負壓洗井工藝在地浸采鈾礦山的應用

劉曉奎,張 渤,閆紀帆,田志宇,馮小剛,田 爽

(中核通遼鈾業有限責任公司,內蒙古 通遼 028000)

隨著能源需求的增加和傳統化石燃料的減少,鈾礦開采和核能開發受到各國重視[1]。中國的鈾礦冶起步于20世紀50年代,經過核工業人的不斷努力,地下開采、露天開采、原地爆破浸出等技術取得了很大進步。地浸采鈾礦山已逐步取代常規礦山,成為主要的鈾礦來源。

地浸采鈾工藝[2]在開采過程中通過注液井注入化學試劑,在注液井使用一段時間后,會出現礦層孔隙堵塞、瞬時流量下降等問題。通過洗井可把過濾器段周圍的堵塞物洗掉,疏通進水通道,改善礦層的滲透性,達到提高流量的目的[3]。目前,國內地浸采鈾常用的洗井方法主要有壓縮空氣洗井、活塞洗井、化學洗井和CO2洗井。壓縮空氣洗井是應用最廣泛的洗井方式之一,可有效去除過濾器及套管壁上的泥漿等物理堵塞物,但不能破壞化學堵塞物[4-5]?；钊淳蓪⑦^濾器及沉砂管上的泥沙清洗干凈,主要用于成井水泥固化后洗井;活塞洗井強度高,易對套管造成損傷,應用較少?；瘜W洗井工藝可有效溶解礦層化學堵塞物,改善礦層的滲透性,達到提高流量的目的;但其洗井耗時較長,易腐蝕套管和過濾器[6-7]。CO2洗井效果較好;但洗井成本較高,對化學堵塞的洗井效果不理想。

負壓洗井能在石油開采領域較好地解決油層堵塞問題,顯著提高油井產量[8-9];但該技術在地浸采鈾領域的應用較少。筆者以內蒙古某地浸采鈾礦山為對象,進行了負壓洗井技術試驗研究,以期解決地浸采鈾過程中出現的礦層堵塞問題,改善礦層滲透性,提高鈾產量。

1 負壓洗井工藝原理及過程研究

1.1 工藝原理

利用封隔器將目的層與上水層分開,再利用空壓機將壓縮空氣輸送至井內。經充氣管線進入的壓縮空氣使封隔器膨脹,進而將水層分開,使封隔器下的水層達到密封狀態。壓縮空氣被傳送至封隔器中心管后以高速噴出,造成的水氣混合物在井內形成渦流,實現對過濾器段的沖涮,達到疏通堵塞物的目的。由于氣水混合物的密度比水小,從而井內污水隨著氣流一起從井口排出[10-11]。

1.2 工藝方案設計

選取瞬時流量低于1.5 m3/h的注液井作為試驗研究對象,采用的封隔器直徑110 mm、膨脹比1.2、承壓8 MPa,充氣管線外徑8 mm、壁厚2 mm、最大承壓10 MPa,管匯配件、壓力表、閥門、接頭等的耐壓大于10 MPa。

研究封隔器下放深度分別為井內150、200、250、300 m時,密封性能對洗井效果的影響;并在封隔器下放深度為300 m時,與傳統壓縮空氣工藝的洗井效果進行對比,采用2組空壓機并聯方式工作,單組空壓機風量為1.7 m3/h。

1.3 工藝過程介紹

首先將封隔器中心管的側上端通過風管與空壓機連接,并將中小管上端與排水管連接;將充氣管線一端與帶保壓裝置的空壓機連接,另一端與封隔器的橡膠套環連接;然后通過絞車緩慢將封隔器下入目標井內的目標位置。工作時,先打開1臺空壓機給保壓裝置供氣,當保壓裝置的壓力表示數達到2.8 MPa時,停止供壓,此時井內封隔器橡膠套環已經完全撐開與井壁密封;然后再打開另外1臺空壓機進行洗井。負壓洗井裝置見圖1。

圖1 負壓洗井裝置示意圖Fig. 1 Diagram of the negative pressure well washing device

2 現場應用效果

2.1 洗井方法對洗井效果的影響

對相同的低流量井分別進行了壓縮空氣洗井和負壓洗井試驗,試驗結果見表1。

表1 壓縮空氣洗井與負壓洗井效果對比Table 1 Comparison of well washing effect between compressed air and negative pressure

由表1可看出,壓縮空氣洗井后第1天的平均瞬時流量較洗井前提升了1.72 m3/h,提升率為191.11%;洗井后第15天的平均瞬時流量較洗井前提升了0.89 m3/h,提升率為98.89%,洗井后瞬時流量下降速度較快。負壓洗井洗后第1天的平均瞬時流量較洗井前提升了2.63 m3/h,提升率為350.67%;洗井后第15天平均瞬時流量較洗井前提升了1.77 m3/h,提升率為236.00%。采用負壓洗井的效果優于壓縮空氣洗井。

2.2 封隔器下放深度對洗井效果的影響

封隔器下放深度對洗井效果的影響見表2?？梢缘贸?當封隔器分別下放至井內150、200、250、300 m時,洗井后第15天的平均瞬時流量較洗井前分別提升了1.11、1.62、1.78、1.84 m3/h;封隔器下放深度為300 m的鉆井,洗井后的流量提升幅度、維持時間均高于其他下放深度的鉆井,洗井效果更明顯。隨著封隔器下放深度的增加,負壓洗井對鉆孔礦層段的作用增大,洗井效果更明顯。

表2 封隔器下放深度對洗井效果的影響Table 2 Effect of packer depth on well washing

2.3 封隔器密封性能對洗井效果的影響

洗井過程中,使用加拿大Solinst公司生產的地下水水位記錄儀(Levelogger)對封隔器上部水位變化進行監測,結果見表3。

表3 洗井過程中的水位下降最大深度與洗后效果Table 3 Maximum depth of water level drop during well washing and washing effect

由表3可看出,除5-7340洗井后流量提升效果較差外,其他井在洗井后流量提升均比較明顯,而且維持時間較長。而只有5-7340井在洗井過程中,封隔器上端水位下降大(超過30 m),封隔器未能完全撐開,未能達到對鉆孔下部密封的狀態,因此導致洗井效果不明顯。

2.4 保壓裝置對洗井效果的影響

為了保證洗井過程中封隔器完全撐開,以及降低使用過程中對封隔器橡膠套環彈性造成損傷,在洗井過程中采用了保壓裝置對封隔器的充氣管線進行單獨供氣,保證封隔器的密封性能,保壓裝置使用前后的洗井效果見圖2。

圖2 保壓裝置使用前后洗井效果對比Fig. 2 Comparison of well washing effect before and after using pressure retaining device

經多次試驗發現,當充氣管線的壓力示數維持在2.8 MPa時,封隔器上層的水位幾乎無變化,表明此時封隔器的密封性能較好。故在洗井過程中,使保壓裝置的壓力始終保持在2.8 MPa以上,以提高封隔器的密封性能,進而提高洗井效果。采用保壓裝置和未采用保壓裝置的鉆井在洗井后運行變化情況基本一致,但采用保壓裝置的鉆井洗井后的流量提升始終高于未采用保壓裝置的鉆井(圖2),使用保壓裝置可以提高洗井效果。

3 結論

采用負壓洗井工藝時,封隔器下放深度越大,洗井效果越明顯。負壓洗井工藝與壓縮空氣洗井工藝相比,洗井后流量提升更明顯,而且洗井后瞬時流量能保持較長時間。