提高低渗透铀矿床地浸采铀钻孔涌水量的成井工艺研究

宗绪永，李柏军

（核工业二四〇研究所，辽宁 沈阳 110032）

0 前言

在砂岩型铀矿床的地浸钻孔施工中，泥浆冲洗液的加入使得地层压力失衡。如何防止钻孔漏失，减少冲洗液对地层的扰动，同时又不破坏含矿层的原始渗透性，减小冲洗液对矿层造成的污染，成为地浸工艺钻孔施工和成孔的关键。

钻进时钻孔内的水柱压力通常高于含矿含水层的水柱压力，泥浆中的粘结物和细小颗粒在水位差的作用下向矿层渗透，渗透距离随水位差的增大而增大。泥浆颗粒渗入矿层深度可达0.03～0.3m［1］，水头小、埋层深的矿层渗透的范围更大，甚至渗透至邻近钻孔。泥浆颗粒渗入矿层后会逐渐膨胀，进而堵塞岩石孔隙，降低和恶化了岩石的天然渗透性。在使用不合理比重的泥浆钻进时，矿层的渗透系数可降低50%以上，钻孔涌水量减少50～70%［1］。为提高地浸采铀质量，钻孔涌水量的成井工艺是我们研究的课题。

1 矿层泥浆比重设计

1.1 最优泥浆比重计算

钻孔的施工过程，是以钻头不断破碎岩石揭露岩层并逐渐钻进完成的，钻孔的形成使地层裸露于孔壁上。钻孔与地层之间的压力平衡问题对矿层的渗透性有很大的影响，计算和评价地层压力为泥浆比重设计提供重要依据。

矿床在埋深不大时，最小的地层破裂压力等于地层压力，最大的地层破裂压力等于上覆盖岩层压力。较致密的岩层段地层破裂压力很高，而松散或疏松岩层段，冲洗液静液压力只要达到地层压力就可能出现地层破裂，造成钻孔漏失，这种情况在钻探施工中经常发生。

在原始静水位较低的砂岩铀矿床钻孔施工中，钻孔冲洗液的比重对地层平衡的控制尤为重要。须根据监测地层压力确定钻孔冲洗液密度：

式中：H 为孔深，m；ρ为冲洗液密度，g／cm3；P 为监测的地层压力，MPa。

P可按潜水面位置与孔深H 的水位压差计算。在计算ρ结果较低，普通膨润土泥浆比重无法满足ρ大小时，可采取以泡沫泥浆作为冲洗液的负压钻进技术。

1.2 负压钻进技术

在地浸工艺钻孔施工中，依据地层条件积极应用负压钻进技术，以减小冲洗液对矿层天然渗透性的影响。负压钻进是指钻进过程中，钻孔内的水（液）位要比含矿含水层中的地下水原始水位低，即钻孔内孔壁某处所承受的孔内水柱压力低于含矿含水层地下水产生的压力，从而使冲洗液颗粒不会向矿层渗入的钻进技术。相反，含矿含水层的地下水在水柱压差的作用下不断涌入孔内，清洗孔壁及孔壁附近矿层，在钻进过程中不易形成泥皮结垢，可以加快钻进速度。负压钻进技术的应用前提是岩层结构稳定，岩层不稳定时可通过模拟试验精确计算，严格控制钻速和钻压，以避免负压钻进过程中产生塌孔等孔内事故。

采用泡沫负压钻进工艺可实现矿层部位的负压钻进，钻进速度快，冲洗液携粉性能好，可有效避免冲洗液进入并污染含矿含水层，保持含矿含水层的天然渗透性。

2 矿层局部扩孔工艺

在钻进过程中，泥浆的失水导致孔壁上形成致密的泥皮，冲洗液静液压力越大、裸露时间越长，泥皮越厚。泥皮可有效地保持地层压力的平衡，泥皮的形成也是冲洗液中粘土颗粒向含矿含水层渗透的过程，对含矿含水层的渗透性却造成了很大损害。因此在成孔后利用矿层部位局部扩孔工艺将泥皮和较致密的孔壁切削掉，可以很有效恢复矿层的天然渗透性。

矿层通过局部扩孔后，钻孔的过水面积增大，从而增大钻孔涌水量。同时过滤器和孔壁之间的环形空间增大，填入的砾石料在过滤器和孔壁之间形成渗透性良好的人工过滤层，减少地下水进水时产生的沿程水头损失，防止孔壁坍塌和过滤器堵塞，延长地浸钻孔的使用年限。

美国地浸铀矿山矿层段扩孔可分为两种形式，无套管扩孔和有套管扩孔。无套管扩孔是将套管下入至矿层顶板，利用水泥注浆封孔，然后在套管内下入扩孔钻头将矿层段孔径扩大。有套管扩孔是先下入套管，注浆后利用扩孔钻头将矿层段套管、水泥、矿层切掉形成裸孔，再下入过滤器，目的是人为缩短过滤器长度，获得较高浸出液铀浓度。

新疆一些铀矿床在矿层段局部扩孔施工中主要采用偏心钻头式扩孔器，取得了很好的效果，该方法简单易行，通过矿样静压渗滤试验预测冲洗液的动压渗滤深度，进而设计最优的扩孔器参数。

3 空压机洗井参数的优化

洗井是成井工艺中最后的工序，可分为活塞洗井和空压机洗井。洗井质量的好坏，直接影响钻孔的涌水量。活塞洗井是通过在套管内下入比套管外径小10mm左右的橡胶活塞，活塞连接在投砾管最低端，利用升降机上下提拉活塞，同时开泵冲洗，通过抽吸和冲洗作用，破坏过滤器周围泥皮，疏通含水通道，并冲洗排净管内泥砂。

空压机洗井是利用空气压缩机将压缩空气送入孔内地下水以下，形成气水混合物，利用地层压力将这种连续不断的气水混合水挤压上来。这种空气提升过程是基于连通器原理，当压缩空气经气管进入抽液管中时，气与水混合成密度比水小的乳状混合物，其在地层压力作用下上升至地表。在已知矿层地层压力P0和原始水位深度时，乳状混合物密度可计算：

式中：h为原始水位深度，m；ρ混为乳状混合物密度，g／cm3；P0为地层压力，MPa。

可通过加入发泡剂调整乳状混合物密度，并保持有足够的风量，使上升溶液形成良好的气水混合物。送气管和抽液管也形成连通器，抽液管中的液体不断上升，送气管中的风压也不断上升，洗井时所需的风压等于风管压力损失与地表到风管插入深度的液柱压力之和。

4 逆向投砾法

逆向投砾法在国外应用很广泛，这种投砾方法可保证过滤器周围砾石均匀密实。过滤器底端设有两个反向单向阀，投砾管要穿过这两个单向阀。投砾时用泵将水和砾石的混合物通过投砾管注入到矿层位置，投砾结束后将投砾管提出，关闭过滤器下端的两个单向阀，保证过滤器底端封闭，过滤器下部不设有沉砂管。

我国尚未尝试逆向投砾法，正向投砾法投砾或地表直接投砾的方法很难准确控制投砾量和投砾高度。2000年我国在某地浸现场开展了可更换式过滤器的试验，取得了初步成功。可更换的过滤器在叠圈过滤器的顶端设有挂钩的螺纹管，实现下入和取出过滤器。过滤器更换迄今为止尚未在生产中应用，过滤器堵塞现象时有发生，开展过滤器更换技术的研究有重要意义。

5 逆向注浆技术

逆向注浆技术是指在套管的中央利用钻杆压浆，从人工隔塞对应的位置射入水泥浆，水泥浆由下至上均匀填充在环状空间中的封孔注浆方式。如图所示，图中逆向注浆器6与注浆管3相连，首先注浆器从UPVC套管4中被送到与人工隔塞9上部相对应的灌浆部位。压浆泵开启后，注浆器人工隔塞封闭套管柱上下过水通道，水泥浆只能沿着套管上预留的喷射孔7射入套管与孔壁之间的环状空间，并逐渐填充至孔口，完成封孔注浆工艺。注浆完成后止回8装置封闭套管上的水泥浆入口，注浆器可安全提出。

图1 逆向注浆法示意图

2000年起我国已着手逆向注浆的现场试验，但到目前为止还未在生产中应用。对于这项关键的钻孔施工技术，需进一步研究。

6 结束语

（1）泡沫钻井液泡沫质量好，气体含量高，具有密度低、滤失量少、携粉能力强、钻速快、对地层伤害小等特点，对渗透率低、易受泥浆伤害的矿层有很好的低伤害钻进效果，我国铀矿床应用泡沫负压钻进技术的较少，可根据矿层广泛推广该技术。

（2）钻孔冲洗液循环时在矿层部位所形成的泥皮既厚又致密，因此矿层部位局部扩径是必需的一道工序。

（3）空压机洗井应根据矿层水位设置合适的风量和压强，泡沫洗井由于携砂能力强，很容易将孔底沉砂带出，省时高效。

（4）逆向投砾法和逆向注浆技术在国内还未推广应用，配套应用可更换式过滤器是今后我国地浸采铀技术发展的重点。

［1］史维浚.铀水文地球化学原理［M］.北京：原子能出版社，1988.

［2］苏学斌.提高低渗透性矿床地浸钻孔涌水量的方法［J］.油矿冶，2005（4）.

［3］王海峰，等.美国地浸铀矿山钻孔成井工艺及井场运行［J］.铀矿冶，2012（3）.

［4］胡柏石，等.地承压水头条件下地浸钻孔施工与成井工艺特征探讨［J］.铀矿冶，2005（8）.

［5］阙为民，王海峰，田时丰，等.我国地浸采铀研究现状与发展［J］.铀矿冶，2005（3）.