地浸采铀钻孔内置过滤器反向填砾方法研究

2019-01-25秦昊胡柏石李召坤李坡杨立志

铀矿冶 2019年1期

秦昊，胡柏石，李召坤，李坡，杨立志

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

地浸采铀工艺钻孔通常采用一次成井工艺进行施工，即形成裸孔后，下放带有过滤器、沉砂管等部件的套管，下放金属管至套管和孔壁环空进行填砾、止水和注浆。这种结构形式简单、施工难度小；但施工工期长，易发生过滤器堵塞，后期洗孔频繁。

内置过滤器式钻孔结构较为先进，可用于钻孔修复、多层矿体的开采及超深钻孔施工等。内置过滤器式钻孔在完成切割后，由于上部套管外围有水泥石的阻挡，无法采用常规填砾方法完成填砾(正向填砾)。国内目前施工的大多数此类钻孔的内置过滤器外围都没有砾石保护，将内置过滤器固定于设计位置即完成施工。由于没有外层砾石保护，内置过滤器使用寿命短，容易发生物理堵塞，需要经常更换。如何完成此类钻孔的砾石填充，是困扰施工技术人员的难题之一。

针对上述问题，研发和设计了地浸专用填砾装置，采用塑料粒作为过滤材料，使砾石能够单向通过反向填砾装置进入内置过滤器环状空间，实现了对此类钻孔的有效填砾，很好地解决了内置过滤器填砾难的技术问题。

1 钻孔填砾方法

1.1 常规填砾方法

1)填砾工序。目前国内地浸采铀钻孔填砾工序都是在套管外填砾，将金属管下入套管外侧，采用砂石泵进行填砾，采用边投边向上提金属管的方式进行。

2)填砾材料。石英砂是正向填砾最常用的砾料[1]，其主要成分是SiO2，密度为2.65 g/cm3，粒度为2.0～4.0 mm。

1.2 反向填砾方法

反向填砾主要是通过在过滤器底部安装单向阀来实现。砾料只能单向从底部进入过滤器环空，而环空的砾料和砂土不能反向进入过滤器[2]。将填砾管与内置过滤器相连接，下入内置过滤器。砾料通过过滤器底部的单向阀进入过滤器环空，采用密度小于水的人造砾料，砾料通过单向阀后会自行上浮，防止发生堵塞现象。

2 反向填砾工具

2.1 反向填砾装置

地浸采铀钻孔常用的填砾方法是下入套管后，将填砾管下入至套管外侧进行填砾。填砾上界面设计在过滤器以上1.0～2.0 m。砾石主要为具有较好磨圆度的石英，其占比>95%，粒径为2.0～4.0 mm。

地浸采铀钻孔修复后，套管上部外侧有水泥，常规的填砾方法无法完成填砾。采用反向填砾，使砾料穿过过滤器底部投到外侧可以很好解决这个问题。反向填砾装置必须满足2个条件：1)填砾泵的压力能够打开填砾阀门；2)砾石只能单向从内置过滤器的中间进入过滤器外围。

图1、2为自行研发的反向填砾装置结构示意，总体结构分为两部分，即填砾器主体和下护管。填砾器主体为管状结构，一端为母丝扣，另一端为公丝扣，在公丝扣的一端安装有单向阀。盖板和填砾器通过铰链连接，铰链中部装有扭簧，使盖板能够自动闭合。反向填砾器靠近母扣一端的中部还需安装一个反丝扣，用来连接填砾管。填砾器的母扣一端与内置过滤器相连接。

1—填砾器主体；2—内螺纹；3—反向内螺纹；4—盖板；5—弹簧铰链。图1地浸采铀钻孔反向填砾器主体

图2下护管

下护管整体为管状结构，一端为母扣，另一端为闭合结构。下护管的四周有4个过水槽，过水槽为矩形。下护管的母扣一端与填砾器的公扣一端相连接。下护管的主要作用是保护盖板，确保在井下复杂的环境中顺利打开。

2.2 反向填砾装置工作原理

填砾时首先将填砾管穿过内置过滤器后，其公丝扣一端拧入反丝扣。反向填砾器的母丝扣一端与内置过滤器连接，下护管的母丝扣一端与反向填砾器的公丝扣一端连接。

填砾时水压将盖板打开，砾料通过盖板后，从下护管的过水槽进入过滤器环空。完成填砾后，盖板由于扭簧的弹力而闭合，顺时针旋转填砾管，使填砾管和填砾装置分离。

3 填砾砾料选择与用量计算

3.1 砾料的要求

采用反向填砾技术，如果依然采用石英砂，则由于石英砂密度较大，随水流流出盖板后水压大大减小，石英砂将直接堵塞在下护管内。即使砾料进入环空，一旦石英砂盖住过水槽，也很容易造成堵塞。同时，颗粒在管内液体中垂向Y轴方向受到重力、浮力、曳力、阻力等影响，分别由式(1)～(4)表示。

G=ρpVpg，

(1)

式中：G—重力，N；ρp—颗粒密度，kg/m3；Vp—颗粒体积，m3；g—重力加速度，m/s2。

(2)

式中：Fd—曳力，N；CD—曳力系数；Ap—颗粒垂向投影面积，m2；υ—流速，m/s；ρ—液体密度，kg/m3。

Fb=ρVpg，

(3)

式中：Fb—浮力，N；其他同上。

(4)

式中：Fz—阻力，N；ξ—阻力系数；其他同上。

颗粒在垂向Y轴的受力情况为

(5)

由式(5)得出，颗粒与水之间的密度差直接影响颗粒的充填效果。根据地浸采铀钻孔反向填砾要求，颗粒密度需小于水的密度，因此，在密度小于水的前提下应选择密度较大的颗粒。

因此，理想的填砾材料应具备4个特点：1)密度小于水，砾料进入环空后会自动在浮力作用下上浮，从而避免过水槽堵塞；2)颗粒与水密度差的绝对值应较小；3)磨圆度应较高，砾石磨圆度高可以有效减小颗粒之间的胶合力与摩擦力；4)耐化学腐蚀性要好，应耐酸、耐碱。

3.2 砾料的选择

常见的人造砾料的物理化学性质见表1。

表1 常见人造砾料的理化性质

陶瓷颗粒与PVC颗粒的密度大于水，通过填砾装置后并不会上浮，而会堆积在下护管外侧或内部，堵塞填砾通道；HDPE颗粒与PP颗粒都具有比较好的耐腐蚀性，密度小于水，可以有效避免填砾通道的堵塞；HDPE密度稍大于PP颗粒，在填砾管内运动时能够得到更大的垂向力，同时颗粒磨圆度也较高。因此，HDPE颗粒为较理想的填砾材料。其实物如图3所示[3]。

图3 HDPE砾料

3.3 砾料用量计算

设计充填砾料上界面为过滤器的上端，计算所需充填砾料的量。砾料用量计算公式为[4]

V=0.785(D2-d2)LK

(6)

式中：V—填砾体积，m3；D—孔径，m；d—PVC管外径，m；L—填砾孔段，m；K—超径系数，K=1.1～1.3。

4 现场可行性试验

为了进一步测试填砾泵的水流能否冲开单向阀，并将砾石投放到过滤器环空，在现场水箱内模拟水中环境进行了可行性试验，如图4所示。试验使用的泥浆泵型号为BW250，最大流量250 L/min，最大压力7 MPa，额定功率18 kW。

图4 反向填砾装置地表可行性试验

将填砾器安装在内置过滤器尾部并置于水箱内，将填砾管插入内置过滤器至单向阀位置，打开水泵，使用水泵最小压力(0.1 MPa)，单向阀顺利打开。然后缓慢提升填砾管，使填砾管与单向阀的距离不断增大。试验表明：填砾管与单向阀的最远打开距离为1 100 mm。而实际试验时，填砾管直接通过反丝扣连接在填砾器上，且与单向阀形成一个密闭空间，水流必须通过单向阀流出；而且实际试验时的压力远大于可行性试验时的压力，因此反向填砾装置可以在孔内被水流顺利打开，完成填砾。