投砾罐的结构改进及应用

魏冬哲

摘  要：在地浸钻孔成井工艺中，投砾设备主要有投砾泵与各类自制投砾装置。传统投砾方法在使用过程中存在功耗大，时间长，投砾效率低，投砾过程中易堵管，砾料填充不均匀，严重影响了投砾质量。文章从全新视角设计了一种新式的投砾装置——投砾罐，投砾罐是一种基于水射流原理的投砾装置，该装置依靠水射流的作用力将砾料冲击输送到地浸孔中，可以有效提高投砾的工作效率和成井质量。

关键词：投砾罐;喷嘴结构;水射流;地浸钻孔

中图分类号：TD80          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）18-0123-02

Abstract： In in-situ leaching drilling well completion technology， gravel throwing equipment mainly includes gravel pump and various kinds of self-made gravel device. In the process of using the traditional gravel method， the power consumption is large， the time is long， the gravel efficiency is low， the pipe is easy to be blocked and the gravel filling is uneven， which seriously affects the quality of the gravel. In this paper， a new type of gravel throwing device-gravel tank， which can effectively improve the working efficiency of gravel and the quality of well completion.

Keywords： gravel tank; nozzle structure; water jet; in-situ leaching drilling

引言

地浸钻孔采铀工艺是一项在世界上十分先进的采矿技术，其中成井工艺中的投砾环节是直接影响成井质量的关键因素，目前是使用投砾装置将砾料和水的混合物通过投砾管添加至采铀UPVC套管与孔壁之间，砾料从孔底灌注直至没过过滤器，之后灌注水泥固井。投砾质量直接影响含矿水层与地表间的流场结构，直接影响钻孔涌水量大小。

在成井工艺中，投砾前的清水冲孔工艺环节会将矿层部位的护壁泥皮清除，使孔壁失去保护，投砾过程中的清水冲洗更加加剧了对孔壁的影响，此刻投砾的速度将直接影响成孔质量，投砾速度越快孔壁影响将越小，成井质量将越高，另外砾料在携带水流中的均匀性也会影响砾料在孔底的沉淀堆积，水流携带越均匀，孔底沉淀堆积的越均匀致密，越会减少架桥空洞的形成可能性。在投砾将至设计位置时砾料面的均匀平整也会严重影响砾料上部对水泥浆的阻隔封闭，此刻如果出现砾料松散不平整的现象，就会造成水泥浆进入粗砾层甚至进入过滤管内，继而会造成成井报废。

本文研发并改良的投砾罐，采用水射流原理，相比较其他投砾设备具有低费用、低能耗的优点，在有些地区得到广泛的应用。

1 投砾罐的设计以及工作原理

投砾罐，其本身为压力密闭容器，配有压力表以及安全阀，罐压力表可以实时监测投砾过程中投砾管内压力，安全阀起到保护作用，防止管内压力超差发生危险。罐内的砾料与清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道內，管道主要依靠水射流的作用力将砾料清水混合物冲击至投砾管中，直至孔底。

投砾罐工作原理，先关闭控制球阀，从砾料进口法兰向罐内加入所需体积的砾料，封闭法兰后打开水泵，先打开右边控制球阀，当罐压力表与水泵的压力表相近后打开球阀左边，砾料便被清水泵入孔底。可通过罐压力表的指示值与投砾罐送砾料的流动声音判断投砾是否正常。如若不正常，提升投砾管后继续投砾，直至达到投砾高度。

2 投砾罐喷嘴结构设计与改进

2.1 引射器喷嘴结构

常见的传统投砾装置一般使用的是引射器结构，引射器一般由喷嘴、引射入口、吸入室、混合室与扩散室组成，此设计将砾料口置于喷嘴后方，在使用中存在如下几点问题：（1）由于喷嘴抽吸效果不好，砾料向孔底注入的流速较低;（2）投砾过程中混合室过于狭窄，易出现砾料卡堵现象。

2.2 喷嘴结构改进

基于引射器结构的启发，我们将喷嘴结构进行改进，使用一束从小口径孔中射出的高速水射流作用在材料上，可使用其所具有的足够能量，称之为水射流。水射流是由喷嘴流出形成的不同形状的高速水流束，射流的流速取决于喷嘴出口截面前后的压力降。水射流是能量转变与应用的最简单的一种形式。通常，动力驱动泵通过对水完成一个吸、排过程，将一定量的水泵送到高压管路，使其以一定能量到达喷嘴。而喷嘴的孔径要求比高压管路直径小得多，因此到达喷嘴的这一一定量的水要想流出喷嘴孔，必须加速。这样，经过喷嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。喷出的射流打击在靶件表面上就称为射流作业。射流一旦离开喷嘴，它的凝聚段不会太长。对此，射流的速度尤为重要。水经过泵送获得了压力，压力首先驱动水从泵至喷嘴，又使其以给定的速度通过喷嘴。

利用水射流可以获得足够的动能，将砾料入口置于喷嘴后端，取消狭小的混合室，有效避免了砾料卡堵的现象。

3 投砾罐基于水射流参数的数学模型

水射流是一种自由状态的射流，其流动结构十分复杂，可以按照不同的流动特性将水射流划分为几个区域，如图1所示。从喷嘴出口开始向内外扩展的掺混区称为剪切层;其中心未受掺混影响，仍然保持初始速度的区域称为势流核。沿射流方向从喷嘴出口至势流核末端为初始段;初始段下游绝大部分为充分发展的紊动掺混区，称为主体段;在初始段和主体段之间存在很短的过渡段。[2]

在投砾罐工作的条件下，水泵提供的水势为连续射流，势流核为等速核，其形状为楔形，流线为一平行直线，速度一致、能量在四部分中也最大也最集中，随着水射流长度的增加，由于空气阻力及高压水射流内部湍流的作用，水射流速度将随之逐渐减弱。我们考虑在水流减速之前，冲击砾石，获得动能。

4 投砾罐在地浸孔中的应用

4.1 应用效果

（1）节约电能：在实际使用过程中，投砾罐只需配合NBB250/60泥浆泵使用，泥浆泵的功率为25kW/h，而投砾泵在使用过程中，需额外供电，其功率为50kW/h，可见投砾罐相比投砾泵可有效节约电能67%。

（2）效率提升：根据实际使用经验，使用投砾泵投掷1m3左右的砾石大致需要5-6小时，而使用投砾罐只需3小时左右，且投砾过程中只需一次性将砾料装填足够即可完成投砾，有效的降低了劳动强度，其工作效率提高40%以上。

（3）堵管减少：在地浸孔现场使用过程中，经过现场调研，使用投砾泵投砾的钻机，平均每投砾十个孔就会有4-6个孔在投砾过程中出现堵管现象。而使用改良过喷嘴结构投砾罐的钻机，则发现堵管现象有明显改善，平均每投砾十个孔，最多会出现一次堵管现象，堵管率有显著减少。

（4）技术水平要求：投砾泵在使用过程中，对操作工人的技术水平要求较高，井下投砾的均匀度完全取决于操作工人的技术水平，且劳动强度大。而改良型投砾罐只需一次性将砾料添加入投砾罐中，对操作工人的劳动强度降低，技术要求降低。

4.2 使用方法

步骤1，如图2，将投砾管安装至过滤器下端1m的位置，并按设计投砾量向投砾罐中加入砾料。

步骤2，关闭控制球阀1、控制球阀2、排气球阀，让泥浆泵工作，观测泥浆泵出水压力表和管内压力表，直至压力表数值近似，偏差不小于0.1MPa。

步骤3，打开控制球阀2，观察投砾罐压力表，其与泥浆泵出水压力差不超过0.2Mpa。

步骤4，打开控制球阀1，监听砾料在高压管内的输送情况，投砾进行时，当投砾罐压力表瞬间升高或砾料不流动时，应立即关闭控制球阀1，順势关闭控制球阀2，将投砾管提高2-3m。

步骤5，循环步骤3-4，直至将砾料投置到制定高度，结束投砾，打开排气球阀，关闭泥浆泵。

5 结束语

投砾罐在实际使用过程中具有更节能、更高效、更便捷、更安全的特点，本文将基于引射器原理的投砾装置进行了优化分析研究。结果表明，水射流由于较小的喷嘴直径能够提高水射流的喷射速度，增强其对周围流体的卷吸能力，因此较小的喷嘴直径有利于提升引射器性能，但较小直径喷嘴会导致引射流入口压力大幅增加，为与现场用NBB250/60型泥浆泵压力匹配，投砾1立方砾料大约需要3小时，投砾罐只需一次装填砾料便可快捷的完成投砾工作，降低了工人的劳动强度，又提高了成井质量。现场生产试验表明，采用优化后的投砾装置较原有引射器的投砾装置，可以有效解决了卡砾这一主要问题，投砾效率和质量均有大幅提高。

参考文献：

[1]刘忠伟.基于水射流技术的轧钢机清洗机的研究与开发[D].中南林学院，2005.

[2]韩启龙，等.喷嘴结构对高压水射流影响及结构参数优化设计[J].国防科技大学学报，2016，38（03）：68-74.

[3]孟辉.高压水射流清砂设备及其加工理论的研究[D].沈阳航空航天大学，2010.