超声波洗井在地浸采铀生产过程中的解堵应用研究

易志刚，李勇，哈杰提，陈梅芳，田莹华

（1.新疆中核天山铀业有限公司七三五厂，新疆 伊宁 835000；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149）

蒙其古尔矿床采用CO2＋O2地浸采铀工艺［1-3］，随着浸出的推进，浸出剂溶解了矿层和围岩中的碳酸盐、黄铁矿、粘土矿物等，钙、铁、铝等离子在溶解之后搬运再沉淀，同时细微颗粒也随水动力搬运沉积堵塞孔喉，造成含矿层渗透能力减弱，抽注液量下降。蒙其古尔矿床已生产的各采区抽注液量下降趋势明显，最大降幅达到50%。蒙其古尔矿床钻井深度为450～600 m，采用常规压缩空气洗井未取得明显的效果［4］。

2017—2018 年，在蒙其古尔矿床曾经使用加酸化学洗井方式，获得了良好的效果，大部分生产孔，在加酸化学洗井［5］后能够实现产能的提高，而且一般能持续3～6 个月的周期才再次降低至酸洗前产能。随着化学洗井次数的增加，产生的洗井废液大幅度增加。洗井废液中含有大量的Cl-，Cl-一方面对水冶工艺有影响，另一方对工艺管道有腐蚀作用。2019 年以来，已经停止大规模使用。停止酸洗后，各采区找不到有效的解堵措施，普遍出现注液量减小的问题。

根据超声波洗井工艺的特性，针对在蒙其古尔矿床生产过程中产生的无机盐堵塞进行了超声波解堵实验，同时针对钻井液污染矿层堵塞、平米铀量高但浸采效果差、成井水量不达标等其他3 类钻孔进行超声波解堵尝试。

1 超声波洗井工艺基本原理与特点

超声波频率上限可高至与电磁波的微波区（＞10 GHz）重叠，工业中常用的超声波频率为20 kHz～2 MHz，其中20～100 kHz之间的超声波应用又称为功率超声。超声波洗井是基于超声波的空化作用，即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆［6］，由此产生的冲击波将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。随着超声频率的提高，气泡数量增加而爆破冲击力减弱，因此超声波特别适用于小颗粒污垢的清洗［7］。

功率超声波本身具有频率高、能量大、波长短的特点，具有良好的方向性和穿透力，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远。将超声波能量直接送入目的层，利用声波具有的“空化”“剪切”等原理，理论上可以实现对钙垢/铁锈等物质的震荡、剥离、粉碎等效果。超声波解堵工艺可以限制功率，在实现针对不同形式的堵塞形成不同的解堵方案的同时，保护地层结构的稳定。针对普通无机盐堵塞，在有效震荡后，将使无机盐剥离，并可以进一步细碎，排出井筒，实现解堵。针对物性本身比较差，或者已经存在泥浆污染、板结等的堵塞，可以放大功率，在有效震荡后，解除板结，产生新的空隙，以增加渗透性。

2 超声波洗井地面试验

2.1 地面试验目的

超声波解堵工艺在油气田已经进行了一定范围的有效应用，但油气井完井方式、套管类型、地层深度和类型、开采工艺原理、液量等都与蒙其古尔矿床的生产工艺不同。因此，在地面模拟条件下，弄清楚超声波解堵工艺应用效果，规避破坏井筒和地层的风险，是地面作业需要尝试和验证的主要内容，地面模拟结果能够对井下实际作业提供指导性意见。

弄清超声波解堵工艺在地表模拟条件下的作用和效果，并根据地面作业的结果，改进井下作业的实施办法，调整实施参数，是地面实验的主要目的。

2.2 近端模拟试验

选用直径64 mm，长度1.4 m，输出频率16～25 kHz 的超声波仪器作为实验仪器，将仪器放入PVC 过滤器中，将结垢严重的泵及两块布满锈垢的锅炉水管放置在铁丝网外侧，距离铁丝网外侧分别为13 cm、27cm、13 cm（图1）。功率6 kW、频率16～23 kHz、供电工作3 小时。

图1 近端模拟实验俯视图及现场试验图Fig.1 Vertical view of simulation experiment and field test diagram

试验前泵筒周身结垢且坚硬，用木片无法刮掉和清除，用角铁敲击，敲击点周围直径0.5～1 cm 左右能产生小块剥落。

超声波作用后，在泵筒上出现一条纵向的光亮面，宽度约1.5 cm，而其他部位钙垢仍然紧实附着（图2）。

图2 结垢泵筒超声波作用后效果图Fig.2 Scaling pump tube after ultrasonic action

由此可知，模拟试验结果符合超声波沿直线纵向传播且集中的特点，验证了超声波解堵工艺在地面模拟设定的工作参数下，对砾石层外部紧贴放置的结垢泵管能够产生钙垢解除的作用。

试验前锅炉水管呈青黑色和深灰色硬质物质，磕碰不掉，用坚硬金属反复刮削，在刮削部位可见明显变薄，呈粉末状。

试验后清除效果明显，内壁污垢基本去除，露出干净管壁（图3）。验证了超声波解堵工艺在地面模拟设定的工作参数下，对砾石层外部紧贴放置的结垢锅炉管内壁能够产生钙垢解除的作用。

图3 布满锈垢的锅炉水管超声波作用前后对比图Fig.3 Comparison of rust scale on boiler water pipe before and after ultrasonic treatment

2.3 远端模拟试验

为进一步验证作业时间和距离对除垢效果的影响，对地面试验进行了补充，加大了泵管和锅炉管与仪器的距离，增加了作业时长至6 小时。将仪器放入紧贴水池一角的过滤器中，将结垢严重的泵桶和锅炉水管放置在水池对角，距离仪器约2.8 m（图4）。设定仪器声功率为6 kW、频率16～23 kHz、供电工作6 小时。

图4 远端模拟试验俯视图Fig.4 Vertical view of simulation experiment

在作业进行到3 小时的时候，泵管表面钙垢的清除并不明显，而锅炉管内壁的钙垢已经基本清除。作业6 小时后，泵筒外壁正对仪器面的下半部分表面，部分钙垢清除明显，上半部分未见明显的清除；锅炉水管内侧污垢等被有效清除（图5）。

图5 超声波远端试验作用对比图Fig.5 Effect comparison before and after ultrasonic test

2.4 地面试验结果

通过近端与远端两组模拟试验，结果表明：

1）试验用超声波设备可有效穿透过滤器和砾石填充层对目标物施加作用，能够清除钙垢、锈垢；

2）试验用超声波对正对仪器的方向能够产生除垢效果，而非正对方向效果未能直观显现，验证了超声波作用的指向性和能量集中的特点；

3）一定距离下，泵管外壁上半部清除不理想，推测原因为深水位水压高，介质密度变大，除垢作用效果直观显示优于浅水位；

4）验证了超声波有效作用范围不低于2.8 m；

5）在地面的作业环境条件下，对PVC 材质的过滤器物理结构不会造成损坏，声波能够穿透过滤器、砾石层。但需要更长的作用时间才能对远距离的目标产生作用。

3 超声波洗井地下试验

蒙其古尔矿床采用的超声波洗井工艺是利用测井电缆将超声波仪器下放入井筒内，直至井下过滤器位置。超声波仪器以纵波的方式，指向性地对产层（目的层）进行超声波解堵作业。超声波作业完毕，再利用空压机洗孔方式对作业井进行物理方式洗井，洗出超声波洗井作业解离的堵塞物。

本试验主要针对生产过程中产生的无机盐堵塞进行解堵实践，同时针对钻井液污染矿层堵塞、平米铀量高但浸采效果差、成井水量不达标等其他3类钻孔进行功率超声解堵尝试。

3.1 超声波洗井解决无机盐堵塞问题

蒙其古尔矿床碳酸盐、黄铁矿含量高，用CO2＋O2的浸出工艺过程中极易发生碳酸钙及氢氧化铁等无机盐沉淀，无机盐堵塞具有脆性特征，主要集中在井筒表面。利用超声波的特性，在不破坏原始地层骨架的同时，将地层内已板结的无机盐物理破碎为粉末状，通过空压机将破碎后的沉淀物带到地表或将板结结垢破碎掉，增加渗透性。超声波仪器井下声功率控制在5～6 kW，作业时间60～90 min。

3.2 超声波洗井解决钻井液污染矿层堵塞

地浸钻孔施工无法避免钻井液污染降低矿层渗透性［8］，以往采用空压机进行洗井或者活塞洗井［9］将残余的钻井液去除，但依然存在抽液井中会抽出大量钻井液的难题。利用功率超声工艺，有去除残留在地层内的钻井液、恢复地层渗透性的可能性。钻井液污染属于侵入型堵塞，堵塞强度及波及深度都较大，超声波仪器井下声功率控制在7～9 kW，作业时间90～120 min。

3.3 超声波洗井改善溶浸通道

蒙其古尔矿床存在平米铀量高但浸出效果不理想的单元，本次利用超声波洗井工艺，改善浸出不理想单元的溶浸通道，提高铀的浸出效果。改善溶浸通道主要是改善作用范围的地层渗透性，通过超声可实现作用半径内的地层产生塑性变形，进而形成微裂缝网，实现改善地层渗透性的效果。超声波仪器井下声功率控制在7～9 kW，作业时间90～120 min。

3.4 超声波洗井解决成井水量不达标问题

蒙其古尔矿床钻孔施工采用技术成熟的填砾式钻孔结构和施工工艺［10］，现有运行的生产钻孔中，虽然水量指标达到了验收的标准，但部分钻孔水量仍然不高，钻井液污染是一方面，还存在投砾质量差，局部岩性变化等问题。利用超声波工艺，在解除钻井液污染的基础上，改善投砾质量，进而提高该类钻孔的水量。改善投砾质量着眼点在于解除砾石间隙内的砂质及胶结物所形成的堵塞，从而改善近井筒地带的地层渗透性。作业期间超声波仪器井下声功率控制在5～6 kW，作业时间60～90 min。

4 现场试验与效果分析

4.1 超声波洗井解决无机盐堵塞问题

4.1.1无机盐解堵总体概况

本次挑选两个单元，共计10 个钻孔，进行超声波洗井解决无机盐堵塞问题研究，试验井的参数见表1。

表1 超声波洗井解决无机盐堵塞问题研究试验井参数Table 1 Statistical table of solving inorganic salt blockage by ultrasonic well flushing

经过超声波洗井之后的钻孔，有7 个钻孔水量呈现上升趋势，其中以9-0602、9-0702、17-1313、17-1109 孔上升幅度最大（表2）。

表2 超声波洗井解决无机盐堵塞问题研究试验效果Table 2 Statistics of inorganic salt blockage effect by ultrasonic well washing

以9-0602 钻孔为例，本井进行两次试验，第一次作业工艺为16～23 kHz，2 h/m，5～6 kW，第二次作业工艺为16～23 kHz，6 h/m，7～9 kW。超声波作业后洗井8 小时，见液10 分钟出现浑浊，洗井水回收罐取样，见少量悬浮物和红褐色悬浮颗粒，静置后沉淀（图6）。

图6 9-0602 超声波洗井后样品特征Fig.6 Sampling after well washing by ultrasonic action（9-0602）

在超声波洗井结束后，使用大功率（9.2 kW）提升设备进行抽液，流量提升在0.7 m3/h 左右，维持时间仅为20 d。同时再更换至超声波洗井前的提升设备（7.5 kW），其流量出现降低，较之前流量降低约0.2 m3/h（图7）。

图7 9-0602 超声波洗井效果变化图Fig.7 Effect chart of well washing by ultrasonic action（9-0602）

在第一次试验40 d 后，本井流量已经降低至试验前状态，结合地面试验结论，为验证本井是否彻底解堵，对本井进行6 h/m 的加强试验。第二次试验返排液基本澄清，只含有极少量泥沙沉淀。两次试验的返排液对比能够推断出：本井在第一次试验时已经解除堵塞，并且在两次试验的间隔期的40 d 内，没有再次产生明显的堵塞；高产状态不能长时间维持的原因，初步判定为供液能力问题。

4.1.2无机盐堵塞试验后的初步认识

1）抽孔超声波洗井后产量均有一定程度的上升，表明均存在不同程度的堵塞，经超声波洗井后堵塞得以解除；

2）解堵后产量恢复程度与堵塞程度有关，如9-0602 洗井取样观察堵塞明显，解堵效果良好，产量恢复幅度大。而17-1211 孔堵塞程度明显较轻，因断流未录取数据进行有效对比；

3）8 口注孔作业后取样结果显示仅17-1109、9-0702 堵塞明显，解堵后产量恢复幅度大，而其他各孔堵塞不明显，作业后前期产量略有提升，短时间内恢复至作业前相同的水平；

4）对于洗井作业结果显示的堵塞不明显的生产孔，建议进一步查明真正影响产能的关键因素。

4.2 超声波洗井解决钻井液污染矿层堵塞

本次挑选一个钻孔进行超声波洗井，进行钻井液污染矿层堵塞的试验研究，试验井的参数见表3。

表3 超声波洗井解决钻井液污染矿层堵塞试验井参数Table 3 Statistics of ultrasonic well washing to solve the plugging of the seam polluted by drilling fluid

本井洗井返排未见明显堵塞物，试验后产液情况起伏很大，不能稳定，判断为超声波洗井工艺未能对钻井液污染矿层的堵塞产生明显的作用（表4）。

表4 超声波洗井解决钻井液污染矿层堵塞效果Table 4 The effect of ultrasonic well washing to solve the plugging of ore bed polluted by drilling fluid

4.3 超声波洗井改善溶浸通道

本次挑选两个钻孔进行超声波洗井改善溶浸通道研究，试验井的参数见表5。

表5 超声波洗井改善溶浸通道试验井参数Table 5 Improvement of leaching channel parameters by ultrasonic well flushing

10-1-1903、15-1405 均为抽孔，实验目的为改善溶浸通道。其中10-1-1903 孔解堵后产量恢复明显，取样结果也验证了该孔有较重的堵塞，解堵效果良好，但受供液的影响未能保持长期稳定。15-1405 孔超声洗井作业后取样结果显示堵塞并不明显，但工艺实施后产量前期明显提升，达到改善溶浸通道的目的。上述两个钻孔水量维持时间不足15 d（表6）。

表6 超声波洗井改善溶浸通道效果Table 6 Effect of ultrasonic well flushing on improving leaching channel

4.4 超声波洗井解决成井水量不达标问题

本次挑选两个钻孔进行超声波洗井，进行成井水量不达标问题的试验研究，试验效果见表7。

表7 超声波洗井解决成井水量不达标问题效果Table 7 Statistics on the effect of ultrasonic well flushing to solve the problem of water volume not up to standard

本次试验的目的是希望通过多次反复进行超声波和空气洗孔作业，验证此方法是否能够将堵塞物进一步击碎并排出，增强解堵效果。

试验后发现有明显的涌砂现象，经沉砂测量，底部有3 m 过滤器被涌进来的泥砂填埋。需要进行返砂洗井，待冲砂打开产层后，再跟踪注液量变化情况。通过跟踪9-0904 孔流量，发现该孔流量有所上升，但流量维持天数低于20 d。

本次试验表明，超声波洗井过程中提高井下功率、频率、每米作业周期等参数，井下解堵效果得到强化，但客观情况则是对底层的原始骨架造成了破环，刺激扰动地层，加剧了出砂，总体结果是对本井造成了伤害。因此应尽量遵循防止破坏地层骨架、防止刺激地层出砂、防止破坏井筒结构的原则。

综合上述试验数据，通过统计分析，抽液孔的水量增幅达43%以上；注液孔水量增幅为-8%～43%，平均为11%。

4.5 与其他洗井方式的效果对比

蒙其古尔矿床在停止使用化学洗井后，在现场还开展了“高压风包洗井”“气活塞洗井”“风包＋气活塞洗井”等物理方式的洗井，通过与超声波洗井方式对比发现，超声波洗井方式水量提升最低，维持时间也相对较短（表8）。

表8 各种洗井方式效果对比Table 8 Comparison of the effect of well cleaning methods

5 结 论

1）地表试验中，附着于泵管、锅炉管的钙垢和锈垢经超声波作用后剥离；在地下试验中，抽孔液量提升、注孔多次试验后被砂埋，这说明超声波能够刺激地层出砂，但目前无法有效将剥落的泥砂排出钻孔。

2）从试验结果数据判断，在发生器频率为16～23 kHz，井下功率为5～6 kW，作业时间为2～6 h/m 的工作参数下，抽液孔的水量增幅达43%以上；注液孔水量增幅为-8%～43%，平均为11%。超声波对注液井和抽液井的清洗效果相差较大，主要原因是超声波虽能有效剥离结垢物，但注液井中剥离的垢物未能有效返排。

3）现场试验表明，超声波技术在地浸采铀生产井中具有一定的解堵作用，但对于深井的清洗，需在超声功率、作用时间及返排措施等方面做进一步研究。

4）超声波仪器受尺寸限制，暂时无法提供更高的使用频率和功率。可以在条件成熟时，使用具备更高功率和频率的超声波工艺设备，探索超声波在可地浸砂岩型铀矿抽注液钻井解堵方面的方法和工艺参数。