擴(kuò)孔式鉆孔在內(nèi)蒙古地浸鈾礦的應(yīng)用

李喜龍，張 勇，張 渤，高險(xiǎn)峰，季揚(yáng)威

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

地浸工藝鉆孔是浸出劑進(jìn)入砂巖鈾礦床和浸出液提升至地表的唯一通道，它決定浸出劑能否充分與礦層中的鈾礦物發(fā)生反應(yīng)，在地浸采鈾中占有舉足輕重的地位。地浸鉆孔的施工成本和質(zhì)量在很大程度上決定了地浸開(kāi)采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性、開(kāi)采的合理性和有效性。目前，我國(guó)砂巖型鈾資源開(kāi)采地浸鉆孔以填礫式鉆孔結(jié)構(gòu)為主，鉆孔費(fèi)用占生產(chǎn)成本的40%～50%，降低施工成本、提高成井質(zhì)量是地浸礦山發(fā)展的方向。因此，有必要對(duì)新型鉆孔結(jié)構(gòu)和施工工藝進(jìn)行探索，以提高鉆孔施工質(zhì)量和降低施工成本。

1 填礫式鉆孔存在的問(wèn)題

內(nèi)蒙古某鈾礦地浸開(kāi)采采用大孔徑填礫結(jié)構(gòu)鉆孔，Ф311 mm(開(kāi)孔鉆頭抽出井為Ф311 mm，注入井為Ф215 mm)鉆頭開(kāi)孔，為保證物探測(cè)井的準(zhǔn)確性，鉆至含礦含水層頂板上部時(shí)，更換Ф151 mm鉆頭揭穿礦層，再利用Ф311 mm(擴(kuò)孔鉆頭抽出井為Ф311 mm，注入井為Ф215 mm)鉆頭擴(kuò)孔，依次下入沉砂管、環(huán)形外骨架過(guò)濾器和套管。為滿足過(guò)濾器段滲透性，防止泥沙進(jìn)入過(guò)濾器，套管與孔壁之間進(jìn)行填礫，最后利用套管外注漿工藝進(jìn)行固井封孔[1]。

大孔徑填礫結(jié)構(gòu)主要存在以下幾點(diǎn)不足。

1) 鉆孔施工質(zhì)量難以保證。鉆孔施工質(zhì)量是影響鉆孔功能的重要因素，目前采用的管外注漿和管外填礫，不僅容易損壞套管和過(guò)濾器，而且施工過(guò)程中易產(chǎn)生橋接，用于壓力較高的注液孔風(fēng)險(xiǎn)較高。

2) 洗井效果差。地浸采鈾鉆孔不論是成井施工，還是生產(chǎn)運(yùn)行，都要對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗，以保證鉆孔水量。洗井的主要目的是清除過(guò)濾器段的阻塞，采用的填礫鉆孔結(jié)構(gòu)洗井時(shí)，難以徹底清除過(guò)濾器孔隙及填礫層內(nèi)的阻塞物，難以定向分析過(guò)濾器段的清洗效果。

3) 資源回收率低。目前，國(guó)內(nèi)地浸礦山的金屬回收率為75%左右，部分資源不能回收。不能開(kāi)發(fā)利用的根本原因是抽注液井功能不能實(shí)現(xiàn)互換，造成浸出劑在礦層運(yùn)移的過(guò)程中，存在溶浸死角，導(dǎo)致部分資源不能被利用。

4) 鉆孔施工成本高。填礫結(jié)構(gòu)鉆孔采用正向注漿工藝，注漿過(guò)程中要在套管與孔壁形成的環(huán)形空間內(nèi)下入注漿管，間接擴(kuò)大了裸井尺寸，造成鉆孔施工進(jìn)度慢，水泥、石英砂等材料消耗大，在人工成本一定的情況下，鉆孔施工成本高。

2 擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)在國(guó)外的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)與施工

美國(guó)地浸礦山的抽注液鉆孔無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是直徑上完全相同。得克薩斯州Kingsville Dome礦山和Palangana礦山，鉆孔施工時(shí)先以直徑100～150 mm鉆頭開(kāi)孔鉆穿礦層至底板，然后再用直徑175～250 mm鉆頭鉆至礦層頂板，下入套管，注漿后在套管內(nèi)下入擴(kuò)孔鉆頭將礦層段擴(kuò)大至直徑330 mm，如圖1所示。懷俄明州的Christensen礦和Smith Ranch鉆孔結(jié)構(gòu)和施工程序也與此相同[2]。

圖1 美國(guó)Kingsville Dome礦山和 Palangana礦山鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Drilling structure of the Kingsville Dome mine and the Palangana mine in the United States

美國(guó)懷俄明州Highland礦山鉆孔與上述施工相反，先用直徑200～250 mm鉆頭鉆到礦層頂部，再換直徑130 mm鉆頭鉆穿礦層。下入套管，水泥注漿后在套管內(nèi)下入鉆頭對(duì)礦層擴(kuò)孔至直徑280 mm。

2.2 礦層段擴(kuò)孔工藝

美國(guó)地浸礦山礦層段擴(kuò)孔可分為兩種形式，無(wú)套管的擴(kuò)孔和有套管的擴(kuò)孔。有套管的擴(kuò)孔式結(jié)構(gòu)將套管下至礦層頂板，并水泥注漿封孔，然后從套管內(nèi)下入擴(kuò)孔鉆頭將礦層段直徑擴(kuò)大。擴(kuò)孔鉆頭側(cè)邊設(shè)有可張開(kāi)擴(kuò)孔刀具，前端安裝鉆進(jìn)鉆頭，既能將礦層段直徑擴(kuò)大又能獲得進(jìn)尺。

擴(kuò)孔鉆頭上端與鉆桿連接，在無(wú)壓力下呈收縮狀態(tài)，擴(kuò)孔時(shí)將其從套管內(nèi)下入至擴(kuò)孔段。擴(kuò)孔過(guò)程中由地表泥漿泵對(duì)泥漿加壓，在壓力作用下驅(qū)使刀具張開(kāi)，完成擴(kuò)孔操作。擴(kuò)孔期間泥漿一直保持在壓狀態(tài)，擴(kuò)孔結(jié)束后停止加壓，刀具自動(dòng)收縮，從套管內(nèi)提出。

2.3 過(guò)濾器形式

美國(guó)鈾能源公司使用的過(guò)濾器為纏絲式。通過(guò)熱熔將塑料絲纏繞在過(guò)濾管的外圍并固定，過(guò)濾器內(nèi)管上鉆有直徑10 mm的孔，孔隙率30%。優(yōu)點(diǎn)是整體性好、強(qiáng)度高。過(guò)濾管外纏繞的是一根連續(xù)不斷的塑料絲，增強(qiáng)了內(nèi)管的強(qiáng)度。兩圈相鄰纏絲的縫隙由絲直徑和纏緊程度控制，適應(yīng)不同礦層的需要。

3 我國(guó)擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)和施工工藝

3.1 擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)鉆孔采用一徑到底的結(jié)構(gòu)(為了物探測(cè)井在接近礦層時(shí)需要變徑)，鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。裸眼孔開(kāi)孔直徑為Ф215 mm，采用濃泥漿鉆進(jìn)，為加快鉆進(jìn)速度，在保證孔斜達(dá)標(biāo)的前提下，采用大泵量、高鉆壓、中等轉(zhuǎn)速的高效鉆進(jìn)方法進(jìn)行鉆進(jìn)。

圖2 擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Reaming drilling structure

套管采用Φ148 mm×10 mm PVC-U管，用相同材質(zhì)的Φ160 mm×15 mm管加工的管箍連接,不設(shè)過(guò)濾器段。下管之前，根據(jù)礦層的測(cè)井情況組裝內(nèi)置過(guò)濾器，并根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算沉砂管長(zhǎng)度。過(guò)濾器與沉砂管連采用尼龍棒管材加工的管箍連接。

3.2 施工工藝

擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)根據(jù)施工順序依次分為裸孔鉆進(jìn)、套管安裝、注漿工藝、孔內(nèi)鉆進(jìn)及擴(kuò)孔、可更換過(guò)濾器安裝和洗孔六個(gè)工序。

1) 裸孔鉆進(jìn)。鉆孔施工開(kāi)始之前，必須根據(jù)鈾礦床詳查地質(zhì)報(bào)告，確定礦體層位，為鉆進(jìn)施工提供初步設(shè)計(jì)參數(shù)。鉆進(jìn)采用牙輪鉆頭開(kāi)孔，鉆進(jìn)至礦層上部更換鉆頭，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度進(jìn)行綜合物探測(cè)井確定礦層位置、過(guò)濾器安裝位置及長(zhǎng)度，最后更換新鮮鉆井液。

2) 套管安裝。采用Φ148 mm×10 mm PVC套管，由于裸孔形成的環(huán)形空間較小，為保證套管順利下放，逆向注漿順利進(jìn)行，同時(shí)不破壞裸孔孔壁，在套管底部預(yù)留注漿孔，并將套管底部進(jìn)行斜切面處理，防止套管下放出現(xiàn)卡管現(xiàn)象。

3) 注漿工藝。注漿固井采用預(yù)留孔逆向注漿方法，固井液采用普通硅酸鹽水泥。在套管內(nèi)下入注漿管至預(yù)留注漿孔位置后，將地表套管孔口封閉，并在注漿管上安裝閥門、壓力表和排氣閥，計(jì)算注漿管內(nèi)新鮮鉆井液體積；將注漿管與注漿泵連接，注入與注漿管相同體積的清水，替換出注漿管內(nèi)鉆井液；開(kāi)始注入水泥漿，利用裸孔擴(kuò)大系數(shù)計(jì)算水泥漿用量，孔口返出固井液后，再次向注漿管內(nèi)加注與注漿管1.1倍體積的清水，關(guān)閉注漿管上的閥門；隨著固井液固化，注漿管壓力緩慢降低，根據(jù)連通器原理，當(dāng)壓力表讀數(shù)為零時(shí)，說(shuō)明固井液已基本固化，提出注漿管，完成注漿固井工藝。

4) 孔內(nèi)鉆進(jìn)及擴(kuò)孔?？變?nèi)鉆進(jìn)及擴(kuò)孔是在套管內(nèi)下入鉆具至套管底端，施工前必須配置新鮮鉆井液，根據(jù)鉆桿特點(diǎn)制作套管保護(hù)裝置，以減小施工過(guò)程中鉆桿對(duì)套管的損壞。擴(kuò)孔孔徑≥240 mm。

5) 可更換過(guò)濾器安裝。根據(jù)礦層厚度配置可更換過(guò)濾器，過(guò)濾器下端連接沉砂管，過(guò)濾器上端連接提升裝置?？筛鼡Q過(guò)濾器從套管內(nèi)下入，并在過(guò)濾器提升裝置上安裝橡膠隔塞，橡膠遇水膨脹后與套管形成擠壓，用于固定過(guò)濾器。為減小過(guò)濾器在下放過(guò)程中受到的損壞，過(guò)濾器上下兩端安裝保護(hù)裝置。

6) 洗孔。采用壓縮空氣洗井方法，由上至下逐級(jí)進(jìn)行洗井，風(fēng)管下放至可更換式過(guò)濾器上端，當(dāng)洗井水量和含沙量滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，停止洗孔作業(yè)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 內(nèi)置過(guò)濾器的研發(fā)

過(guò)濾器是地浸采鈾工藝鉆孔的咽喉，過(guò)濾器防砂性能和過(guò)水量是關(guān)鍵指標(biāo)。內(nèi)置過(guò)濾器主要由襯管和貼礫層組成，襯管材質(zhì)可選鋼管或UPVC管，在襯管壁上粘貼陶粒貼礫層[3]。內(nèi)置過(guò)濾器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

貼礫層陶粒的粒度和厚度決定防砂性能，礫層孔隙率和滲透系數(shù)的大小主要與濾料的粒徑大小和密實(shí)度有關(guān)，隨著濾料粒徑的增大其孔隙率逐漸降低，滲透系數(shù)增大。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同含水層(組)合理選擇不同規(guī)格的貼礫過(guò)濾器[4-5]。球形陶粒濾料直徑選用規(guī)格見(jiàn)表1。

圖3 內(nèi)置過(guò)濾器結(jié)構(gòu)Fig.3 Built-in filter structure

表1 球形陶粒濾料直徑選用規(guī)格Table 1 Selection specification of the diameter of spherical ceramic filter material

含礦含水層巖性粉細(xì)砂細(xì)砂中粗砂粗(礫)砂含水巖層砂礫粒度范圍/mm0.05～0.10.1～0.250.25～10.5～2適宜的陶粒顆粒粒徑范圍/mm0.5～1.51.6～2.52～42～5陶粒貼礫層孔隙率/%37353331陶粒貼礫層滲透系數(shù)/(cm/min)0.841.703.775.66

4.2 含礦層擴(kuò)孔工藝

4.2.1 套管保護(hù)器

擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，逆向注漿完成后進(jìn)行管內(nèi)鉆進(jìn)和擴(kuò)孔，擴(kuò)孔的目的是減小對(duì)礦層的損傷，使礦層最大限度接近原始狀態(tài)，有利于提高過(guò)濾器段的過(guò)流面積。含礦層擴(kuò)孔工藝關(guān)鍵技術(shù)是鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿對(duì)套管的損傷，管內(nèi)鉆進(jìn)采用Φ60 mm鉆具+Φ117 mm鉆頭鉆至設(shè)計(jì)深度，為防止鉆桿損傷套管，在鉆桿上加裝保護(hù)器，整個(gè)裝置采用內(nèi)徑略大于鉆桿外徑，外徑尺寸為Φ110 mm，每?jī)筛@桿加裝一個(gè)保護(hù)器，為獲得較高的強(qiáng)度，選擇為尼龍材質(zhì)。套管保護(hù)器見(jiàn)圖4。

擴(kuò)孔工藝的不同點(diǎn)是國(guó)外在鉆進(jìn)施工時(shí)無(wú)需加保護(hù)器，而國(guó)內(nèi)需在鉆桿上加裝特制的套管保護(hù)器，避免在鉆井時(shí)損傷套管，分析其原因是國(guó)外用鉆桿規(guī)格較國(guó)內(nèi)大，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于450 m孔深鉆進(jìn)均采用Φ60 mm鉆桿，而國(guó)外鉆桿尺寸均大于Φ100 mm。鉆桿規(guī)格大，在鉆進(jìn)過(guò)程中繞曲度較小，井斜較小，擾動(dòng)相對(duì)小。

4.2.2 擴(kuò)孔器

擴(kuò)孔器采用KYG型擴(kuò)孔工具為水力式擴(kuò)孔工具。主要由上接頭、節(jié)流水嘴、進(jìn)刀桿、復(fù)位彈簧、刀片等部件組成[6]。KYG型擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖4 套管保護(hù)器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Casing protector structure diagram

圖5 KYG型擴(kuò)孔器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 KYG reamer structure diagram

5 應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)

5.1 應(yīng)用實(shí)例

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工兩個(gè)工藝鉆孔，分別是2-sy02鉆孔和6-sy03鉆孔，試驗(yàn)全部采用擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)，全礦段建造內(nèi)置過(guò)濾器方案。

1) 試驗(yàn)2-sy02鉆孔。試驗(yàn)孔含礦含水層為姚家組下段(K2y1)，深度244.90～268.05 m，厚度為23.15 m，巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。鉆孔設(shè)計(jì)采用切割礦層位置，內(nèi)置過(guò)濾器的方式。祼孔成孔后，在含礦層上部下放無(wú)過(guò)濾器的套管，逆向注漿，注漿36 h后切割含礦段，洗孔后下放內(nèi)置過(guò)濾器。過(guò)濾器長(zhǎng)度為10.5 m，下放位置正對(duì)切割位置，即248.5～259.0 m。過(guò)濾器上部安裝過(guò)濾器提升裝置，提升裝置由兩組相距1 000 mm的膨脹橡膠和內(nèi)管構(gòu)成，內(nèi)管切割成燈口扣，過(guò)濾器下部連接沉砂管。含礦含水層具體參數(shù)及過(guò)濾器設(shè)計(jì)位置見(jiàn)表2。

2) 試驗(yàn)6-sy03鉆孔。試驗(yàn)孔含礦含水層為姚家組下段(K2y1)，深度250.10～259.20 m，厚度為9.10 m，巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。鉆孔安裝設(shè)計(jì)鉆孔采取切割礦層位置，內(nèi)置過(guò)濾器的方式。祼孔成孔后，在含礦層上部下放無(wú)過(guò)濾器的套管，逆向注漿，注漿36 h后，切割含礦段礦層，洗孔后下放內(nèi)置過(guò)濾器。過(guò)濾器長(zhǎng)度為15.0 m，下放位置正對(duì)切割位置，即248.5～263.5 m。含礦含水層具體參數(shù)及過(guò)濾器設(shè)計(jì)位置見(jiàn)表3。

表2 2-sy02鉆孔含礦含水層具體參數(shù)及過(guò)濾器 設(shè)計(jì)位置表Table 2 Table of specific parameters and filter design position of mineral bearing aquifer of 2-sy02 drill hole

表3 6-sy03鉆孔含礦含水層具體參數(shù)及過(guò)濾器 設(shè)計(jì)位置表Table 3 Table of specific parameters and filter design position of mineral bearing aquifer of 6-sy03 drill hole

5.2 效果評(píng)價(jià)

本次擴(kuò)孔設(shè)備為KYG114擴(kuò)眼器，最大伸展直徑達(dá)320 mm，通過(guò)井徑測(cè)井驗(yàn)證該擴(kuò)眼器的使用效果。2-sy02鉆孔井徑測(cè)井曲線見(jiàn)圖6，6-sy03鉆孔井徑測(cè)井曲線見(jiàn)圖7。

由圖6和圖7可以看出，2-sy02礦層段部分區(qū)域擴(kuò)孔不理想，但均大于原裸孔孔徑，最大孔徑達(dá)317.6 mm，6-sy03礦層段擴(kuò)孔較均勻，最大孔徑達(dá)318.3 mm。通過(guò)對(duì)井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析得出，利用擴(kuò)孔器對(duì)礦層位置進(jìn)行擴(kuò)孔，井徑增加了20～25 mm，井徑變化系數(shù)為1.0～1.1，擴(kuò)孔效果對(duì)比見(jiàn)表4。

圖6 2-sy02井徑測(cè)井曲線Fig.6 2-sy02 caliper log

圖7 6-sy03井徑測(cè)井曲線Fig.7 6-sy03 caliper log

表4 擴(kuò)孔效果對(duì)比Table 4 Contrast of reaming effect

孔號(hào)過(guò)濾器位置/m擴(kuò)孔位置/m擴(kuò)孔前井徑/mm擴(kuò)孔后井徑/mm井徑變化系數(shù)2-sy02248.50～259.00248.20～259.25236.50258.501.096-sy03248.50～263.50248.80～262.75236.50259.801.10

經(jīng)空壓機(jī)洗井驗(yàn)收，試驗(yàn)2-sy02工藝孔抽水量為14.22 m3/h，試驗(yàn)6-sy03工藝孔抽水量為11.00 m3/h，超過(guò)了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(抽出井單孔抽液量≥8 m3/h)。目前，兩個(gè)鉆孔在滿負(fù)荷運(yùn)行(潛水泵頻率為50 Hz)的情況下，2-sy02水量為8.08 m3/h，6-sy03水量為9.23 m3/h，滿足使用要求。

6 結(jié) 論

1) 擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)符合地浸開(kāi)采的特殊需要，具有防砂、過(guò)濾器可更換、抽注液水量大的特點(diǎn)；可更換式過(guò)濾器的使用不僅簡(jiǎn)化了施工工序，而且實(shí)現(xiàn)了地浸采鈾鉆孔施工的“提質(zhì)、增效、降耗”。

2) 擴(kuò)孔式鉆孔結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用，形成了一套適合我國(guó)砂巖鈾礦浸出特點(diǎn)的鉆孔結(jié)構(gòu)，具有廣泛的推廣前景。

3) 可實(shí)現(xiàn)井網(wǎng)優(yōu)化重組、抽液孔和注液孔相互轉(zhuǎn)換，從而改變液流運(yùn)移方向，消除了溶浸死角；浸出劑與目標(biāo)礦物的有效接觸，預(yù)計(jì)提高鈾資源浸出率10%～15%以上，可延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，并為地下水治理提供技術(shù)支撐。