地浸孔水力脉冲自旋转洗井装置

杨苏昌,张琳,秘俊峰,胡丹,李妍宁,刘虎岗

(陕西核昌机电装备有限公司,陕西咸阳 712000)

0 引言

地浸采铀是一种在天然埋藏条件下,通过溶浸剂与矿物的化学反应溶解矿石中的铀,而矿石未发生位移的集采、冶一体的采铀方法。该工艺将溶浸剂从注液孔注入至地下矿层,溶解矿石中有用成分形成浸出液,之后通过抽液井被提升出地表,经过水冶处理后分离,回收浸出液中的金属铀。开采过程中,在压力梯度的作用下,矿层中的泥质、粉砂质等微小颗粒沿着孔隙喉道移动、聚集,造成物理堵塞;溶浸剂与矿石反应,生成钙、镁、铁、铝等化学沉淀物,造成化学堵塞[1-2]。抽液井过滤器及其周边地层是堵塞最为严重的部位。日积月累,透过过滤器进入井筒内的细颗粒和化学沉淀一部分会残留在过滤器内壁,一部分则沉淀在过滤器下部的沉砂管内,甚至掩埋掉部分过滤器段,也使井筒变的脏污。上述现象会导致钻孔抽液量降低和浸出液中铀浓度下降,使矿层渗透性降低,大大的影响正常生产和运行,所以,洗井一直是地浸铀矿最繁重的日常工作,洗井工艺也是地浸采铀技术领域的重要研究课题。我们研制了一种用于高压射流洗井的脉冲自旋转装置,在自旋转高压水流的作用下,对井壁的黏垢进行冲洗,并扰动、敲击井壁及过滤器,疏通过流水路,达到增大出液量目的。

1 常用洗井方法

1.1 活塞洗井

根据钻井内套管内径,加工一个带有能向下开启的橡胶皮阀,向上闭合且能提水的活塞,将钻杆下入井内水位以下反复抽拉,该方法利用活塞在孔内矿层附近的往复运动形成水流强烈冲击孔壁,同时抽出渗入矿层的泥浆,直至水色变清为止。洗井工作时,活塞尽量下在钻井深部,活塞越深,提拉时活塞下部形成的真空负压越大,在反复提拉过程对含水层的冲击振荡也越大;提拉时要尽量快速,速度越快,孔内形成的真空吸附力越大;提拉时行程尽量大,行程越大,连续提水时间越长,形成真空负压的效果越好[3]。

活塞洗井可清洗过滤器上的泥皮,可洗出沉砂管中的砂子,破坏淤塞物,但劳动强度大,工作时间长。

1.2 空压机洗井

空压机洗井装置有并列式、同心式和并列同心式,是借助空压机的风压,使孔内水位产生振荡,冲击井管,破坏泥皮,并将孔底沉淀物排出地面。将空压机风管和排水管连体下入孔底,排水管管口阀门关闭后直接向孔内送风,让其管内水上下蹿动、含水层内水上下循环达到冲洗井壁及含水层的效果;关闭空压机,打开排水管阀门后开始送风,将第一步洗落至孔底的沉淀直接排至孔外,反复以上动作直至排出水为清水。

空压机洗井可清除过滤器上的机械淤塞物,但有可能对套管造成伤害,且不能破坏化学淤塞物。

1.3 化学剂洗井

需要向堵塞部位注入化学试剂,常用的化学试剂为焦磷酸钠、氟化钾、氟化铵、氢氟酸等,这几种化学试剂有些可溶合在一起,氢氟酸和盐酸相溶,氟化氢和氟化铵相溶,焦磷酸钠只能单独使用[4]。将化学试剂注入孔内,然后用高压气体将孔内液体压入矿层,并循环均匀,静泡一段时间,通过化学反应溶解细颗粒和化学沉淀物。但是所使用的化学试剂往往会改变过滤器部位地层的酸碱度,进而带入一些新的杂质离子,对浸出及后续吸附、淋洗、沉淀等工序造成影响,严格意义上讲,化学试剂洗井仅仅是发挥了溶蚀作用,需要辅以其他洗井方法,如空压机洗井,达到疏通过滤器及其周边地层孔隙通化学剂洗井道的目的。

化学剂洗井使淤塞以液体形式迁移,并形成稳定的悬浮液排出地表,但处理时间长,易腐蚀设备。

1.4 高压射流洗井

在钻具底部连接洗孔器,地面用高压大泵量由钻杆压入清水,清水通过洗孔器向井壁冲刷,清洗井壁泥皮、岩粉及裂隙中的杂物。洗井工作时,泵量需足够大,保证洗孔器射出水流压力足够大,对主要含水层段多次反复冲洗,用足量清水单循环压入,洗井结束时,孔口返出水须为清水。

高压射流洗井可清除过滤器上的机械淤塞,但不能破坏化学淤塞物。

1.5 泡沫洗井

泡沫洗井是泡沫液泵、泡沫发生器及泡沫增压装置[5],将泡沫剂(表面活性剂)与水混合,使气泡均匀地分散在水中,由于起泡剂和稳泡剂的作用,在气-液界面上形成有一定强度的混合洁面膜,表面活性剂在液膜中形成胶团,提高了液膜的液相黏度,使液膜具有较强的泥浆黏合力;此外,由于起泡剂作用,在孔内产生大量气泡,气泡上浮可将孔内岩屑和泥浆黏结,随液体一起冲出孔外[6]。

泡沫洗井可以将细砂等排出到地表,但不能破坏化学淤塞物。

2 水力脉冲自旋转洗井装置

2.1 水力脉冲自旋转装置结构及原理

此装置是一种与高压射流洗井方法配合使用的洗孔装置。其结构图见图1所示。

图1 水力脉冲自旋转装置结构图Fig.1 Structure diagram of hydraulic pulse self-ratating device

水力脉冲自旋转装置其主要材质为不锈钢,具有高强度、耐磨、抗腐蚀性好等特点。脉冲是运用电机和水泵非线性工作属性与碟簧的预紧力相互作用,周期性的改变过流面积而产生[7],实现水压、流量在瞬时的起伏变化;喷头与转子通过键连接,转子在高压水流的冲击下带动喷头实现自旋转,强大的旋转射流可覆盖较大的区域,高速旋转的喷射水流,以强大的水压力破坏吸附在孔壁上的泥皮、扰动过滤器,有效清除管壁上的锈垢,达到增加地浸孔出水量的增产效果;接头体与钻杆接头螺纹连接。图2为孔外喷射试验情况。

图2 孔外喷射试验Fig.2 Outhole injection test

2.2 水力脉冲自旋转装置有关参数计算

根据高压清洗的主要参数是压力、流量和功率,要达到设备额定压力和流量,喷头上喷嘴的的孔径大小十分重要,喷嘴口径过大就会损失压力,达不到洗井的效果,喷嘴口径过小则达不到额定流量。

2.2.1 喷嘴直径

喷嘴直径计算公式[8]为

(1)

式中:d为喷嘴直径,mm;q为喷射流量,L/min;p为喷射压力,bar;n为喷嘴数;μ为喷嘴效率系数,硬质喷枪μ=1.00～1.15,柔性喷杆μ=1.2～1.3。

在喷嘴直径一定时,通过供给水力脉冲装置不同的喷射流量,分别产生不同的喷射压力,进而产生不同的喷射速度。在压力和流量一定的情况下,喷嘴的数量越多,喷嘴直径则越小。

2.2.2 冲击力

计算高压水射流冲击物体表面时,流体的速度和方向均会发生改变,其动量必然随之改变,该过程损失的动量将会以冲击力的形式作用于物体表面,根据动量定理可以获得冲击力F的计算公式[9]为

F=ρqv(1-cosθ)

(2)

式中:ρ为流体密度,kg/m3;q为射流流量,L/min;v为流体流速,m/s;θ为流体冲击物体后的反流方向与物体壁面的夹角,(°)。

水的射流作用于物体单位面积上的冲击力是物体破碎的表征,其与水泵压力、流量、喷嘴直径、喷射距离有直接关系,此外还与喷嘴的类型有关。圆柱形喷嘴具有良好的射流集束性;扇形喷嘴可以产生平坦均匀的射流,作用面积大,但射流能量及压力有损失;异形喷嘴能提高水射流的集束性能,在较大喷射距离下能够保持射流的凝聚性,适用高压[10]。本装置采用圆柱形喷嘴。

3 施工应用

地浸孔水力脉冲自旋转洗井装置应用于新疆伊犁中核天山铀业施工工地进行洗井工作。钻孔使用HXY-1000Q立轴式岩心钻机。使用BW320泥浆泵,电机功率30 kW,最大压力8 MPa,流量66～320 L/min,介质为清水。

将水力脉冲洗井装置安装在钻杆上,通过加接钻杆,将装置送入抽液孔过滤器处,泥浆泵作为水压力和流量的动力来源,水流通过钻杆内孔作用在此装置上。钻杆外径上装有橡胶皮阀,洗井工艺为活塞洗井和高压射流洗井联合使用的方法。

本次洗井工作用时2小时45分,孔深574 m,洗井后,抽液井出液量增加,稳定动力水位上升,注液孔注液量增加。洗井前后液体对比如图3所示,从左至右分别为,洗井初期、洗井中期、洗井完成所收集的井内液体,可以看出杂质在变少,液体逐渐变的清澈,洗井效果是不错的。

图3 洗井前后液体对比Fig.3 Comparison of fluids before and after well flushing

4 结语

水力脉冲自旋转装置洗井应用于高压射流洗井技术,虽然取得了不错的效果,也为地浸孔洗井技术提供良好的技术支撑。同时,应用中也存在一些问题:喷头旋转部位的密封、钻杆接头与水力脉冲装置之间的螺纹连接密封不好,造成喷射时压力降低,影响喷射效果;对设备要求较高,需要足够大的流量及压力;喷嘴类型的选用以及各参数之间的匹配问题上还需要做进一步试验,继续研究和完善;用加接钻杆的方法来清洗地浸孔,工作繁重,如何能减少劳动强度,更进一步提高洗井效率,是我们以后研究的方向。