李 坡，周根茂，李召坤，牛慶和，楊 睿，趙利信

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

目前地浸采鈾礦山開采工藝鉆孔主要采用直井型式，鉆孔工程費(fèi)用較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，開采深度為200 m時(shí)，鉆孔投資占整個(gè)礦山基建投資的30%～35%；開采深度為500～600 m時(shí)，鉆孔投資占比達(dá)67%以上。近年來，在中國(guó)北方相繼發(fā)現(xiàn)了一批大埋深、低滲透、特大型砂巖鈾礦床[1-3]；若采用常規(guī)直井開采此類鈾資源，面臨井網(wǎng)稠密、開采成本高、單井控礦面積小、復(fù)雜地形開采困難等制約因素。

與直井相比，水平井開采具有過流控礦面積大、溶浸死角小等優(yōu)勢(shì)，可大幅提升鉆孔注液量，降低鉆井工程成本[4-5]。過濾器是地浸采鈾鉆孔溶液進(jìn)出礦層的咽喉。目前，石油領(lǐng)域水平井過濾器建造技術(shù)較成熟；但地浸采鈾領(lǐng)域在儲(chǔ)層特性、開采工藝及開采成本等方面與石油領(lǐng)域的差異較大，例如：油氣層埋藏更深(>2 000 m)、巖性更致密、礦體規(guī)模更大、允許鉆井成本更高、允許物理驅(qū)替和油水兩相滲流等。這些儲(chǔ)層物性和完井技術(shù)差異制約了水平井過濾器建造技術(shù)在地浸采鈾領(lǐng)域的直接應(yīng)用，必須結(jié)合地浸采鈾技術(shù)的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)過濾器。

1 過濾器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 過濾器選擇

本試驗(yàn)地浸采鈾水平井過濾器遴選設(shè)計(jì)原則：1)防砂效果好；2)有效過流面積大(>4%)；3)布液均勻；4)成本低；5)強(qiáng)度高。

目前石油行業(yè)水平井開采采用的過濾器主要有：割縫過濾器、繞絲過濾器、復(fù)合沖縫過濾器，如圖1所示。

(a)割縫過濾器；(b)繞絲過濾器；(c)復(fù)合沖縫過濾器。圖1 水平井過濾器類型Fig. 1 Horizontal well filter type

1.1.1 割縫過濾器

割縫過濾器允許一定大小、能被溶浸液攜帶到地面的細(xì)小砂粒通過，將較大砂粒阻擋在篩管外面，使大砂粒在篩管外面形成“砂橋”，達(dá)到防砂的目的[6]。割縫過濾器施工安全可靠；但在地層壓力的作用下，割縫會(huì)受擠壓變形，導(dǎo)致“砂橋”失效，砂粒堵塞縫口。因此，需要測(cè)試篩管的抗擠壓強(qiáng)度并優(yōu)化篩管割縫尺寸。割縫過濾器參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括縫寬、縫長(zhǎng)、環(huán)向縫間距、縱向縫間距和斷面縫型(矩形縫、梯形縫)等[7]。

石油行業(yè)水平井所用割縫過濾器直徑為150～200 mm，壁厚為6～15 mm，縫口寬為0.6～3 mm，縫隙長(zhǎng)為50～300 mm，每米割縫100條；斷面縫型分為矩形縫、梯形縫。值得注意的是，石油和煤炭行業(yè)采用水力驅(qū)替方式開采，開采深度大，割縫篩管的每米割縫數(shù)少且縫隙較寬。

雖然梯形斷面縫型(夾角12°)不會(huì)出現(xiàn)砂礫卡在縫內(nèi)造成砂堵的情況，是最優(yōu)的選擇[8]；但在每米割縫數(shù)量較多時(shí)，梯形縫較難生產(chǎn)。

1.1.2 繞絲過濾器

繞絲過濾器采用高強(qiáng)度的316L三角繞絲直接焊接纏繞在基管上，有效過流面積5%～20%。繞絲過濾器的過流面積與在用的環(huán)形骨架過濾器相當(dāng)，三角繞絲設(shè)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)由于砂礫卡在縫內(nèi)造成砂堵的情況；但繞絲焊接點(diǎn)可能會(huì)脫扣，施工風(fēng)險(xiǎn)大，加工成本較N80割縫過濾器高20%。

1.1.3 復(fù)合網(wǎng)過濾器

復(fù)合網(wǎng)過濾器由外保護(hù)套、反向荷蘭斜紋網(wǎng)、支撐基管組成。不銹鋼金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形后仍可保持金屬網(wǎng)的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，有效過流面積5%～20%。復(fù)合網(wǎng)過濾器具有優(yōu)異的過濾性能；但金屬網(wǎng)可能會(huì)脫落，施工風(fēng)險(xiǎn)大，加工成本較N80割縫過濾器高30%。

綜上分析，依據(jù)地浸采鈾水平井過濾器設(shè)計(jì)原則，結(jié)合過濾器廠家生產(chǎn)能力，設(shè)計(jì)了N80割縫過濾器，開展過濾器抗壓強(qiáng)度測(cè)試。過濾器套管外徑101 mm、縫寬0.6 mm、縫長(zhǎng)76 mm，每米割縫數(shù)是304條，斷面縫型為矩形，有效過流面積為4.4%，基本滿足試驗(yàn)要求。

1.2 割縫過濾器抗壓強(qiáng)度測(cè)試

選取6種不同縫寬、割縫數(shù)量的過濾器進(jìn)行試驗(yàn)，以選取最佳割縫過濾器規(guī)格(表1)?？p寬在0.4～0.6 mm，每米割縫數(shù)量為256和304(目前能加工的最大縫數(shù))，套管規(guī)格均為φ101×5 mm，過濾器材質(zhì)均為N80。

表1 試驗(yàn)選取的過濾器規(guī)格Table 1 Filter specifications selected for test

采用單軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗壓測(cè)試，加壓速度為5 mm/min，通過測(cè)量變形位移達(dá)到30 mm時(shí)，試件承受的壓力大小來判定試件的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)機(jī)的最大試驗(yàn)力為2 000 kN，上下壓板間的距離為320 mm，活塞移動(dòng)速率在0～250 mm/min之間可控，位移精度為±1×104mm。過濾器抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同過濾器的最大試驗(yàn)壓力Fig. 2 Maximum test pressure of different filters

從圖2可看出,縫寬和每米割縫數(shù)量對(duì)過濾器的強(qiáng)度均有影響，而且呈現(xiàn)出較明顯的變化規(guī)律，6種規(guī)格過濾器最大承壓力均在93 kN以上。

以新疆某礦床為例，含礦含水層擁有穩(wěn)定的泥巖隔水頂板，礦層距泥巖頂板的垂直距離為4～8 m，此區(qū)塊內(nèi)巖性一般為中砂巖。對(duì)于割縫過濾器的強(qiáng)度分析，按上部砂巖整體垮塌的極端條件考慮，則掉落的最大地層壓力F為

F=ρghDL，

式中：ρ—中砂巖層密度，約為2.6 g/cm3；h—巖層厚度，按8 m計(jì)；D—井眼直徑，取152.4 mm；L—掉落長(zhǎng)度。在不考慮地層擠壓應(yīng)力等影響時(shí)，作用在單位長(zhǎng)度(m)過濾器上的壓力約為31.065 kN。上述6種規(guī)格的過濾器均滿足試驗(yàn)要求，為保證過濾器最大過流面積，選擇7#過濾器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其規(guī)格參數(shù)為割縫數(shù)304條/m，縫寬0.6 mm，縫長(zhǎng)76 mm。

2 水平井過濾器液流均勻性分析

2.1 水平井滲流均勻性研究

為了研究水平井中溶浸液的壓降特征及溶浸液在礦層中的滲流規(guī)律，通過搭建物理模型，進(jìn)行鈾礦水平井地浸開采滲流模擬試驗(yàn)。該試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)由模型槽、注液筒、變頻器、螺桿泵和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

模型槽尺寸：長(zhǎng)×寬×高=10 m×0.5 m×0.5 m，模型槽的前端和出口端為鋼化玻璃材質(zhì)，其余3個(gè)面均為鋼板。模型槽中間預(yù)留長(zhǎng)×寬×高=0.5 m×0.1 m×0.3 m的空間，內(nèi)部填充熔融石英砂，并用透明粘合劑膠結(jié)，形成可視化觀測(cè)窗，以便于對(duì)礦層中溶浸液滲流過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。模型槽中間設(shè)置直徑12 cm的水平洞穴，用來放置過濾器，洞穴長(zhǎng)9.6 m。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由10組滲流觀測(cè)孔和6組壓降觀測(cè)孔組成，如圖3所示。圖中1(a,b,c)～10(a,b,c)為10組滲流監(jiān)測(cè)孔，a、b、c分別代表底部、中部、上部監(jiān)測(cè)面，各監(jiān)測(cè)面距頂端分別為40、25、10 cm。相鄰兩組滲流監(jiān)測(cè)孔之間的距離為180 cm；監(jiān)測(cè)孔距側(cè)壁距離為9 cm(遠(yuǎn)離過濾器)和18 cm(靠近過濾器)。Ⅰ～Ⅵ分為為6組壓降監(jiān)測(cè)孔，Ⅰ為入口端監(jiān)測(cè)孔，Ⅱ～Ⅵ為實(shí)際壓降監(jiān)測(cè)孔。壓降監(jiān)測(cè)孔的間距為180 cm，設(shè)置在水平井上壁的中央。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖Fig. 3 Layout of monitoring system

將100 m水平井分為10段，分10次進(jìn)行模擬試驗(yàn)。第1次模擬試驗(yàn)：以恒定壓力0.2 MPa注液，待穩(wěn)定后，讀取監(jiān)測(cè)孔1(a,b,c)～ 10(a,b,c)和Ⅰ～Ⅵ的壓力，并記錄。第2次模擬試驗(yàn)：設(shè)置入口端壓力為第1次試驗(yàn)的出口端壓力，其余條件不變，按第1次的方法試驗(yàn)并記錄。重復(fù)上述步驟，設(shè)置每段入口端壓力為上一次試驗(yàn)的出口端壓力，直至10段模擬完成。試驗(yàn)得到沿過濾器延伸方向上的壓力以及滲流場(chǎng)內(nèi)監(jiān)測(cè)線上的流體壓力，如圖4所示。

圖4 水平井延伸方向上壓降Fig. 4 Pressure drop in the extension direction of horizontal well

圖4中，B1、M1和T1分別代表靠近過濾器側(cè)底部、中部和上部的監(jiān)測(cè)線；B2、M2和T2分別代表遠(yuǎn)離過濾器側(cè)底部、中部和上部的監(jiān)測(cè)線。從圖4可看出，沿著篩管延伸方向流體壓力逐漸降低，水平井滲流過程中存在流體壓降，中間監(jiān)測(cè)線壓力要大于底部和上部監(jiān)測(cè)線的壓力，這是因?yàn)橹胁勘O(jiān)測(cè)線更靠近于過濾器，溶浸液更容易、更快速滲透至該監(jiān)測(cè)線。另外，底部和上部監(jiān)測(cè)線壓力差別不大，這說明重力對(duì)溶浸液的垂向滲流影響不大。

2.2 水平井液流均勻性數(shù)值模擬研究

采用與水平井滲流模擬相同的物理模型進(jìn)行水平段液流均勻性數(shù)值模擬研究。假設(shè)模擬巖層中不存在大裂隙，巖層可視為各向同性，且在溶液注入過程中不發(fā)生變形和破裂。采用COMSOL網(wǎng)格生成器自動(dòng)劃分網(wǎng)格，如圖5所示，共劃分四面體域單元66 023個(gè)、三角形單元7 932個(gè)、邊單元1 252個(gè)、頂點(diǎn)單元16個(gè)。

圖5 水平井滲流模型網(wǎng)格劃分Fig. 5 Mesh generation of horizontal well seepage model

2.2.1 邊界條件

邊界條件是求解區(qū)域幾何邊界位置與邊界上起支配作用的條件[9-10]。本次試驗(yàn)邊界條件如下：1)立方體模型槽入口端的截面為無流動(dòng)邊界，其余面為定壓邊界，壓力為0 MPa；2)水平井篩管的側(cè)面為定壓邊界，壓力值采用試驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)；3)水平井篩管底面壓力等于其側(cè)面底端的壓力。

2.2.2 參數(shù)初始值

本次模擬所需參數(shù)包括滲透系數(shù)、流體密度、流體黏度、孔隙度、流體和固體基質(zhì)可壓縮系數(shù)等，見表2。

表2 參數(shù)初始值Table 2 Parameter initial value

2.2.3 結(jié)果分析

本次模擬采用瞬態(tài)研究方式，隨著時(shí)間的增加，壓力在模型內(nèi)部傳遞，并且逐步達(dá)到穩(wěn)定。通過分析模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)間趨近于1 000 min時(shí)，壓力分布趨于穩(wěn)定，故選取1 000 min為研究時(shí)間段，且每隔100 min提取一次模擬結(jié)果。

提取模型的代表性切面，即yz切面、xy切面和zx切面，分別觀測(cè)模型的側(cè)切面、上切面和橫切面壓力分布。

2.2.3.1 代表性切面壓力云圖

yz側(cè)切面上溶液的壓力分布如圖6所示。壓力沿著篩管向模型上下側(cè)傳遞，在前500 min內(nèi)壓力傳遞較快；在500～1 000 min內(nèi)，壓力傳遞速度降低，且逐步趨于穩(wěn)定。壓力云圖呈現(xiàn)對(duì)稱分布，說明重力對(duì)溶液壓力分布的影響較小。

圖6 yz切面壓力云圖Fig. 6 Pressure nephogram of yz section

xy上切面溶液的壓力分布如圖7所示。壓力沿著篩管向兩側(cè)傳遞，同樣，在前500 min內(nèi)壓力傳遞較快;在500～1 000 min內(nèi)，壓力傳遞速度降低，且逐步趨于穩(wěn)定。壓力云圖呈現(xiàn)對(duì)稱分布，這是因?yàn)槟Ｐ透飨蛲浴?/p>

圖7 xy切面壓力云圖Fig. 7 Pressure nephogram of xy section

zx橫切面溶液的壓力分布如圖8所示。壓力沿著篩管向四周傳遞，同樣，在前500 min之內(nèi)壓力傳遞較快;在500～1 000 min內(nèi)，壓力傳遞速度降低，且逐步趨于穩(wěn)定。壓力云圖呈現(xiàn)對(duì)稱的圓形分布，說明重力對(duì)zx切面壓力分布的影響不大。

圖8 zx切面壓力云圖Fig. 8 Pressure nephogram of zx section

2.2.3.2 試驗(yàn)、模擬結(jié)果對(duì)比

和試驗(yàn)方案一致，數(shù)值模擬也選取了6條監(jiān)測(cè)線(B1、M1、T1、B2、M2、T2)。將6條監(jiān)測(cè)線上試驗(yàn)所得的壓力值和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

圖9 壓力平衡時(shí)各監(jiān)測(cè)線壓力模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比Fig. 9 Comparison of pressure simulation value and test value of each monitoring line during pressure balance

從圖9可看出，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果整體上相匹配，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在出入是由于試驗(yàn)誤差或數(shù)值模擬參數(shù)選擇誤差導(dǎo)致的。模型中0～9.6 m距離內(nèi)存在溶液壓力，且壓力穩(wěn)定、幾乎無壓降；在9.6～10 m，由于篩管內(nèi)溶液滲流范圍未覆蓋到，所得溶液壓力為0。

3 割縫過濾器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 礦床地質(zhì)條件

試驗(yàn)點(diǎn)位于新疆某礦床。試驗(yàn)區(qū)各含水層砂體厚度適中，一般介于10.0～20.0 m，隔水層連續(xù)、穩(wěn)定。礦化圍巖成分主要為長(zhǎng)石和石英，易溶礦物及碳酸鹽含量較小，礦化圍巖耐酸、堿性強(qiáng)，含水層巖石顆粒成分均一，分選性中等-差，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度25.30%～32.70%，含礦砂體透水性好。

鉆探施工不利地質(zhì)因素：1)礦層的頂板位于第八煤層下部，由于煤層比較松散，對(duì)水平井造斜指向性影響較大；2)泥漿泵壓力為5 MPa左右，容易造成二開塌孔。

3.2 水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦床地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)了水平井，其井身結(jié)構(gòu)見表3，水平段長(zhǎng)200 m。

表3 水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Table 3 Structure design of horizontal well

3.3 水平井完井試驗(yàn)

水平井的井下對(duì)接使用慧磁對(duì)接工具，在對(duì)接井下入重磁信號(hào)發(fā)射裝置，并在鉆頭處安裝信號(hào)接收裝置，根據(jù)重磁信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整經(jīng)驗(yàn)軌跡。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水平段井眼軌跡的控制精度在10 cm以內(nèi)，一次對(duì)接成功。

三開過濾器采用N80級(jí)、φ114.3 mm割縫過濾器，割縫數(shù)304條/m，縫寬0.6 mm，縫長(zhǎng)76 mm。在860 m和420 m處各串聯(lián)1只自膨脹式封隔器。整個(gè)過濾器下放施工作業(yè)平穩(wěn)有序，未出現(xiàn)井下事故，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明過濾器結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度滿足地浸采鈾水平井施工要求。

3.4 水平井注液試驗(yàn)

注液循環(huán)系統(tǒng)主要包括50 m3蓄水池、注液管路、壓力表、流量計(jì)及注液井口裝置。注液泵型號(hào)為GYZS/0.81，最大注液壓力0.8 MPa，最大流量25 m3/h。

通過變頻器調(diào)節(jié)注液壓力，可以得到注液量和注液壓力關(guān)系，如圖10所示。

圖10 注液壓力與注液量的關(guān)系Fig. 10 Relationship between liquid injection pressure and liquid injection volume

從圖10可看出，隨注液壓力升高，注液量不斷增加，最高注液量達(dá)23.61 m3/h。以200 m水平段布置5口注液直井計(jì)，相當(dāng)于單口直井注液量為4.72 m3/h，與周圍直孔的注液量(普遍低于2.4 m3/h)相比，水平井單井注液量提高了約1倍。

4 結(jié)論

1)研制了6種規(guī)格N80材質(zhì)的割縫過濾器，通過抗壓強(qiáng)度測(cè)試優(yōu)選出規(guī)格為φ104 mm、割縫數(shù)304條/m、縫寬0.6 mm的過濾器。對(duì)該過濾器進(jìn)行的數(shù)值建模分析和室內(nèi)長(zhǎng)距離注水試驗(yàn)表明，0～9.6 m距離內(nèi)溶液壓力穩(wěn)定、全段幾乎無壓降，可實(shí)現(xiàn)水平井均勻布液。

2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明水平井注液量為23.61 m3/h，按水平段距離可布置5口注液直井計(jì)，相當(dāng)于直井單孔注液量為4.72 m3/h，較常規(guī)直井注液量提高1倍。割縫過濾器建造技術(shù)在地浸采鈾領(lǐng)域是可行的。