相黏度,使液膜具有較強(qiáng)的泥漿黏合力;此外,由于起泡劑作用,在孔內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡,氣泡上浮可將孔內(nèi)巖屑和泥漿黏結(jié),隨液體一起沖出孔外[6]。

泡沫洗井可以將細(xì)砂等排出到地表,但不能破壞化學(xué)淤塞物。

2 水力脈沖自旋轉(zhuǎn)洗井裝置

2.1 水力脈沖自旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)及原理

此裝置是一種與高壓射流洗井方法配合使用的洗孔裝置。其結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。

圖1 水力脈沖自旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of hydraulic pulse self-ratating device

水力脈沖自旋轉(zhuǎn)裝置其主要材質(zhì)為不銹鋼,具有高強(qiáng)度、耐磨、抗腐蝕性好等特點(diǎn)。脈沖是運(yùn)用電機(jī)和水泵非線性工作屬性與碟簧的預(yù)緊力相互作用,周期性的改變過流面積而產(chǎn)生[7],實(shí)現(xiàn)水壓、流量在瞬時(shí)的起伏變化;噴頭與轉(zhuǎn)子通過鍵連接,轉(zhuǎn)子在高壓水流的沖擊下帶動(dòng)噴頭實(shí)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn),強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)射流可覆蓋較大的區(qū)域,高速旋轉(zhuǎn)的噴射水流,以強(qiáng)大的水壓力破壞吸附在孔壁上的泥皮、擾動(dòng)過濾器,有效清除管壁上的銹垢,達(dá)到增加地浸孔出水量的增產(chǎn)效果;接頭體與鉆桿接頭螺紋連接。圖2為孔外噴射試驗(yàn)情況。

圖2 孔外噴射試驗(yàn)Fig.2 Outhole injection test

2.2 水力脈沖自旋轉(zhuǎn)裝置有關(guān)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)高壓清洗的主要參數(shù)是壓力、流量和功率,要達(dá)到設(shè)備額定壓力和流量,噴頭上噴嘴的的孔徑大小十分重要,噴嘴口徑過大就會(huì)損失壓力,達(dá)不到洗井的效果,噴嘴口徑過小則達(dá)不到額定流量。

2.2.1 噴嘴直徑

噴嘴直徑計(jì)算公式[8]為

(1)

式中:d為噴嘴直徑,mm;q為噴射流量,L/min;p為噴射壓力,bar;n為噴嘴數(shù);μ為噴嘴效率系數(shù),硬質(zhì)噴槍?duì)?1.00～1.15,柔性噴桿μ=1.2～1.3。

在噴嘴直徑一定時(shí),通過供給水力脈沖裝置不同的噴射流量,分別產(chǎn)生不同的噴射壓力,進(jìn)而產(chǎn)生不同的噴射速度。在壓力和流量一定的情況下,噴嘴的數(shù)量越多,噴嘴直徑則越小。

2.2.2 沖擊力

計(jì)算高壓水射流沖擊物體表面時(shí),流體的速度和方向均會(huì)發(fā)生改變,其動(dòng)量必然隨之改變,該過程損失的動(dòng)量將會(huì)以沖擊力的形式作用于物體表面,根據(jù)動(dòng)量定理可以獲得沖擊力F的計(jì)算公式[9]為

F=ρqv(1-cosθ)

(2)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;q為射流流量,L/min;v為流體流速,m/s;θ為流體沖擊物體后的反流方向與物體壁面的夾角,(°)。

水的射流作用于物體單位面積上的沖擊力是物體破碎的表征,其與水泵壓力、流量、噴嘴直徑、噴射距離有直接關(guān)系,此外還與噴嘴的類型有關(guān)。圓柱形噴嘴具有良好的射流集束性;扇形噴嘴可以產(chǎn)生平坦均勻的射流,作用面積大,但射流能量及壓力有損失;異形噴嘴能提高水射流的集束性能,在較大噴射距離下能夠保持射流的凝聚性,適用高壓[10]。本裝置采用圓柱形噴嘴。

3 施工應(yīng)用

地浸孔水力脈沖自旋轉(zhuǎn)洗井裝置應(yīng)用于新疆伊犁中核天山鈾業(yè)施工工地進(jìn)行洗井工作。鉆孔使用HXY-1000Q立軸式巖心鉆機(jī)。使用BW320泥漿泵,電機(jī)功率30 kW,最大壓力8 MPa,流量66～320 L/min,介質(zhì)為清水。

將水力脈沖洗井裝置安裝在鉆桿上,通過加接鉆桿,將裝置送入抽液孔過濾器處,泥漿泵作為水壓力和流量的動(dòng)力來源,水流通過鉆桿內(nèi)孔作用在此裝置上。鉆桿外徑上裝有橡膠皮閥,洗井工藝為活塞洗井和高壓射流洗井聯(lián)合使用的方法。

本次洗井工作用時(shí)2小時(shí)45分,孔深574 m,洗井后,抽液井出液量增加,穩(wěn)定動(dòng)力水位上升,注液孔注液量增加。洗井前后液體對(duì)比如圖3所示,從左至右分別為,洗井初期、洗井中期、洗井完成所收集的井內(nèi)液體,可以看出雜質(zhì)在變少,液體逐漸變的清澈,洗井效果是不錯(cuò)的。

圖3 洗井前后液體對(duì)比Fig.3 Comparison of fluids before and after well flushing

4 結(jié)語

水力脈沖自旋轉(zhuǎn)裝置洗井應(yīng)用于高壓射流洗井技術(shù),雖然取得了不錯(cuò)的效果,也為地浸孔洗井技術(shù)提供良好的技術(shù)支撐。同時(shí),應(yīng)用中也存在一些問題:噴頭旋轉(zhuǎn)部位的密封、鉆桿接頭與水力脈沖裝置之間的螺紋連接密封不好,造成噴射時(shí)壓力降低,影響噴射效果;對(duì)設(shè)備要求較高,需要足夠大的流量及壓力;噴嘴類型的選用以及各參數(shù)之間的匹配問題上還需要做進(jìn)一步試驗(yàn),繼續(xù)研究和完善;用加接鉆桿的方法來清洗地浸孔,工作繁重,如何能減少勞動(dòng)強(qiáng)度,更進(jìn)一步提高洗井效率,是我們以后研究的方向。