水力喷砂割缝工艺在地浸钻孔施工中的应用

张 渤，闫纪帆，季扬威，李喜龙，孙希龙

(中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽028000)

地浸钻孔是溶浸液和浸出液的运移通道，过滤器的建造方式决定了钻孔结构特点。目前，国内地浸铀矿山主要采用填砾式钻孔结构，这种钻孔结构首先安装过滤器，在过滤器外充填砾石，最后采用水泥浆对套管进行固井封孔。通过应用实践发现，填砾式钻孔结构的出水量较小，并且在生产过程中需要进行频繁洗井[1]。随着砂岩型铀矿床的勘探开发，地浸铀矿山的生产能力逐年提高；并且铀矿体往往呈多层分布，对于多层矿体开采的主要方法是单独施工，单独开采，生产成本较高。笔者采用割缝工艺建造过滤器，探索水力喷砂割缝工艺在地浸钻孔的适用性。

1 地浸钻孔结构

地浸采铀钻孔结构的主要区别在于过滤器的建造形式，本次试验采用一径到底的方式。全孔下放套管，利用逆向注浆固井封孔[2]，在套管内下入水力喷砂设备，对矿层段套管、固井水泥环进行切割施工[3-4]，并将地层射穿，打通套管内部与外部含矿含水层的水力联系，最后下入可更换过滤器和沉沙管，再使用隔塞固定过滤器，如图1所示。

2 割缝室内试验

试验采用水力喷砂进行割缝施工，即在溶液中加入固体颗粒，混合溶液在压力作用下喷出，混合溶液冲击摩擦井壁，从而达到切割井壁，使井壁

内外联通的目的[5-6]。为保证割缝施工效果，固体颗粒需具有一定硬度和较小的粒径，同时溶液应具备一定黏度，避免固体颗粒沉降。液体喷射原理如图2所示。

割缝作业必须保证套管内外水力联系相通，因此，作业施工必须在一定压力下完成。但是，作业压力过大或过小都会影响割缝效果，当施工压力过大时，液体由一定直径的喷嘴喷出，由于扩散角的存在，实际割缝宽度大于喷嘴直径。根据流体力学原理，施工压力越大，实际割缝宽度越大，甚至破坏套管[7]。当施工压力过小时，不利于打开套管内外水力联系。

图2 液体喷射结构原理

室内试验制作厚度为20 cm的水泥板，模拟套管外固井水泥环条件，采用20～30 MPa压力，在地表进行淹没割缝施工，喷嘴规格为3.5 mm，割缝混合液由瓜胶和70目石英砂混合制成，石英砂质量分数为10%，不同压力下的割缝效果如图3所示。

a—20 MPa；b—27 MPa。图3 不同压力下的割缝效果

试验结果表明：当切割压力为20 MPa时，能够切割水泥模块，并形成完整孔隙；当切割压力高于25 MPa时，造成水泥模块损坏。因此，现场试验切割压力选择为20 MPa。

3 现场割缝试验及结果

3.1 施工条件和参数

1)施工条件。与辽河油田钻采工艺研究院联合实施现场试验。对4个钻孔进行割缝施工，割缝施工区段为410～430 m。试验设备包括增压装置1台，混砂装置1台，井口密封装置1套，割缝器1套，电动升降装置1台。首先在混砂装置内配制溶液，按比例加入石英砂，再将混合液输送至增压装置，经过管柱由割缝器喷嘴喷出，最后利用电动升降装置缓慢调整割缝位置，完成割缝作业。割缝施工流程如图4所示。

图4 割缝施工流程

割缝管柱采用钻杆连接，喷枪移动速度由速度控制器控制，为保证施工安全，设备操作均由计算机或遥控器控制。采用的喷枪最多可安装3个喷嘴，可以多条缝同时施工，也可以单条缝施工。施工压力为20 MPa，控制喷枪移动速度分别为50、100、150 mm/min。基本施工条件和参数见表1，割缝增压及混砂装置如图5所示。

表1 基本施工条件和参数

图5 割缝增压及混砂装置

2)钻孔割缝施工。通过观察井口返出物，初步确定套管及水泥环存在不同程度的损坏。其中：SC-Y105孔共计施工2次，首先采用3.5 mm喷嘴，3条缝同时施工，通过观察地表返出物，套管和水泥碎屑含量较少，初步判断套管未完全切割；再次采用5.5 mm喷嘴进行单条缝施工，地表返出物套管碎屑和水泥碎屑明显增多。钻孔施工参数见表2，井口返出物如图6所示。

表2 钻孔施工参数

图6 井口返出物

3.2 割缝效果检测评价

3.2.1电流测井

根据电流测井曲线，分析套管完整性，判断套管状态。电流测井曲线平滑，无波动，无电流异常出现，表明套管完整性良好。当电流测井曲线出现单个点的异常波动时，若电流异常幅度值与对应正常电流值的比值介于1～2，表明套管该处发生渗漏；若该比值大于2，表明套管该处出现较大程度的破损。经过电流测井检测，4个钻孔矿层段电流异常峰值与对应正常电流值的比值均大于2，表明矿层段套管已破损，表明水力喷砂割缝达到了试验预期效果。电流测井曲线如图7所示。

图7 电流测井曲线

3.2.2井下电视检查

井下电视由控制计算机、卷扬装置、信号传输线、摄像头组成，该系统采用光学成像原理，利用人工光源照射井壁，由信号传输线传送至地表控制计算机，能够直观检测矿层段套管切割情况，形成完整影像资料。通过井下电视检查割缝情况，4个钻孔均存在明显缝隙，如图8所示。

3.2.3压缩空气洗井

压缩空气洗井的主要目的是验证套管和水泥环切割程度是否能够满足生产要求。钻孔内安装可更换过滤器后，将风管下放至矿层段上部50 m处，利用空压机输送压缩空气，孔口出水连续稳定后，采用三角堰法测量钻孔出水量。经过水量验收，最小出水量为10.69m3/h，最大出水量为16.05 m3/h，结合大孔径填砾钻孔结构验收水量和生产水量，割缝施工水量能够满足生产需求。洗井试验参数及结果见表3。

图8 井下电视检查割缝效果

表3 洗井试验参数及结果

4 结论

水力喷砂割缝技术作为一种先进的过滤器建造方式，在地浸钻孔的应用尚属首例。研究表明，该技术可以对矿层段选择性切割，在矿体多层分布的区域，可实现矿体分层开采，不仅大幅降低钻孔建设成本，还可以有效提高铀资源开采效率。

水力喷砂割缝技术虽然能够满足地浸采铀钻孔生产要求；但受试验条件和机械设备等因素的限制，需要在施工中逐步完善施工压力、割缝数量、喷枪移动速度等影响割缝效果的关键条件，以形成适用于地浸采铀钻孔施工的完整工艺流程。