地浸孔水力脈沖自旋轉洗井裝置

楊蘇昌,張琳,秘俊峰,胡丹,李妍寧,劉虎崗

(陜西核昌機電裝備有限公司,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反應溶解礦石中的鈾,而礦石未發生位移的集采、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、粉砂質等微小顆粒沿著孔隙喉道移動、聚集,造成物理堵塞;溶浸劑與礦石反應,生成鈣、鎂、鐵、鋁等化學沉淀物,造成化學堵塞[1-2]。抽液井過濾器及其周邊地層是堵塞最為嚴重的部位。日積月累,透過過濾器進入井筒內的細顆粒和化學沉淀一部分會殘留在過濾器內壁,一部分則沉淀在過濾器下部的沉砂管內,甚至掩埋掉部分過濾器段,也使井筒變的臟污。上述現象會導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和運行,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領域的重要研究課題。我們研制了一種用于高壓射流洗井的脈沖自旋轉裝置,在自旋轉高壓水流的作用下,對井壁的黏垢進行沖洗,并擾動、敲擊井壁及過濾器,疏通過流水路,達到增大出液量目的。

1 常用洗井方法

1.1 活塞洗井

根據鉆井內套管內徑,加工一個帶有能向下開啟的橡膠皮閥,向上閉合且能提水的活塞,將鉆桿下入井內水位以下反復抽拉,該方法利用活塞在孔內礦層附近的往復運動形成水流強烈沖擊孔壁,同時抽出滲入礦層的泥漿,直至水色變清為止。洗井工作時,活塞盡量下在鉆井深部,活塞越深,提拉時活塞下部形成的真空負壓越大,在反復提拉過程對含水層的沖擊振蕩也越大;提拉時要盡量快速,速度越快,孔內形成的真空吸附力越大;提拉時行程盡量大,行程越大,連續提水時間越長,形成真空負壓的效果越好[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,但勞動強度大,工作時間長。

1.2 空壓機洗井

空壓機洗井裝置有并列式、同心式和并列同心式,是借助空壓機的風壓,使孔內水位產生振蕩,沖擊井管,破壞泥皮,并將孔底沉淀物排出地面。將空壓機風管和排水管連體下入孔底,排水管管口閥門關閉后直接向孔內送風,讓其管內水上下躥動、含水層內水上下循環達到沖洗井壁及含水層的效果;關閉空壓機,打開排水管閥門后開始送風,將第一步洗落至孔底的沉淀直接排至孔外,反復以上動作直至排出水為清水。

空壓機洗井可清除過濾器上的機械淤塞物,但有可能對套管造成傷害,且不能破壞化學淤塞物。

1.3 化學劑洗井

需要向堵塞部位注入化學試劑,常用的化學試劑為焦磷酸鈉、氟化鉀、氟化銨、氫氟酸等,這幾種化學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,焦磷酸鈉只能單獨使用[4]。將化學試劑注入孔內,然后用高壓氣體將孔內液體壓入礦層,并循環均勻,靜泡一段時間,通過化學反應溶解細顆粒和化學沉淀物。但是所使用的化學試劑往往會改變過濾器部位地層的酸堿度,進而帶入一些新的雜質離子,對浸出及后續吸附、淋洗、沉淀等工序造成影響,嚴格意義上講,化學試劑洗井僅僅是發揮了溶蝕作用,需要輔以其他洗井方法,如空壓機洗井,達到疏通過濾器及其周邊地層孔隙通化學劑洗井道的目的。

化學劑洗井使淤塞以液體形式遷移,并形成穩定的懸浮液排出地表,但處理時間長,易腐蝕設備。

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,泵量需足夠大,保證洗孔器射出水流壓力足夠大,對主要含水層段多次反復沖洗,用足量清水單循環壓入,洗井結束時,孔口返出水須為清水。

高壓射流洗井可清除過濾器上的機械淤塞,但不能破壞化學淤塞物。

1.5 泡沫洗井

泡沫洗井是泡沫液泵、泡沫發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,由于起泡劑和穩泡劑的作用,在氣-液界面上形成有一定強度的混合潔面膜,表面活性劑在液膜中形成膠團,提高了液膜的液相黏度,使液膜具有較強的泥漿黏合力;此外,由于起泡劑作用,在孔內產生大量氣泡,氣泡上浮可將孔內巖屑和泥漿黏結,隨液體一起沖出孔外[6]。

泡沫洗井可以將細砂等排出到地表,但不能破壞化學淤塞物。

2 水力脈沖自旋轉洗井裝置

2.1 水力脈沖自旋轉裝置結構及原理

此裝置是一種與高壓射流洗井方法配合使用的洗孔裝置。其結構圖見圖1所示。

圖1 水力脈沖自旋轉裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of hydraulic pulse self-ratating device

水力脈沖自旋轉裝置其主要材質為不銹鋼,具有高強度、耐磨、抗腐蝕性好等特點。脈沖是運用電機和水泵非線性工作屬性與碟簧的預緊力相互作用,周期性的改變過流面積而產生[7],實現水壓、流量在瞬時的起伏變化;噴頭與轉子通過鍵連接,轉子在高壓水流的沖擊下帶動噴頭實現自旋轉,強大的旋轉射流可覆蓋較大的區域,高速旋轉的噴射水流,以強大的水壓力破壞吸附在孔壁上的泥皮、擾動過濾器,有效清除管壁上的銹垢,達到增加地浸孔出水量的增產效果;接頭體與鉆桿接頭螺紋連接。圖2為孔外噴射試驗情況。

圖2 孔外噴射試驗Fig.2 Outhole injection test

2.2 水力脈沖自旋轉裝置有關參數計算

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

2.2.1 噴嘴直徑

噴嘴直徑計算公式[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;μ為噴嘴效率系數,硬質噴槍μ=1.00～1.15,柔性噴桿μ=1.2～1.3。

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

2.2.2 沖擊力

計算高壓水射流沖擊物體表面時,流體的速度和方向均會發生改變,其動量必然隨之改變,該過程損失的動量將會以沖擊力的形式作用于物體表面,根據動量定理可以獲得沖擊力F的計算公式[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、噴射距離有直接關系,此外還與噴嘴的類型有關。圓柱形噴嘴具有良好的射流集束性;扇形噴嘴可以產生平坦均勻的射流,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 施工應用

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

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力來源,水流通過鉆桿內孔作用在此裝置上。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合使用的方法。

本次洗井工作用時2小時45分,孔深574 m,洗井后,抽液井出液量增加,穩定動力水位上升,注液孔注液量增加。洗井前后液體對比如圖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液體,可以看出雜質在變少,液體逐漸變的清澈,洗井效果是不錯的。

圖3 洗井前后液體對比Fig.3 Comparison of fluids before and after well flushing

4 結語

水力脈沖自旋轉裝置洗井應用于高壓射流洗井技術,雖然取得了不錯的效果,也為地浸孔洗井技術提供良好的技術支撐。同時,應用中也存在一些問題:噴頭旋轉部位的密封、鉆桿接頭與水力脈沖裝置之間的螺紋連接密封不好,造成噴射時壓力降低,影響噴射效果;對設備要求較高,需要足夠大的流量及壓力;噴嘴類型的選用以及各參數之間的匹配問題上還需要做進一步試驗,繼續研究和完善;用加接鉆桿的方法來清洗地浸孔,工作繁重,如何能減少勞動強度,更進一步提高洗井效率,是我們以后研究的方向。