自動化壓氣洗井工藝的研究與應(yīng)用

胡鵬飛，李 猛，李光輝，梁大業(yè)，李世俊，黃 紀，韓軍寧

(中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

地浸采鈾礦山在生產(chǎn)運行過程中，常會產(chǎn)生鉆孔堵塞問題，降低抽注液能力。為應(yīng)對該問題通常需對抽注液鉆孔進行壓縮空氣洗井、化學(xué)洗井、活塞洗井等常規(guī)洗井作業(yè)[1-5]。這類洗井作業(yè)可在一定程度上緩解堵塞；但往往維持時間較短，需重復(fù)性作業(yè)，且存在作業(yè)過程繁瑣、成本高等問題，特別是冬季寒冷條件下人員作業(yè)難度大，限制了冬季洗井作業(yè)的開展，對冬季期間穩(wěn)定抽注液量帶來較大的困難。

在對礦層堵塞機制及傳統(tǒng)空壓機、活塞洗井的基本原理分析的基礎(chǔ)上，提出了用壓縮空氣柱模擬活塞的壓氣洗井工藝理論，通過向密閉井管內(nèi)注入高壓空氣，控制加壓、泄壓時間及周期，實現(xiàn)氣柱在井管內(nèi)的往復(fù)運動，達到解堵增滲的目的。

在壓氣洗井工藝理論和實踐基礎(chǔ)上，通過對其工藝控制原理的分析，設(shè)計自動化壓氣洗井集成設(shè)備，基本實現(xiàn)設(shè)備集約化、作業(yè)過程自動控制、數(shù)據(jù)自動記錄及報送、作業(yè)遠程監(jiān)控及冬季作業(yè)施工易于操作等目的。

1工藝原理

1.1 氣體滲流及礦層堵塞分析

一般認為，在抽注液過程中，礦層物質(zhì)分解產(chǎn)生氣體或直接注入空氣所形成的微氣泡大量充斥在砂體孔道，由于微氣泡的表面張力作用以及砂體顆粒對氣泡的吸附作用，使其難以像液體一樣在礦層中自由流動，因而產(chǎn)生“氣堵”現(xiàn)象，降低了抽注液量[6]。

以內(nèi)蒙古某砂巖型鈾礦床為例，礦床滲透系數(shù)2.9～13.2 m/d，巖性為砂質(zhì)礫巖、含礫粗砂巖、中細砂巖及少量細砂巖，礦床原始滲透性好；礦層骨架顆粒粒徑較大，膠結(jié)程度較好。細砂、黏土礦物及巖屑微粒等充填于骨架間隙，與骨架膠結(jié)程度差，形成滲流砂。在較強的水力梯度作用下，滲流砂會隨水流運移，在抽液孔近井段內(nèi)側(cè)、注液孔近井段外圍聚集，造成礦層滲流通道堵塞；如果產(chǎn)生化學(xué)沉淀，沉淀物包裹、充填滲流砂顆粒及間隙，形成致密巖層，會加劇堵塞程度。

在近井段注入空氣形成的氣液混合物微粒由于表面張力和吸附作用，難以在砂體間隙中自由運移，會在近井段滯留形成低密度區(qū)。當釋放井口壓力時，在原始地層水頭高度與敞口井管之間形成壓差，驅(qū)使氣液混合物向低壓區(qū)運移直至完全溢出地表，故近井段不會產(chǎn)生氣體堵塞。而如果大量空氣注入井內(nèi)且被推進至遠井地段，或者由于礦層本身化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生自由氣體不斷向遠井地段運移，由于距自由面較遠，即使井口壓力被釋放，長距離通道間也難以形成較高的壓力差，不足以推動微氣泡向前運移，故形成氣體堵塞。

1.2 氣液混合物的攜砂能力探討

對疏松砂巖氣田氣井，產(chǎn)水氣井出砂量相比于不產(chǎn)水氣井出砂量大幅增加，且出水量與出砂量呈正相關(guān)[7]。地浸礦山生產(chǎn)井主要是水相連續(xù)，對水平井泡沫流體沖砂技術(shù)研究表明氣水混合物攜砂能力強于單純水的攜砂能力[8]。

根據(jù)以上分析，認為氣液(水)混合物的攜砂能力強于純氣或純水的攜砂能力。

1.3 壓氣洗井原理

壓氣洗井是通過空壓機向密閉井管內(nèi)注入高壓空氣，通過對井內(nèi)液位監(jiān)測及控制加壓時間，使高壓氣體將管柱內(nèi)液體全部壓入礦層當中，氣體在砂體孔道中運移并被分隔成微氣泡，使近井礦層段砂體孔道呈現(xiàn)氣液混合狀態(tài)；而后對井管泄壓，在50～350 m高度的承壓水頭及井內(nèi)氣體壓差作用下，近井段氣液混合物及外圍地下水向過濾器聚集并沿井管提升溢出井口，完成一個壓氣、排氣的循環(huán)周期。在此過程當中，井內(nèi)氣體及氣液混合物的往復(fù)運動，對過濾器及近井段礦層砂體孔道中機械微堵塞物產(chǎn)生擾動，破壞其平衡狀態(tài)乃至發(fā)生位移，部分堵塞物隨氣液混合物被帶出地表，達到解堵增滲的目的。

圖1 壓氣洗井原理

壓氣洗井是對近井地段造成氣液混合狀態(tài)，通過循環(huán)作用對堵塞微粒產(chǎn)生擾動，破壞其平衡狀態(tài)，氣液混合物在壓力差的作用下攜帶堵塞微粒運移至地表。近井地帶微氣泡不僅不會產(chǎn)生氣體堵塞；而且有助于攜帶堵塞微粒運移，達到解堵增滲、提高礦層滲透性的目的。

1.4 壓力計算

向密閉孔內(nèi)加壓，直至將氣體壓入礦層，其最小給定壓力與鉆孔過濾器深度及靜水位有關(guān)。當向孔內(nèi)增壓大于靜止壓力水頭高度時，在氣壓驅(qū)動下，孔內(nèi)液體及部分氣體會被壓入礦層。根據(jù)液體壓強計算公式：

P=ρgh

(1)

式(1)中：P—液體壓強；ρ—液體密度；h—液體高度；g—重力加速度。

在實際工作過程中，在氣體驅(qū)動流體在管道內(nèi)流動過程中還存在一定沿程水頭損失，因此實際給定氣壓應(yīng)略大于式(1)計算值。由于作業(yè)對象一般為低流量鉆孔，一般向密閉井內(nèi)壓氣過程比較緩慢，液體流動速度慢，根據(jù)流體力學(xué)基本原理，實際給定壓力應(yīng)在理論值基礎(chǔ)上乘以一個損失補償系數(shù)(系數(shù)取值范圍1.1～1.3)。

2現(xiàn)場試驗

根據(jù)壓氣洗井工藝控制原理，設(shè)計制作試驗裝置，對不同堵塞程度的鉆孔分別開展了壓氣洗井現(xiàn)場試驗。對比不同洗井參數(shù)設(shè)置條件下的洗井效果，探索合理的運行控制參數(shù)；對比空壓機洗井、活塞洗井、化學(xué)洗井等常規(guī)方法的作用效果，進一步驗證壓氣洗井的適用性及有效性。

2.1 循環(huán)頻次對洗井效果的影響

在地質(zhì)條件基本相似，鉆孔靜止水頭高度差異較小的條件下，研究壓氣循環(huán)頻次對水量提升效果的影響。在巴彥烏拉礦床，選擇井深100～150 m，承壓水頭高度80～120 m的部分注液孔開展現(xiàn)場試驗，試驗中控制壓力和單孔洗井總作業(yè)時間相同，單次作業(yè)時間不同，作業(yè)循環(huán)次數(shù)隨單次作業(yè)時間增加而減少，在壓力基本一致條件下，作業(yè)頻率對水量的影響見表1。對表1散點數(shù)據(jù)進行曲線擬合，結(jié)果見圖2。

表1 壓氣洗井作業(yè)頻次對注液量的影響

圖2 壓氣作業(yè)頻次對注液提升量影響擬合曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，相關(guān)系數(shù)R2=0.925 1，相關(guān)性明顯，說明在鉆孔條件相似、壓力相同、總作業(yè)時間相同的情況下，提高壓氣循環(huán)次數(shù)對水量提升有明顯的促進作用。在實際作業(yè)中，可以通過適當降低單次進氣、排氣時間，增加循環(huán)次數(shù)，提高氣(氣液混合)柱的往復(fù)頻次來增強對機械堵塞物的擾動，逐步破壞其平衡狀態(tài)，最終達到疏通礦層的目的。

2.2 壓氣洗井與常規(guī)洗井效果對比

針對巴彥烏拉礦床，通過壓氣洗井試驗與以往常規(guī)洗井數(shù)據(jù)進行對比，驗證壓氣洗井工藝的實施效果與可靠性，對比數(shù)據(jù)見表2。

表2 壓氣洗井與常規(guī)方法洗井效果對比

從表2可看出，壓氣洗井相比于傳統(tǒng)空壓機洗井和活塞洗井，絕大部分鉆孔水量提升作用明顯。巴彥烏拉礦床原始滲透性較好，通過壓氣洗井作業(yè)，鉆孔涌水量提升明顯，說明此種方式比較適宜該地層條件。

3壓氣洗井集成設(shè)備設(shè)計

3.1 壓力控制系統(tǒng)

壓氣洗井工藝的核心系統(tǒng)為壓力控制系統(tǒng)，包括氣路控制閥門、水路控制閥門、壓力監(jiān)測設(shè)備等。壓力控制系統(tǒng)設(shè)備儀表均選擇316L材質(zhì)，以防止酸性洗井對設(shè)備儀表的腐蝕。

氣路、水路控制閥門選型。壓氣、排氣管道閥門是根據(jù)運行參數(shù)要求，控制壓氣、排氣時長，控制進氣量的主要設(shè)備，其可靠性決定著整個壓氣系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場試驗階段首先選擇電磁隔膜閥作為控制閥門。此類閥門的優(yōu)點是控制方便、反應(yīng)靈敏，適用于各種液體、氣體的管道控制；缺點是對介質(zhì)中雜質(zhì)要求比較高，隔膜膜片易受損。試驗過程中，井管排出的氣液混合物中含砂，易造成隔膜封閉不嚴和損壞，影響系統(tǒng)正常運行。經(jīng)試驗，多種品牌的電磁隔膜閥均無法很好地適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境。后又選用電動V型球閥作為控制閥門。此類閥門的優(yōu)點是流體阻力小，阻力系數(shù)與同長度的管段相等，不易積存固體顆粒；電動執(zhí)行器執(zhí)行速度相對較快；對介質(zhì)含砂量要求相比于隔膜閥低。通過試驗，電動V型球閥能夠滿足系統(tǒng)要求。

壓力及液面監(jiān)測設(shè)備選型。壓力監(jiān)測的主要作用是控制壓氣、排氣時長，計算井管內(nèi)液面高度。選擇耐震智能壓力變送器可滿足信號遠傳及自動控制要求。對于井管內(nèi)液面變化監(jiān)測，目前尚無適用的直接計量設(shè)備，設(shè)計采用間接測量的方式。進氣時，通過壓縮氣體流量計計量氣體通過量、溫度及壓力等數(shù)據(jù)，將氣體體積折算成該井管直徑下的氣柱高度，并與已知井管過濾器上界面深度及靜水位深度計算井內(nèi)液面深度。洗井前，需在控制系統(tǒng)界面輸入過濾器上界面深度、靜水位、井管內(nèi)徑等鉆孔參數(shù)，系統(tǒng)提取氣體流量計的單次累計進氣量(自動溫壓補償)后自動計算當前溫度、壓力條件下液面深度。

3.2 自動控制系統(tǒng)

壓氣洗井工藝的特點是控制給定鉆孔的壓力，使孔內(nèi)液體及氣體能夠進入礦層。為此，設(shè)計一套自動給氣、排氣裝置，不僅簡化操作流程，還能夠基本實現(xiàn)自動化作業(yè)，減少人為干預(yù)，提高安全系數(shù)。

采用PLC控制系統(tǒng)和組態(tài)王V6.6監(jiān)控系統(tǒng)軟件為平臺，開發(fā)壓氣洗井自動化控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)報表系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化作業(yè)、自動記錄數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等目的。壓氣洗井自動控制原理如圖3所示。

Y1—氣源進氣閥；Y2—井孔排氣閥。圖3 壓氣洗井自動控制原理

3.3 壓氣洗井集成設(shè)備設(shè)計

設(shè)計一個液體儲箱，箱底設(shè)置兩級隔板，并配套袋式過濾器。洗井水在壓力作用下進入儲箱內(nèi)，大粒度顆粒自然沉降，細砂及懸浮物經(jīng)過濾器過濾后水質(zhì)達到凈度要求，排入就近的抽液孔中回收，實現(xiàn)洗井水過濾回收的目的。

自動化壓氣洗井集成設(shè)備以輕卡車為平臺，將壓力控制及監(jiān)測設(shè)備、洗井水過濾回收設(shè)備、自控及視頻監(jiān)控設(shè)備等集成于車載平臺上，實現(xiàn)設(shè)備集約化。

4壓氣洗井集成設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用效果

在巴彥烏拉礦床開展自動化壓氣洗井工藝及設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用。絕大部分低流量注孔通過壓氣洗井后，穩(wěn)定注液量提高數(shù)倍乃至數(shù)十倍以上，效果良好；個別鉆孔洗井效果較差，可能是由于礦層自身滲透性較差以及礦層堵塞情況不同，以目前的洗井壓力、運行方式尚不能夠有效緩解堵塞程度。通過壓氣洗井工藝及設(shè)備的應(yīng)用，井場平均日注液量從不足1 200 m3/h上升至1 700 m3/h左右，有效地提高了注液能力，提升了產(chǎn)能。經(jīng)自動化壓氣洗井后，井場日注液量變化如圖4所示。

圖4 井場日平均注液量變化曲線

現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，部分鉆孔在洗井初期，壓氣20 min后，排氣3～5 min即可排空井內(nèi)氣體，且不出水或出水較少。經(jīng)多個壓氣、排氣循環(huán)后，進氣及排氣量逐漸增多，壓氣20～30 min且井內(nèi)液柱下降至過濾器位置，排氣后出水量大、氣液混合物流速快；排氣15～20 min后仍有氣液混合物流出井外。此現(xiàn)象說明在壓氣作業(yè)過程中，隨著壓氣作用時長及循環(huán)次數(shù)的增加，近井段堵塞礦層逐漸被疏通，使壓入礦層的氣體量逐漸增加，達到了解堵的目的。

在洗井車儲水箱內(nèi)淤積大量粒徑在0.05～2.0 mm的灰綠色泥砂，說明礦層內(nèi)骨架砂體孔道間的細小顆粒物發(fā)生了位移并被攜帶至地表，也進一步說明了高速氣液混合物具有較強的攜砂能力并提升了壓氣洗井的作用效果。

現(xiàn)場應(yīng)用表明：在壓氣洗井參數(shù)設(shè)置上，初期可采用壓氣、排氣時間短，交替頻率高的運行方式，此階段主要目的是通過高頻率的氣、液柱往復(fù)運動，破壞堵塞物平衡狀態(tài)；而后根據(jù)壓氣時長及液柱下降變化情況調(diào)整運行參數(shù)，提高壓氣、排氣時長，增加進氣量，提高氣液混合物攜砂作用時間及攜砂量。

5結(jié)論

1)通過向近井地帶注入空氣并控制進氣、排氣周期，能夠有效地對近井段礦層機械堵塞物及化學(xué)沉淀物產(chǎn)生擾動，打破其平衡狀態(tài)，迫使其發(fā)生位移，達到解堵增滲的目的。

2)控制好氣體注入量，在井深100～150 m，承壓水頭高度80～120 m的注液孔中，壓入井內(nèi)的氣體能夠排出井外，不會產(chǎn)生氣體堵塞，且氣液混合物比水具有更強的攜砂能力，解堵效果更好。

3)以進氣體積反算井內(nèi)液面高度的方法，能夠有效監(jiān)測到進氣時液位變化情況，有利于控制調(diào)整洗井參數(shù)，解決了井內(nèi)液位監(jiān)測不便的難題。

4)參數(shù)設(shè)定后自動運行，人工干預(yù)少，操作簡單，工作效率較高；洗井水過濾回收，人員不直接接觸高壓管道和機械設(shè)備，改善了作業(yè)環(huán)境，具有良好的安全和環(huán)保效益；壓氣洗井工藝受氣候環(huán)境影響小，冬季可以正常洗井。