自动化压气洗井工艺的研究与应用

胡鹏飞，李 猛，李光辉，梁大业，李世俊，黄 纪，韩军宁

(中核内蒙古矿业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

地浸采铀矿山在生产运行过程中，常会产生钻孔堵塞问题，降低抽注液能力。为应对该问题通常需对抽注液钻孔进行压缩空气洗井、化学洗井、活塞洗井等常规洗井作业[1-5]。这类洗井作业可在一定程度上缓解堵塞；但往往维持时间较短，需重复性作业，且存在作业过程繁琐、成本高等问题，特别是冬季寒冷条件下人员作业难度大，限制了冬季洗井作业的开展，对冬季期间稳定抽注液量带来较大的困难。

在对矿层堵塞机制及传统空压机、活塞洗井的基本原理分析的基础上，提出了用压缩空气柱模拟活塞的压气洗井工艺理论，通过向密闭井管内注入高压空气，控制加压、泄压时间及周期，实现气柱在井管内的往复运动，达到解堵增渗的目的。

在压气洗井工艺理论和实践基础上，通过对其工艺控制原理的分析，设计自动化压气洗井集成设备，基本实现设备集约化、作业过程自动控制、数据自动记录及报送、作业远程监控及冬季作业施工易于操作等目的。

1工艺原理

1.1 气体渗流及矿层堵塞分析

一般认为，在抽注液过程中，矿层物质分解产生气体或直接注入空气所形成的微气泡大量充斥在砂体孔道，由于微气泡的表面张力作用以及砂体颗粒对气泡的吸附作用，使其难以像液体一样在矿层中自由流动，因而产生“气堵”现象，降低了抽注液量[6]。

以内蒙古某砂岩型铀矿床为例，矿床渗透系数2.9～13.2 m/d，岩性为砂质砾岩、含砾粗砂岩、中细砂岩及少量细砂岩，矿床原始渗透性好；矿层骨架颗粒粒径较大，胶结程度较好。细砂、黏土矿物及岩屑微粒等充填于骨架间隙，与骨架胶结程度差，形成渗流砂。在较强的水力梯度作用下，渗流砂会随水流运移，在抽液孔近井段内侧、注液孔近井段外围聚集，造成矿层渗流通道堵塞；如果产生化学沉淀，沉淀物包裹、充填渗流砂颗粒及间隙，形成致密岩层，会加剧堵塞程度。

在近井段注入空气形成的气液混合物微粒由于表面张力和吸附作用，难以在砂体间隙中自由运移，会在近井段滞留形成低密度区。当释放井口压力时，在原始地层水头高度与敞口井管之间形成压差，驱使气液混合物向低压区运移直至完全溢出地表，故近井段不会产生气体堵塞。而如果大量空气注入井内且被推进至远井地段，或者由于矿层本身化学反应产生自由气体不断向远井地段运移，由于距自由面较远，即使井口压力被释放，长距离通道间也难以形成较高的压力差，不足以推动微气泡向前运移，故形成气体堵塞。

1.2 气液混合物的携砂能力探讨

对疏松砂岩气田气井，产水气井出砂量相比于不产水气井出砂量大幅增加，且出水量与出砂量呈正相关[7]。地浸矿山生产井主要是水相连续，对水平井泡沫流体冲砂技术研究表明气水混合物携砂能力强于单纯水的携砂能力[8]。

根据以上分析，认为气液(水)混合物的携砂能力强于纯气或纯水的携砂能力。

1.3 压气洗井原理

压气洗井是通过空压机向密闭井管内注入高压空气，通过对井内液位监测及控制加压时间，使高压气体将管柱内液体全部压入矿层当中，气体在砂体孔道中运移并被分隔成微气泡，使近井矿层段砂体孔道呈现气液混合状态；而后对井管泄压，在50～350 m高度的承压水头及井内气体压差作用下，近井段气液混合物及外围地下水向过滤器聚集并沿井管提升溢出井口，完成一个压气、排气的循环周期。在此过程当中，井内气体及气液混合物的往复运动，对过滤器及近井段矿层砂体孔道中机械微堵塞物产生扰动，破坏其平衡状态乃至发生位移，部分堵塞物随气液混合物被带出地表，达到解堵增渗的目的。

图1 压气洗井原理

压气洗井是对近井地段造成气液混合状态，通过循环作用对堵塞微粒产生扰动，破坏其平衡状态，气液混合物在压力差的作用下携带堵塞微粒运移至地表。近井地带微气泡不仅不会产生气体堵塞；而且有助于携带堵塞微粒运移，达到解堵增渗、提高矿层渗透性的目的。

1.4 压力计算

向密闭孔内加压，直至将气体压入矿层，其最小给定压力与钻孔过滤器深度及静水位有关。当向孔内增压大于静止压力水头高度时，在气压驱动下，孔内液体及部分气体会被压入矿层。根据液体压强计算公式：

P=ρgh

(1)

式(1)中：P—液体压强；ρ—液体密度；h—液体高度；g—重力加速度。

在实际工作过程中，在气体驱动流体在管道内流动过程中还存在一定沿程水头损失，因此实际给定气压应略大于式(1)计算值。由于作业对象一般为低流量钻孔，一般向密闭井内压气过程比较缓慢，液体流动速度慢，根据流体力学基本原理，实际给定压力应在理论值基础上乘以一个损失补偿系数(系数取值范围1.1～1.3)。

2现场试验

根据压气洗井工艺控制原理，设计制作试验装置，对不同堵塞程度的钻孔分别开展了压气洗井现场试验。对比不同洗井参数设置条件下的洗井效果，探索合理的运行控制参数；对比空压机洗井、活塞洗井、化学洗井等常规方法的作用效果，进一步验证压气洗井的适用性及有效性。

2.1 循环频次对洗井效果的影响

在地质条件基本相似，钻孔静止水头高度差异较小的条件下，研究压气循环频次对水量提升效果的影响。在巴彦乌拉矿床，选择井深100～150 m，承压水头高度80～120 m的部分注液孔开展现场试验，试验中控制压力和单孔洗井总作业时间相同，单次作业时间不同，作业循环次数随单次作业时间增加而减少，在压力基本一致条件下，作业频率对水量的影响见表1。对表1散点数据进行曲线拟合，结果见图2。

表1 压气洗井作业频次对注液量的影响

图2 压气作业频次对注液提升量影响拟合曲线

根据数据拟合结果，相关系数R2=0.925 1，相关性明显，说明在钻孔条件相似、压力相同、总作业时间相同的情况下，提高压气循环次数对水量提升有明显的促进作用。在实际作业中，可以通过适当降低单次进气、排气时间，增加循环次数，提高气(气液混合)柱的往复频次来增强对机械堵塞物的扰动，逐步破坏其平衡状态，最终达到疏通矿层的目的。

2.2 压气洗井与常规洗井效果对比

针对巴彦乌拉矿床，通过压气洗井试验与以往常规洗井数据进行对比，验证压气洗井工艺的实施效果与可靠性，对比数据见表2。

表2 压气洗井与常规方法洗井效果对比

从表2可看出，压气洗井相比于传统空压机洗井和活塞洗井，绝大部分钻孔水量提升作用明显。巴彦乌拉矿床原始渗透性较好，通过压气洗井作业，钻孔涌水量提升明显，说明此种方式比较适宜该地层条件。

3压气洗井集成设备设计

3.1 压力控制系统

压气洗井工艺的核心系统为压力控制系统，包括气路控制阀门、水路控制阀门、压力监测设备等。压力控制系统设备仪表均选择316L材质，以防止酸性洗井对设备仪表的腐蚀。

气路、水路控制阀门选型。压气、排气管道阀门是根据运行参数要求，控制压气、排气时长，控制进气量的主要设备，其可靠性决定着整个压气系统的可靠性。现场试验阶段首先选择电磁隔膜阀作为控制阀门。此类阀门的优点是控制方便、反应灵敏，适用于各种液体、气体的管道控制；缺点是对介质中杂质要求比较高，隔膜膜片易受损。试验过程中，井管排出的气液混合物中含砂，易造成隔膜封闭不严和损坏，影响系统正常运行。经试验，多种品牌的电磁隔膜阀均无法很好地适应系统环境。后又选用电动V型球阀作为控制阀门。此类阀门的优点是流体阻力小，阻力系数与同长度的管段相等，不易积存固体颗粒；电动执行器执行速度相对较快；对介质含砂量要求相比于隔膜阀低。通过试验，电动V型球阀能够满足系统要求。

压力及液面监测设备选型。压力监测的主要作用是控制压气、排气时长，计算井管内液面高度。选择耐震智能压力变送器可满足信号远传及自动控制要求。对于井管内液面变化监测，目前尚无适用的直接计量设备，设计采用间接测量的方式。进气时，通过压缩气体流量计计量气体通过量、温度及压力等数据，将气体体积折算成该井管直径下的气柱高度，并与已知井管过滤器上界面深度及静水位深度计算井内液面深度。洗井前，需在控制系统界面输入过滤器上界面深度、静水位、井管内径等钻孔参数，系统提取气体流量计的单次累计进气量(自动温压补偿)后自动计算当前温度、压力条件下液面深度。

3.2 自动控制系统

压气洗井工艺的特点是控制给定钻孔的压力，使孔内液体及气体能够进入矿层。为此，设计一套自动给气、排气装置，不仅简化操作流程，还能够基本实现自动化作业，减少人为干预，提高安全系数。

采用PLC控制系统和组态王V6.6监控系统软件为平台，开发压气洗井自动化控制系统及数据报表系统，实现自动化作业、自动记录数据、视频监控等目的。压气洗井自动控制原理如图3所示。

Y1—气源进气阀；Y2—井孔排气阀。图3 压气洗井自动控制原理

3.3 压气洗井集成设备设计

设计一个液体储箱，箱底设置两级隔板，并配套袋式过滤器。洗井水在压力作用下进入储箱内，大粒度颗粒自然沉降，细砂及悬浮物经过滤器过滤后水质达到净度要求，排入就近的抽液孔中回收，实现洗井水过滤回收的目的。

自动化压气洗井集成设备以轻卡车为平台，将压力控制及监测设备、洗井水过滤回收设备、自控及视频监控设备等集成于车载平台上，实现设备集约化。

4压气洗井集成设备现场应用效果

在巴彦乌拉矿床开展自动化压气洗井工艺及设备现场应用。绝大部分低流量注孔通过压气洗井后，稳定注液量提高数倍乃至数十倍以上，效果良好；个别钻孔洗井效果较差，可能是由于矿层自身渗透性较差以及矿层堵塞情况不同，以目前的洗井压力、运行方式尚不能够有效缓解堵塞程度。通过压气洗井工艺及设备的应用，井场平均日注液量从不足1 200 m3/h上升至1 700 m3/h左右，有效地提高了注液能力，提升了产能。经自动化压气洗井后，井场日注液量变化如图4所示。

图4 井场日平均注液量变化曲线

现场应用发现，部分钻孔在洗井初期，压气20 min后，排气3～5 min即可排空井内气体，且不出水或出水较少。经多个压气、排气循环后，进气及排气量逐渐增多，压气20～30 min且井内液柱下降至过滤器位置，排气后出水量大、气液混合物流速快；排气15～20 min后仍有气液混合物流出井外。此现象说明在压气作业过程中，随着压气作用时长及循环次数的增加，近井段堵塞矿层逐渐被疏通，使压入矿层的气体量逐渐增加，达到了解堵的目的。

在洗井车储水箱内淤积大量粒径在0.05～2.0 mm的灰绿色泥砂，说明矿层内骨架砂体孔道间的细小颗粒物发生了位移并被携带至地表，也进一步说明了高速气液混合物具有较强的携砂能力并提升了压气洗井的作用效果。

现场应用表明：在压气洗井参数设置上，初期可采用压气、排气时间短，交替频率高的运行方式，此阶段主要目的是通过高频率的气、液柱往复运动，破坏堵塞物平衡状态；而后根据压气时长及液柱下降变化情况调整运行参数，提高压气、排气时长，增加进气量，提高气液混合物携砂作用时间及携砂量。

5结论

1)通过向近井地带注入空气并控制进气、排气周期，能够有效地对近井段矿层机械堵塞物及化学沉淀物产生扰动，打破其平衡状态，迫使其发生位移，达到解堵增渗的目的。

2)控制好气体注入量，在井深100～150 m，承压水头高度80～120 m的注液孔中，压入井内的气体能够排出井外，不会产生气体堵塞，且气液混合物比水具有更强的携砂能力，解堵效果更好。

3)以进气体积反算井内液面高度的方法，能够有效监测到进气时液位变化情况，有利于控制调整洗井参数，解决了井内液位监测不便的难题。

4)参数设定后自动运行，人工干预少，操作简单，工作效率较高；洗井水过滤回收，人员不直接接触高压管道和机械设备，改善了作业环境，具有良好的安全和环保效益；压气洗井工艺受气候环境影响小，冬季可以正常洗井。