水力噴砂割縫工藝在地浸鉆孔施工中的應用

張 渤，閆紀帆，季揚威，李喜龍，孫希龍

(中核通遼鈾業有限責任公司，內蒙古 通遼028000)

地浸鉆孔是溶浸液和浸出液的運移通道，過濾器的建造方式決定了鉆孔結構特點。目前，國內地浸鈾礦山主要采用填礫式鉆孔結構，這種鉆孔結構首先安裝過濾器，在過濾器外充填礫石，最后采用水泥漿對套管進行固井封孔。通過應用實踐發現，填礫式鉆孔結構的出水量較小，并且在生產過程中需要進行頻繁洗井[1]。隨著砂巖型鈾礦床的勘探開發，地浸鈾礦山的生產能力逐年提高；并且鈾礦體往往呈多層分布，對于多層礦體開采的主要方法是單獨施工，單獨開采，生產成本較高。筆者采用割縫工藝建造過濾器，探索水力噴砂割縫工藝在地浸鉆孔的適用性。

1 地浸鉆孔結構

地浸采鈾鉆孔結構的主要區別在于過濾器的建造形式，本次試驗采用一徑到底的方式。全孔下放套管，利用逆向注漿固井封孔[2]，在套管內下入水力噴砂設備，對礦層段套管、固井水泥環進行切割施工[3-4]，并將地層射穿，打通套管內部與外部含礦含水層的水力聯系，最后下入可更換過濾器和沉沙管，再使用隔塞固定過濾器，如圖1所示。

2 割縫室內試驗

試驗采用水力噴砂進行割縫施工，即在溶液中加入固體顆粒，混合溶液在壓力作用下噴出，混合溶液沖擊摩擦井壁，從而達到切割井壁，使井壁

內外聯通的目的[5-6]。為保證割縫施工效果，固體顆粒需具有一定硬度和較小的粒徑，同時溶液應具備一定黏度，避免固體顆粒沉降。液體噴射原理如圖2所示。

割縫作業必須保證套管內外水力聯系相通，因此，作業施工必須在一定壓力下完成。但是，作業壓力過大或過小都會影響割縫效果，當施工壓力過大時，液體由一定直徑的噴嘴噴出，由于擴散角的存在，實際割縫寬度大于噴嘴直徑。根據流體力學原理，施工壓力越大，實際割縫寬度越大，甚至破壞套管[7]。當施工壓力過小時，不利于打開套管內外水力聯系。

圖2 液體噴射結構原理

室內試驗制作厚度為20 cm的水泥板，模擬套管外固井水泥環條件，采用20～30 MPa壓力，在地表進行淹沒割縫施工，噴嘴規格為3.5 mm，割縫混合液由瓜膠和70目石英砂混合制成，石英砂質量分數為10%，不同壓力下的割縫效果如圖3所示。

a—20 MPa；b—27 MPa。圖3 不同壓力下的割縫效果

試驗結果表明：當切割壓力為20 MPa時，能夠切割水泥模塊，并形成完整孔隙；當切割壓力高于25 MPa時，造成水泥模塊損壞。因此，現場試驗切割壓力選擇為20 MPa。

3 現場割縫試驗及結果

3.1 施工條件和參數

1)施工條件。與遼河油田鉆采工藝研究院聯合實施現場試驗。對4個鉆孔進行割縫施工，割縫施工區段為410～430 m。試驗設備包括增壓裝置1臺，混砂裝置1臺，井口密封裝置1套，割縫器1套，電動升降裝置1臺。首先在混砂裝置內配制溶液，按比例加入石英砂，再將混合液輸送至增壓裝置，經過管柱由割縫器噴嘴噴出，最后利用電動升降裝置緩慢調整割縫位置，完成割縫作業。割縫施工流程如圖4所示。

圖4 割縫施工流程

割縫管柱采用鉆桿連接，噴槍移動速度由速度控制器控制，為保證施工安全，設備操作均由計算機或遙控器控制。采用的噴槍最多可安裝3個噴嘴，可以多條縫同時施工，也可以單條縫施工。施工壓力為20 MPa，控制噴槍移動速度分別為50、100、150 mm/min?；臼┕l件和參數見表1，割縫增壓及混砂裝置如圖5所示。

表1 基本施工條件和參數

圖5 割縫增壓及混砂裝置

2)鉆孔割縫施工。通過觀察井口返出物，初步確定套管及水泥環存在不同程度的損壞。其中：SC-Y105孔共計施工2次，首先采用3.5 mm噴嘴，3條縫同時施工，通過觀察地表返出物，套管和水泥碎屑含量較少，初步判斷套管未完全切割；再次采用5.5 mm噴嘴進行單條縫施工，地表返出物套管碎屑和水泥碎屑明顯增多。鉆孔施工參數見表2，井口返出物如圖6所示。

表2 鉆孔施工參數

圖6 井口返出物

3.2 割縫效果檢測評價

3.2.1電流測井

根據電流測井曲線，分析套管完整性，判斷套管狀態。電流測井曲線平滑，無波動，無電流異常出現，表明套管完整性良好。當電流測井曲線出現單個點的異常波動時，若電流異常幅度值與對應正常電流值的比值介于1～2，表明套管該處發生滲漏；若該比值大于2，表明套管該處出現較大程度的破損。經過電流測井檢測，4個鉆孔礦層段電流異常峰值與對應正常電流值的比值均大于2，表明礦層段套管已破損，表明水力噴砂割縫達到了試驗預期效果。電流測井曲線如圖7所示。

圖7 電流測井曲線

3.2.2井下電視檢查

井下電視由控制計算機、卷揚裝置、信號傳輸線、攝像頭組成，該系統采用光學成像原理，利用人工光源照射井壁，由信號傳輸線傳送至地表控制計算機，能夠直觀檢測礦層段套管切割情況，形成完整影像資料。通過井下電視檢查割縫情況，4個鉆孔均存在明顯縫隙，如圖8所示。

3.2.3壓縮空氣洗井

壓縮空氣洗井的主要目的是驗證套管和水泥環切割程度是否能夠滿足生產要求。鉆孔內安裝可更換過濾器后，將風管下放至礦層段上部50 m處，利用空壓機輸送壓縮空氣，孔口出水連續穩定后，采用三角堰法測量鉆孔出水量。經過水量驗收，最小出水量為10.69m3/h，最大出水量為16.05 m3/h，結合大孔徑填礫鉆孔結構驗收水量和生產水量，割縫施工水量能夠滿足生產需求。洗井試驗參數及結果見表3。

圖8 井下電視檢查割縫效果

表3 洗井試驗參數及結果

4 結論

水力噴砂割縫技術作為一種先進的過濾器建造方式，在地浸鉆孔的應用尚屬首例。研究表明，該技術可以對礦層段選擇性切割，在礦體多層分布的區域，可實現礦體分層開采，不僅大幅降低鉆孔建設成本，還可以有效提高鈾資源開采效率。

水力噴砂割縫技術雖然能夠滿足地浸采鈾鉆孔生產要求；但受試驗條件和機械設備等因素的限制，需要在施工中逐步完善施工壓力、割縫數量、噴槍移動速度等影響割縫效果的關鍵條件，以形成適用于地浸采鈾鉆孔施工的完整工藝流程。