扩孔式钻孔在内蒙古地浸铀矿的应用

李喜龙，张 勇，张 渤，高险峰，季扬威

(中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

地浸工艺钻孔是浸出剂进入砂岩铀矿床和浸出液提升至地表的唯一通道，它决定浸出剂能否充分与矿层中的铀矿物发生反应，在地浸采铀中占有举足轻重的地位。地浸钻孔的施工成本和质量在很大程度上决定了地浸开采的技术经济可行性、开采的合理性和有效性。目前，我国砂岩型铀资源开采地浸钻孔以填砾式钻孔结构为主，钻孔费用占生产成本的40%～50%，降低施工成本、提高成井质量是地浸矿山发展的方向。因此，有必要对新型钻孔结构和施工工艺进行探索，以提高钻孔施工质量和降低施工成本。

1 填砾式钻孔存在的问题

内蒙古某铀矿地浸开采采用大孔径填砾结构钻孔，Ф311 mm(开孔钻头抽出井为Ф311 mm，注入井为Ф215 mm)钻头开孔，为保证物探测井的准确性，钻至含矿含水层顶板上部时，更换Ф151 mm钻头揭穿矿层，再利用Ф311 mm(扩孔钻头抽出井为Ф311 mm，注入井为Ф215 mm)钻头扩孔，依次下入沉砂管、环形外骨架过滤器和套管。为满足过滤器段渗透性，防止泥沙进入过滤器，套管与孔壁之间进行填砾，最后利用套管外注浆工艺进行固井封孔[1]。

大孔径填砾结构主要存在以下几点不足。

1) 钻孔施工质量难以保证。钻孔施工质量是影响钻孔功能的重要因素，目前采用的管外注浆和管外填砾，不仅容易损坏套管和过滤器，而且施工过程中易产生桥接，用于压力较高的注液孔风险较高。

2) 洗井效果差。地浸采铀钻孔不论是成井施工，还是生产运行，都要对钻孔进行清洗，以保证钻孔水量。洗井的主要目的是清除过滤器段的阻塞，采用的填砾钻孔结构洗井时，难以彻底清除过滤器孔隙及填砾层内的阻塞物，难以定向分析过滤器段的清洗效果。

3) 资源回收率低。目前，国内地浸矿山的金属回收率为75%左右，部分资源不能回收。不能开发利用的根本原因是抽注液井功能不能实现互换，造成浸出剂在矿层运移的过程中，存在溶浸死角，导致部分资源不能被利用。

4) 钻孔施工成本高。填砾结构钻孔采用正向注浆工艺，注浆过程中要在套管与孔壁形成的环形空间内下入注浆管，间接扩大了裸井尺寸，造成钻孔施工进度慢，水泥、石英砂等材料消耗大，在人工成本一定的情况下，钻孔施工成本高。

2 扩孔式钻孔结构在国外的应用现状

2.1 钻孔结构与施工

美国地浸矿山的抽注液钻孔无论是结构还是直径上完全相同。得克萨斯州Kingsville Dome矿山和Palangana矿山，钻孔施工时先以直径100～150 mm钻头开孔钻穿矿层至底板，然后再用直径175～250 mm钻头钻至矿层顶板，下入套管，注浆后在套管内下入扩孔钻头将矿层段扩大至直径330 mm，如图1所示。怀俄明州的Christensen矿和Smith Ranch钻孔结构和施工程序也与此相同[2]。

图1 美国Kingsville Dome矿山和 Palangana矿山钻孔结构Fig.1 Drilling structure of the Kingsville Dome mine and the Palangana mine in the United States

美国怀俄明州Highland矿山钻孔与上述施工相反，先用直径200～250 mm钻头钻到矿层顶部，再换直径130 mm钻头钻穿矿层。下入套管，水泥注浆后在套管内下入钻头对矿层扩孔至直径280 mm。

2.2 矿层段扩孔工艺

美国地浸矿山矿层段扩孔可分为两种形式，无套管的扩孔和有套管的扩孔。有套管的扩孔式结构将套管下至矿层顶板，并水泥注浆封孔，然后从套管内下入扩孔钻头将矿层段直径扩大。扩孔钻头侧边设有可张开扩孔刀具，前端安装钻进钻头，既能将矿层段直径扩大又能获得进尺。

扩孔钻头上端与钻杆连接，在无压力下呈收缩状态，扩孔时将其从套管内下入至扩孔段。扩孔过程中由地表泥浆泵对泥浆加压，在压力作用下驱使刀具张开，完成扩孔操作。扩孔期间泥浆一直保持在压状态，扩孔结束后停止加压，刀具自动收缩，从套管内提出。

2.3 过滤器形式

美国铀能源公司使用的过滤器为缠丝式。通过热熔将塑料丝缠绕在过滤管的外围并固定，过滤器内管上钻有直径10 mm的孔，孔隙率30%。优点是整体性好、强度高。过滤管外缠绕的是一根连续不断的塑料丝，增强了内管的强度。两圈相邻缠丝的缝隙由丝直径和缠紧程度控制，适应不同矿层的需要。

3 我国扩孔式钻孔结构和施工工艺

3.1 扩孔式钻孔结构

试验钻孔采用一径到底的结构(为了物探测井在接近矿层时需要变径)，钻孔结构见图2。裸眼孔开孔直径为Ф215 mm，采用浓泥浆钻进，为加快钻进速度，在保证孔斜达标的前提下，采用大泵量、高钻压、中等转速的高效钻进方法进行钻进。

图2 扩孔式钻孔结构Fig.2 Reaming drilling structure

套管采用Φ148 mm×10 mm PVC-U管，用相同材质的Φ160 mm×15 mm管加工的管箍连接,不设过滤器段。下管之前，根据矿层的测井情况组装内置过滤器，并根据测井数据计算沉砂管长度。过滤器与沉砂管连采用尼龙棒管材加工的管箍连接。

3.2 施工工艺

扩孔式钻孔结构根据施工顺序依次分为裸孔钻进、套管安装、注浆工艺、孔内钻进及扩孔、可更换过滤器安装和洗孔六个工序。

1) 裸孔钻进。钻孔施工开始之前，必须根据铀矿床详查地质报告，确定矿体层位，为钻进施工提供初步设计参数。钻进采用牙轮钻头开孔，钻进至矿层上部更换钻头，钻进至设计深度进行综合物探测井确定矿层位置、过滤器安装位置及长度，最后更换新鲜钻井液。

2) 套管安装。采用Φ148 mm×10 mm PVC套管，由于裸孔形成的环形空间较小，为保证套管顺利下放，逆向注浆顺利进行，同时不破坏裸孔孔壁，在套管底部预留注浆孔，并将套管底部进行斜切面处理，防止套管下放出现卡管现象。

3) 注浆工艺。注浆固井采用预留孔逆向注浆方法，固井液采用普通硅酸盐水泥。在套管内下入注浆管至预留注浆孔位置后，将地表套管孔口封闭，并在注浆管上安装阀门、压力表和排气阀，计算注浆管内新鲜钻井液体积；将注浆管与注浆泵连接，注入与注浆管相同体积的清水，替换出注浆管内钻井液；开始注入水泥浆，利用裸孔扩大系数计算水泥浆用量，孔口返出固井液后，再次向注浆管内加注与注浆管1.1倍体积的清水，关闭注浆管上的阀门；随着固井液固化，注浆管压力缓慢降低，根据连通器原理，当压力表读数为零时，说明固井液已基本固化，提出注浆管，完成注浆固井工艺。

4) 孔内钻进及扩孔。孔内钻进及扩孔是在套管内下入钻具至套管底端，施工前必须配置新鲜钻井液，根据钻杆特点制作套管保护装置，以减小施工过程中钻杆对套管的损坏。扩孔孔径≥240 mm。

5) 可更换过滤器安装。根据矿层厚度配置可更换过滤器，过滤器下端连接沉砂管，过滤器上端连接提升装置。可更换过滤器从套管内下入，并在过滤器提升装置上安装橡胶隔塞，橡胶遇水膨胀后与套管形成挤压，用于固定过滤器。为减小过滤器在下放过程中受到的损坏，过滤器上下两端安装保护装置。

6) 洗孔。采用压缩空气洗井方法，由上至下逐级进行洗井，风管下放至可更换式过滤器上端，当洗井水量和含沙量满足验收标准时，停止洗孔作业。

4 关键技术

4.1 内置过滤器的研发

过滤器是地浸采铀工艺钻孔的咽喉，过滤器防砂性能和过水量是关键指标。内置过滤器主要由衬管和贴砾层组成，衬管材质可选钢管或UPVC管，在衬管壁上粘贴陶粒贴砾层[3]。内置过滤器结构如图3所示。

贴砾层陶粒的粒度和厚度决定防砂性能，砾层孔隙率和渗透系数的大小主要与滤料的粒径大小和密实度有关，随着滤料粒径的增大其孔隙率逐渐降低，渗透系数增大。在实际应用中应根据不同含水层(组)合理选择不同规格的贴砾过滤器[4-5]。球形陶粒滤料直径选用规格见表1。

图3 内置过滤器结构Fig.3 Built-in filter structure

表1 球形陶粒滤料直径选用规格Table 1 Selection specification of the diameter of spherical ceramic filter material

含矿含水层岩性粉细砂细砂中粗砂粗(砾)砂含水岩层砂砾粒度范围/mm0.05～0.10.1～0.250.25～10.5～2适宜的陶粒颗粒粒径范围/mm0.5～1.51.6～2.52～42～5陶粒贴砾层孔隙率/%37353331陶粒贴砾层渗透系数/(cm/min)0.841.703.775.66

4.2 含矿层扩孔工艺

4.2.1 套管保护器

扩孔式钻孔结构施工过程中，逆向注浆完成后进行管内钻进和扩孔，扩孔的目的是减小对矿层的损伤，使矿层最大限度接近原始状态，有利于提高过滤器段的过流面积。含矿层扩孔工艺关键技术是钻进过程中钻杆对套管的损伤，管内钻进采用Φ60 mm钻具+Φ117 mm钻头钻至设计深度，为防止钻杆损伤套管，在钻杆上加装保护器，整个装置采用内径略大于钻杆外径，外径尺寸为Φ110 mm，每两根钻杆加装一个保护器，为获得较高的强度，选择为尼龙材质。套管保护器见图4。

扩孔工艺的不同点是国外在钻进施工时无需加保护器，而国内需在钻杆上加装特制的套管保护器，避免在钻井时损伤套管，分析其原因是国外用钻杆规格较国内大，目前国内对于450 m孔深钻进均采用Φ60 mm钻杆，而国外钻杆尺寸均大于Φ100 mm。钻杆规格大，在钻进过程中绕曲度较小，井斜较小，扰动相对小。

4.2.2 扩孔器

扩孔器采用KYG型扩孔工具为水力式扩孔工具。主要由上接头、节流水嘴、进刀杆、复位弹簧、刀片等部件组成[6]。KYG型扩孔器结构见图5。

图4 套管保护器结构图Fig.4 Casing protector structure diagram

图5 KYG型扩孔器结构图Fig.5 KYG reamer structure diagram

5 应用效果及评价

5.1 应用实例

本次现场试验施工两个工艺钻孔，分别是2-sy02钻孔和6-sy03钻孔，试验全部采用扩孔式钻孔结构，全矿段建造内置过滤器方案。

1) 试验2-sy02钻孔。试验孔含矿含水层为姚家组下段(K2y1)，深度244.90～268.05 m，厚度为23.15 m，岩性主要为粉砂质泥岩和细砂岩。钻孔设计采用切割矿层位置，内置过滤器的方式。祼孔成孔后，在含矿层上部下放无过滤器的套管，逆向注浆，注浆36 h后切割含矿段，洗孔后下放内置过滤器。过滤器长度为10.5 m，下放位置正对切割位置，即248.5～259.0 m。过滤器上部安装过滤器提升装置，提升装置由两组相距1 000 mm的膨胀橡胶和内管构成，内管切割成灯口扣，过滤器下部连接沉砂管。含矿含水层具体参数及过滤器设计位置见表2。

2) 试验6-sy03钻孔。试验孔含矿含水层为姚家组下段(K2y1)，深度250.10～259.20 m，厚度为9.10 m，岩性主要为粉砂质泥岩和细砂岩。钻孔安装设计钻孔采取切割矿层位置，内置过滤器的方式。祼孔成孔后，在含矿层上部下放无过滤器的套管，逆向注浆，注浆36 h后，切割含矿段矿层，洗孔后下放内置过滤器。过滤器长度为15.0 m，下放位置正对切割位置，即248.5～263.5 m。含矿含水层具体参数及过滤器设计位置见表3。

表2 2-sy02钻孔含矿含水层具体参数及过滤器 设计位置表Table 2 Table of specific parameters and filter design position of mineral bearing aquifer of 2-sy02 drill hole

表3 6-sy03钻孔含矿含水层具体参数及过滤器 设计位置表Table 3 Table of specific parameters and filter design position of mineral bearing aquifer of 6-sy03 drill hole

5.2 效果评价

本次扩孔设备为KYG114扩眼器，最大伸展直径达320 mm，通过井径测井验证该扩眼器的使用效果。2-sy02钻孔井径测井曲线见图6，6-sy03钻孔井径测井曲线见图7。

由图6和图7可以看出，2-sy02矿层段部分区域扩孔不理想，但均大于原裸孔孔径，最大孔径达317.6 mm，6-sy03矿层段扩孔较均匀，最大孔径达318.3 mm。通过对井径测井数据分析得出，利用扩孔器对矿层位置进行扩孔，井径增加了20～25 mm，井径变化系数为1.0～1.1，扩孔效果对比见表4。

图6 2-sy02井径测井曲线Fig.6 2-sy02 caliper log

图7 6-sy03井径测井曲线Fig.7 6-sy03 caliper log

表4 扩孔效果对比Table 4 Contrast of reaming effect

孔号过滤器位置/m扩孔位置/m扩孔前井径/mm扩孔后井径/mm井径变化系数2-sy02248.50～259.00248.20～259.25236.50258.501.096-sy03248.50～263.50248.80～262.75236.50259.801.10

经空压机洗井验收，试验2-sy02工艺孔抽水量为14.22 m3/h，试验6-sy03工艺孔抽水量为11.00 m3/h，超过了验收标准(抽出井单孔抽液量≥8 m3/h)。目前，两个钻孔在满负荷运行(潜水泵频率为50 Hz)的情况下，2-sy02水量为8.08 m3/h，6-sy03水量为9.23 m3/h，满足使用要求。

6 结 论

1) 扩孔式钻孔结构性能指标符合地浸开采的特殊需要，具有防砂、过滤器可更换、抽注液水量大的特点；可更换式过滤器的使用不仅简化了施工工序，而且实现了地浸采铀钻孔施工的“提质、增效、降耗”。

2) 扩孔式钻孔结构成功应用，形成了一套适合我国砂岩铀矿浸出特点的钻孔结构，具有广泛的推广前景。

3) 可实现井网优化重组、抽液孔和注液孔相互转换，从而改变液流运移方向，消除了溶浸死角；浸出剂与目标矿物的有效接触，预计提高铀资源浸出率10%～15%以上，可延长矿山服务年限，并为地下水治理提供技术支撑。