新疆某铀矿床钻井内置过滤器技术研究

易志刚，路乾乾，熊 威，王旨儒，王红义，孙 浩，马富青

(新疆中核天山铀业有限公司，新疆 伊宁 835000)

在地浸采铀工艺流程中，地浸钻井不仅起着矿床开拓和抽注液通道的作用，还起着监控溶浸液在矿层中的渗透情况和调控抽注液量等作用[1]。

新疆某铀矿床首采段生产采区的地质条件复杂，地层渗透性差，碳酸盐含量及地下水矿化度较高。该采区在采用硫酸和碳酸氢铵浸出过程中，均出现了严重的矿层化学堵塞问题，钻孔抽注液能力显著下降，浸出液铀浓度偏低；这严重地影响了铀的地下浸出过程[2]。针对该类高矿化度条件下CO2+O2地浸过程中的水岩作用及硫酸钙、碳酸钙沉淀饱和机理进行了较深入地研究，并提出淡化地下水以降低其硬度的浸出工艺流程[3-7]。

该矿床矿层赋存位置变化较大，生产钻井深度范围在150～200 m。为维持产能，在运行过程中，经常对钻井进行空压机脉冲洗井、机械活塞洗井以及化学洗井。洗井过程会对钻孔造成一定的破坏，尤其在过滤器位置。经计算，该矿床因洗井造成过滤器破坏的钻井数的占比为3.0%。这会导致相应生产采区的浸出率偏低，服务年限延长。

随着钻井技术的不断发展，可更换过滤器技术在地浸钻孔成井中的应用受到广泛重视；但不同的铀矿山具有不同的地质及水文地质条件，可更换过滤器的形式及安装方法有所区别。笔者以新疆某矿床因洗孔破坏的钻井过滤器为例，根据实际的地质、水文地质条件，采用二次钻进、优化切割刀具结构、设计制作内置过滤器铆固装置等方法，以期解决过滤器修复难题，为在地浸矿山全面推广内置过滤器技术提供技术支撑。

1 工艺现状及存在的问题

1.1 内置换过滤器工艺现状

内置过滤器技术是二次成井工艺的重要组成部分，即在钻井施工过程中，在完成裸眼钻进、下套管、注水泥固井作业后，以测井数据为依据，完成钻井含矿层位的切割、内置过滤器安装、反向投砾作业等工序。该技术具有以下优点：1)能够准确定位并安装内置过滤器，进而确保投砾段准确；2)在大规模施工钻井时，可先施工钻井，根据全部钻井的见矿情况，统一设计过滤器位置，降低单井过滤器设计导致整个采区过滤器位置的偏差率。

目前，内置过滤器在地浸钻井中主要应用于新钻井成井和已破损的生产钻井修复中。无论是哪种类型的钻井，其工艺流程基本为：破坏原钻井过滤器(或盲管)及砾石层→将破坏后的PVC碎料及砾石返出地面→安装内置过滤器→重新填入砾石层。

1.2 内置过滤器式钻井关键施工参数

1)主要设备：采用XY-1500车载钻机完成内置过滤器工艺的施工，包括原过滤器的切割、内置过滤器的下放和过滤砾料的充填，发挥其机动灵活的优点，提高效率；采用BW250/50泥浆泵，最大压力7.0 MPa，最大流量250 L/min，最大功率18 kW。2)钻井液：利用膨润土、腐殖酸钾等根据不同情况调节钻井液密度和黏度。3)钻杆：抽液井使用φ60 mm钻杆，注液井使用φ50 mm钻杆，反向投砾时使用φ40 mm投砾管。4)切割刀具：注液井钻孔切割采用φ180 mm、φ220 mm刀具切割和扩孔；抽液井采用φ280 mm、φ320 mm刀具切割和扩孔。5)反向投砾工具：使用地浸钻井专用反向投砾装置(单向阀)。6)人造砾石层：使用线性低密度聚乙烯颗粒。7)过滤器：注液井内置过滤器使用φ75 mm×12 mm PVC管材，在管材上采用φ2.5 mm的钻头打孔，孔距为0.5 cm，外裹不锈钢纱网；抽液井内置过滤器使用φ90 mm×12 mm PVC管材，在管材上采用φ2.5 mm的钻头打孔，孔距为0.5 cm，外裹环形骨架。

1.3 内置过滤器在使用中存在的问题

1.3.1 环形骨架切碎及返出地表难

原抽、注液钻井的过滤器均为圆井式外套环形骨架过滤器。在切割过程中，从井口钻井液携带出的返出物可以看出：抽液钻井过滤器的PVC筛管被切成面积约2 m2、厚度约0.1～0.2 cm的碎片，套在PVC筛管外的环形骨架大约80%以上被切成厚度约0.1 cm、宽约1.5 cm、弧长约2～25 cm的碎块；注液钻井过滤器上的PVC筛管被切成面积约1 cm2、厚度约0.1～0.2 cm的碎片，套在PVC筛管外的环形骨架也是大概80%以上被切成厚度约0.1 cm、宽约1.5 cm、弧长约2～15 cm的碎块。

在切割过程中，切割段的过滤器及外围的石英砂被切除后切割段呈瓮状，在瓮口部即PVC井管的上部切口处井径较小(抽液井内径128 mm、注液井内径80 mm)，且井管内有钻杆(抽井用直径60～78 mm钻具，注井用50～65 mm钻具)，致使瓮口部空间为一个平均宽度25～34 mm(抽液井)或7.5～15 mm(注液井)的环状间隙。该环状间隙用于输送切割过程中产生的环形骨架碎块和PVC管碎片，间隙相对较为狭窄。在切割过程中钻井液携带大量的环形骨架碎块和PVC管碎片向上运送至狭窄的瓮口部环形缝隙处，会有一部分遇阻积聚、堵塞，难于返出井外，进而滞留在切割位置。

1.3.2 刀具收起难

原钻井为填砾结构钻井，过滤器为石英砂层。在切割过程中，过滤器被切开后，井内大量的石英砂涌向切刀，同时还有泥砂及环形骨架碎块和PVC管碎块。当环形骨架碎屑堵塞在切割瓮口部时，石英砂被阻挡，很难返出井外，加之石英砂密度大，钻井液携带能力有限，返出更为困难。未被携带至地表的石英砂、泥砂及碎屑沉淀物悬浮在切割工作空间内，有些进入切割刀具的空隙中，挤塞和卡夹在切割刀具的刀架与壳体空隙内、刀片室内和弹簧座内，导致在切割工作完成后刀具不能正常收回，影响内置过滤器技术的正常进行。

1.3.3 内置过滤器易上移

钻孔切割工作完成后，需要重新安装内置过滤器，以便开展后期的抽注运行。因新安装的内置过滤器外径较原钻孔内径小、质量轻、密度小，在后期运行过程中，密封橡胶垫圈承受不住因抽液运动导致向上的拉力，导致内置过滤器偏移设计位置，影响后续的正常浸出。

1.3.4 污染矿层钻井液清洗难

在内置过滤器技术应用过程中，采用钻井液作为携带载体，将切碎的井管碎屑、环形骨架以及环形骨架外围的石英砂等碎屑物携带至地表，在施工过程中，钻井液不可避免会进入近井地带，影响地层的渗透性。因内置过滤器井径较小，无法在过滤器部位开展机械活塞洗井工作，而采用空压机洗井、化学洗井方法难于有效清洗出污染矿层钻井液，影响钻井后续运行水量。

2 内置过滤器技术的优化

2.1 二次钻进优化

针对钻井液无法将环形骨架碎片和石英砂全部携带至地表，碎片会沉积在钻井切割后腔体内等一系列难题，尝试了二次钻进技术，即在钻井原有的沉沙管底部再往下钻进3.0～5.0 m，以将破碎的环形骨架碎片沉积在井底，保证有足够空间放置内置过滤器和砾石层。该方法有效地解决了钻孔切割过程中环形骨架碎片大无法返出的问题，为内置过滤器技术的推广应用提供了技术支撑。

2.2 切割刀具结构优化

内置过滤器技术采用的切割刀具为自主设计的双刀片结构，如图1所示。切割刀具的顶部为活塞装置，活塞外部安装弹簧，刀片通过插销安装在活塞下部的刀架上，刀片底部为顶针装置。在刀具下放至设计位置后，操作人员通过调节钻井液泵的压力，经由活塞装置向下移动打开切割刀片，装置底部的顶针装置将刀片顶开即可进行井管切割，实现切割井管的目的。

随着井管和环形骨架的破碎，井管和环形骨架碎片、石英砂和矿层中的泥砂等大量积聚，挤塞在切割刀具空隙内，卡住刀片复位装置和堵塞刀片室，使得内置过滤器技术应用完成后，切割刀具不易收回，容易发生卡钻事故。

针对上述问题，根据现场实际情况，对切割刀具结构进行了优化，如图2所示。将原切割刀具结构为双刀片结构优化为三刀片结构，这种切割刀具的复位装置密封在壳体内，不暴露在外部泥沙环境中，不会形成石英砂和切屑对刀片复位装置的卡夹，可达到切割完毕后刀片收缩的目的。这种切割刀具的刀片通过销轴安装在活塞装置的外壳上，刀片根部的齿与三棱柱形齿条推杆上的齿相啮合，三棱柱形齿条推杆与活塞装置相连接。在切割过程中，钻井液推动活塞带动三棱柱形齿条推杆向下运动(轴向运动)，齿条推杆上的齿推动与它啮合在一起的刀片上的齿转动，即刀片径向运动(刀片伸出和缩回)。

优化后的三刀片切割刀具相比于双刀片切割刀具积砂少，刀片收缩容易，不易发生卡钻事故，有效地解决了双刀片结构刀具不易收缩、容易卡钻的问题，能够保障内置过滤器技术的顺利应用。

2.3 内置过滤器铆固装置的设计应用

在内置过滤器技术应用前期，内置过滤器选用PVC材质，过滤器上下两端配置同规格井管，底部安装沉沙管。内置过滤器上下两端外围安装高强度密封橡胶垫圈，以增加内置过滤器和井管间的摩擦力，从而达到固定内置过滤器和密封的目的。

经现场试验发现，该内置过滤器安装后因抽液活动出现了上移现象。为了解决内置过滤器存在的这一缺陷，在内置过滤器的底部加工制作了铆固装置，该装置可固定内置过滤器的位置，避免钻井在使用过程中因水力因素造成内置过滤器向上移动位置，可有效保证地浸生产活动的正常进行。

设计的过滤器铆固装置包括钻井内置过滤器、沉沙管、六方螺帽、尼龙材质的沉沙管堵头以及钢质结构的铆固螺杆。六方螺帽为一个中间有圆井贯通的圆柱体(尼龙材质)，上端外侧有丝扣，下端倒角呈锥面状，中间圆井上部呈漏斗状，下部为通径井，漏斗井和通径井过渡处有一变径台阶。铆固螺杆为一钢质右旋螺旋杆，螺距5 cm，牙高2 cm，螺旋杆上端有外丝扣，丝扣下方6 cm处焊有一圆形托盘，螺旋杆的底端呈锥形。过滤器铆固装置通过丝扣连接在内置过滤器的底端位置上，在地面上顺时针方向旋转操作杆，操作杆即可通过其底端的内六方套筒扳手扭转铆固螺杆，从而将铆固螺杆旋入到井底的地层或沉渣中，使得铆固螺杆将内置过滤器铆固在井底。过滤器的铆固装置如图3所示。

2.4 空气自动活塞洗井装置的应用

内置过滤器安装完成后，无法开展常规的钻机活塞洗井；而空压机洗井不易将进入矿层的钻井液洗出，从而造成钻井使用水量较小。

为了保证应用内置过滤器技术后的使用水量，开展了自动空气活塞洗井，该洗井方式无需在井内安装活塞洗井装置，也不用将风管下放至过滤器位置。自动空气活塞洗井利用空压机和储气罐，在密闭钻井并设定压力后，将空气缓慢压缩至钻井内水位以上的腔体内，井内液体受气柱压力向下运移，推动水流通过过滤器进入矿层；达到设定压力后，自动打开排气阀门迅速泄压，高压气体释放时带动水流瞬间通过过滤器并回流至管内，利用高压水流瞬间释放的能量冲击井壁，破坏井壁泥皮，扰动沉淀在过滤器外围以及渗入矿层的钻井液；在活塞压气结束后，利用空压机洗井将矿层钻井液及井内沉淀物冲出井外。通过该洗井方式，可有效地提高内置过滤器技术的使用水量，内置过滤器技术应用前后洗井水量见表1。

表1 内置过滤器技术应用前后洗井水量统计

3 现场应用效果

2017年在生产采区的4-0206#单元的3个钻井进行了内置过滤器技术应用，其中4-0205#和4-0307#井为注液钻井，4-0206#井为抽液钻井。4-0206#单元在内置过滤器技术应用前浸出液铀质量浓度为15.80 mg/L，应用后浸出液铀质量浓度为35.34 mg/L，平均铀质量浓度为26.57 mg/L，如图4所示。应用内置过滤器技术后，抽液钻井抽液量由1.5 m3/h上升至2.9 m3/h，抽注液水量均有所提升。

该单元内置过滤器技术应用前，日浸出金属量为0.57 kg；内置过滤器技术应用后，日浸出金属量为1.85 kg，比内置过滤器技术应用前浸出金属量增加了225.12%。

4 结论

1)地浸生产过程中，因洗井导致过滤器损坏的钻井，可用内置过滤器技术进行修复。修复后，试验单元的水量及铀浓度较修复前均明显提高，铀质量浓度由15.80 mg/L上升至26.57 mg/L，水量由1.5 m3/h上升至2.9 m3/h。

2)采用二次钻进工序、刀具优化、铆固装置和洗井方式优化等措施，进一步完善了内置过滤器技术。该技术可在类似钻井中推广应用。