地浸采铀钻孔内置过滤器反向填砾方法研究

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。

5 反向填砾现场工业试验

5.1 钻孔结构

截至目前，郎卡铀矿床共有13个试验钻孔采用了反向填砾技术，这些钻孔主要采用2种钻孔结构，分别是下裸式钻孔结构与切割式钻孔结构，见表2。

钻孔直径为φ269 mm，套管采用φ152 mm×12.88 mm PVC-U管，用相同材质的φ160 mm×15 mm管加工管箍，采用非变径结构。开采层位为三工河下段，矿层埋藏深度717～738 m，过滤器类型均为内置过滤器。

表2 采用反向填砾技术的试验钻孔

孔号为SY-02、SY-06、SY-08、SY-10、SY-15采用切割式钻孔结构，即全孔下放过滤管后逆向注浆，形成稳定开采柱。在矿层部位对PVC-U管进行切割，下放内置过滤器并进行反向填砾，形成二次成井结构。

其余钻孔均采用切割式钻孔结构，即全孔下放过滤管后逆向注浆，形成稳定开采柱。在矿层部位对PVC-U管进行切割，下放内置过滤器并进行反向填砾，形成二次成井结构。

以上2种工艺采用的过滤器类型均为内置过滤器，反向填砾技术是实现切割式钻孔结构与下裸式钻孔结构的重要技术组成部分。

5.2 内置过滤器的制作

内置过滤器组件管材全部为PVC-U管，如图5所示。过滤管按常规方法加工并外套环形外骨架；过滤器下部为3 m的沉砂管，沉沙管底部连接内置过滤器反向填砾装置；过滤器上部长度应大于2 m，留出充分的空间缠绕膨胀胶带。

在内置过滤器上部缠绕2道膨胀止水胶带，膨胀止水胶带最大厚度需小于套管内径。将缠绕膨胀止水胶带的内置过滤器下入钻孔的设计位置后静置12 h，待膨胀胶带充分膨胀，然后将内置过滤器固定在套管中。

图5 内置过滤器示意

5.3 反向填砾工序试验

现场进行反向填砾工序试验和验证。

1)洗孔。清水软管接到φ50 mm填砾管上，泵入清水清洗过滤器环空。

2)准备人工砾料。HDPE塑料砾使用前用5.0 mm的网筛筛分，再用清水清洗干净。

3)填砾。加入塑料砾，填砾过程不允许断水，非事故状态下不能停止填砾管内水的流动；按预算的砾量投完后，继续开泵15 min，将填砾管及单向阀中的砾料冲洗干净。

4)提出填砾管。填砾管和内置过滤器采用反向螺纹固定，因此顺时针旋转填砾管，使填砾管和内置过滤器分离，提出填砾管。

5.4 试验效果

各钻孔经过空压机洗孔后的抽水量见表3。

表3 试验钻孔水量

下裸式结构钻孔的最小抽水量为7.56 m3/h，最大抽水量为8.62 m3/h，平均抽水量为7.98 m3/h；切割式结构钻孔的最小抽水量为7.06 m3/h，最大抽水量为8.62 m3/h，平均水量为7.80 m3/h。2种结构钻孔的抽水量均超过验收标准要求的6 m3/h水量。

6 结论

1)在丝扣式、弹簧式等单向阀结构基础上，以扭簧带动挡板形式作为主要结构设计地浸采铀钻孔反向填砾工具。

2)HDPE颗粒比PP颗粒与载体密度更接近且小于载体密度，是比较理想的人造砾料。

3)对郎卡矿床试验孔应用反向填砾技术，无论是切割式钻孔结构，还是下裸式钻孔结构，钻孔抽水量均超过验收标准。

4)地浸采铀钻孔内置过滤器反向填砾技术解决了常规填砾方法无法完成内置过滤器外围填砾的技术难题，延长了内置过滤器的使用年限，对超深采铀钻孔、多层采铀钻孔及钻孔修复技术的完善具有重要意义。