李召坤，胡柏石，李建華，楊立志，秦 昊，李 坡

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

在砂巖型鈾礦地浸鉆孔施工過(guò)程中，環(huán)空注漿的目的是為了加固井眼，保持開(kāi)采柱的穩(wěn)定。水泥漿的加注質(zhì)量直接影響后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程能否順利進(jìn)行；加注水泥的效率直接影響成井周期的長(zhǎng)短，這對(duì)超深砂巖鈾礦的地浸開(kāi)采尤為重要。

目前地浸鉆孔注漿主要以正向注漿為主，即在套管與井壁的環(huán)空中下入注漿插管，進(jìn)行注水泥作業(yè)。這種注漿方式容易造成環(huán)空堵塞，套管極易因上頂力過(guò)大而向上移動(dòng)；而且在未獲得井徑數(shù)據(jù)的情況下，不易保證水泥漿能夠返出地面。為避免上述情況的發(fā)生，通常采用內(nèi)管逆向注水泥技術(shù)，簡(jiǎn)稱逆向注漿技術(shù)。這種方法需要在套管內(nèi)下入注漿插管，水泥通過(guò)套管中的注漿管注入到井底，然后通過(guò)環(huán)空上返至地面[1-2]。

逆向注漿技術(shù)的難點(diǎn)在于注漿過(guò)程中的套管密封問(wèn)題[3]。常用的密封方法分為井下密封和井口密封。為此，設(shè)計(jì)了2種井下密封裝置和1種井口密封裝置，并在新疆某超深鈾礦地浸鉆孔施工中進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選合適的密封裝置。

1 逆向注漿工藝優(yōu)勢(shì)

逆向注漿工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的正向注漿工藝，主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在3個(gè)方面。

1.1 注漿效率高

常規(guī)正向注漿過(guò)程，需要在注漿的同時(shí)緩慢上提注漿管柱，過(guò)程較為繁瑣，直接影響注漿效率；而逆向注漿工藝下入注漿插管后，可一次性完成注漿，中間不需要停頓，效率較高。

1.2 水泥環(huán)質(zhì)量好

逆向注漿過(guò)程中，水泥漿從環(huán)空均勻上返，可將環(huán)空中的鉆井液頂替出去，過(guò)程中不易形成水泥和鉆井液的混合物，也不會(huì)產(chǎn)生氣泡，可以提高水泥與井壁及套管的膠結(jié)質(zhì)量，提高凝結(jié)后水泥環(huán)的質(zhì)量，從而提高井的使用壽命。

1.3 鉆井速度和成本有優(yōu)勢(shì)

采用常規(guī)注漿工藝時(shí)，注漿管需要從套管與井壁之間的空隙下入井底，因此在套管尺寸一定的情況下需要較大的裸眼井徑。逆向注漿過(guò)程中，注漿管從套管內(nèi)下入，對(duì)套管與裸眼井壁之間的空間無(wú)要求。因此在使用逆向注漿工藝時(shí)，可以適當(dāng)降低裸眼井徑，從而提高鉆井速度，降低鉆井成本。

2 逆向注漿密封裝置設(shè)計(jì)

在注漿過(guò)程中，為確保水泥漿不會(huì)存留在套管內(nèi)，設(shè)計(jì)了球閥式和滑套式2種井下密封裝置和1種井口密封裝置。

2.1 球閥式逆向注漿裝置

球閥式逆向注漿器由孔底逆止閥、逆向注漿器注漿插管和套管轉(zhuǎn)換接頭組成，如圖1～3所示。

球閥式逆向注漿裝置工作原理：孔底逆止閥通過(guò)套管轉(zhuǎn)換接頭安裝在套管的底部，與套管一起下放。逆向注漿器與注漿管連接，在套管安裝完成后與孔底逆止閥對(duì)接，將孔底逆止閥中的單向閥(球閥)打開(kāi)，同時(shí)利用預(yù)先安裝在注漿插管上的O型圈產(chǎn)生密封。

2.2 滑套式逆向注漿裝置

滑套式逆向注漿裝置插管及套管接頭與球閥式逆向注漿裝置類似；但孔底逆止閥采用滑套結(jié)構(gòu)，其裝配如圖4所示?；资侥嫦蜃{裝置工作原理與球閥式類似，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)下入插管后，滑套下滑打開(kāi)注漿孔；上提插管時(shí)，滑套上行完成密封。

2.3 井口密封裝置

井口密封裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。該裝置與套管采用螺紋連接，中心設(shè)置帶臺(tái)階的孔，用來(lái)下放注漿插管；插管下到位后，使用鎖緊壓冒密封注漿管與坐封插座間的空隙，達(dá)到井口密封效果。在底座上安裝壓力表，用來(lái)監(jiān)測(cè)注漿過(guò)程中孔內(nèi)的壓力變化情況。

3 逆向注漿工藝參數(shù)優(yōu)選

在逆向注漿過(guò)程中，井內(nèi)流體種類較多，壓力體系復(fù)雜且隨著注漿的進(jìn)行在不斷變化。因此，在注漿施工之前有必要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，并校核注漿過(guò)程中的套管強(qiáng)度，以免在壓差作用下?lián)p毀套管。

3.1 注漿泵壓計(jì)算

逆向注漿過(guò)程是將水泥漿注入孔底，并使水泥漿在泵壓和液柱壓差的作用下由孔底上返到地表的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程中需要克服的阻力為不同流體在不同流動(dòng)空間內(nèi)的流動(dòng)阻力Pf[4]。流動(dòng)阻力計(jì)算公式為

Pf=9.81×10-3hfρ，

(1)

式中：Pf—流動(dòng)阻力，MPa；hf—管內(nèi)流動(dòng)水頭損失，m；ρ—流體密度，g/cm3；9.81—重力加速度常數(shù)，N/kg。

在圓管中，hf計(jì)算公式為

(2)

在環(huán)形空間中，hf計(jì)算公式為

(3)

式(2)(3)中：λ—流體流動(dòng)摩阻系數(shù)，一般取0.025；L—流道長(zhǎng)度，m；d—注漿插管的直徑，m；v—流體流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；D—裸眼井直徑，m。

注漿過(guò)程涉及到的流體主要有水泥漿、鉆井液、清水，故總的流體流動(dòng)摩阻計(jì)算公式為

(4)

式中：L1—注漿管內(nèi)清水的長(zhǎng)度，m；L2—注漿管內(nèi)的水泥漿長(zhǎng)度，m；L3—環(huán)空水泥漿長(zhǎng)度，m；L4—環(huán)空鉆井液長(zhǎng)度，m；v1—注漿管內(nèi)流體流速，m/s；v2—環(huán)空中流體上返的速度，m/s；D—裸眼井徑，m；d1—注漿插管的內(nèi)徑，m；d2—PVC-U套管外徑，m；ρ水、ρ泥漿、ρ鉆井液—分別為水、泥漿、鉆井液的密度，g/cm3；λ1—清水與注漿管的摩阻系數(shù)；λ2—泥漿與注漿管的摩阻系數(shù)；λ3—泥漿與井壁的摩阻系數(shù)；λ4—鉆井液與井壁的摩阻系數(shù)。摩阻系數(shù)主要與流體性質(zhì)及管路材質(zhì)有關(guān)，層流狀態(tài)下管壁的粗糙度對(duì)該系數(shù)影響較小，可以按λ=0.304/Re0.239計(jì)算(Re為流動(dòng)雷諾數(shù))，在現(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中，不同流體在管中以層流方式運(yùn)動(dòng)，其雷諾數(shù)基本一致。因此，根據(jù)石油行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在工程計(jì)算中可以取λ=0.025。

逆向注漿過(guò)程中，除了泵壓驅(qū)使泥漿流動(dòng)外，注漿管與套管內(nèi)外液柱壓差Ph也是流體流動(dòng)的原因之一，Ph計(jì)算公式為

Ph=9.81×10-3(ρ水L1+ρ泥漿L2-

ρ泥漿L3-ρ鉆井液L4)；

(5)

所以，理論上需要的泵壓P為

P=Pf-Ph。

(6)

正常情況下水泥漿密度要大于清水和鉆井液密度，由式(4)(5)(6)可知，當(dāng)注漿管及環(huán)空全部充滿水泥漿后，內(nèi)外壓差最小，流動(dòng)阻力最大，此時(shí)的泵壓即為注水泥所需要的最大泵壓。

在700 m孔深條件下，現(xiàn)場(chǎng)使用的水泥漿密度為1.54 g/cm3，注漿管柱長(zhǎng)度為700 m，裸眼孔直徑為269 mm，注漿管內(nèi)徑為38 mm，套管外徑為152 mm，泵排量為90 L/min，代入式(4)(5)(6)中可以計(jì)算得出需要的最大泵壓約為3.8 MPa。

3.2 套管強(qiáng)度校核

在超深鉆孔中，套管自身重量對(duì)套管抗外擠強(qiáng)度的影響不可忽略?？紤]軸向拉力作用，套管的抗外擠強(qiáng)度為

(7)

式中：Poc—考慮軸向拉力條件下套管抗外擠強(qiáng)度，MPa；Pc—不考慮軸向拉力條件下的套管抗外擠強(qiáng)度，MPa；L—套管長(zhǎng)度，m；Fm—單位長(zhǎng)度套管凈重，kN/m；Fs—套管管體屈服強(qiáng)度，kN。

目前現(xiàn)場(chǎng)使用的PVC-U套管，在無(wú)軸向拉力條件下的抗外擠強(qiáng)度為10 MPa，長(zhǎng)度凈重為0.085 6 kN/m，套管屈服強(qiáng)度為180 kN，將參數(shù)代入式(7)，得出套管的抗外擠強(qiáng)度計(jì)算式為

Poc=10.3-3.52×10-3L。

(8)

由式(8)可知，套管的實(shí)際抗外擠壓強(qiáng)度隨著套管長(zhǎng)度(自重)的增加而減少。在700 m孔深條件下，最小的套管抗外擠強(qiáng)度為7.84 MPa。

套管內(nèi)外最大壓差的計(jì)算公式為

ΔP=9.81×10-3×L×(ρ泥漿-ρ鉆井液)，

(9)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可求得最大的內(nèi)外壓力差為2.06 MPa。由此可見(jiàn)，在700 m孔深條件下，最大內(nèi)外壓差小于考慮軸向拉力條件下的套管最小抗外擠強(qiáng)度；在逆向注漿過(guò)程中，目前地浸現(xiàn)場(chǎng)使用的152 mm PVC-U套管強(qiáng)度安全可靠。

3.3 坐封壓力計(jì)算

在逆向注漿過(guò)程中使用井口密封裝置完成密封時(shí)，需要考慮最大坐封壓力，以保證施工過(guò)程中井口工作人員的安全。井口壓力最大值出現(xiàn)在以下情況：1)下裸式注漿結(jié)束候凝時(shí)，最大壓力為套管內(nèi)外壓力差，在700 m孔中，由式(9)計(jì)算得最大壓力差為2.06 MPa；2)在切割式鉆孔結(jié)構(gòu)中，最大壓力出現(xiàn)在滑套未正常打開(kāi)、水泥漿直接進(jìn)入套管內(nèi)時(shí)，此時(shí)井口最大壓力為泵的最大壓力，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中使用NB-390型泥漿泵，該泵的最大壓力(憋壓狀態(tài)下)為11 MPa。綜合考慮，設(shè)計(jì)的井口密封裝置最小的密封壓力必須大于11 MPa。

到目前為止，已經(jīng)有若干種常見(jiàn)的零重力補(bǔ)償方法，例如：水浮法、氣浮法、懸掛法等[8-13]。其中，水浮法與氣浮法分別通過(guò)水的浮力和氣懸浮產(chǎn)生的托舉力來(lái)抵消重力。相應(yīng)的重力補(bǔ)償裝置體積龐大，結(jié)構(gòu)繁瑣，移動(dòng)不便，需要配置資源多，同時(shí)展開(kāi)過(guò)程不穩(wěn)定，使用上受到諸多限制；而由于伸桿在展開(kāi)過(guò)程中是一點(diǎn)一點(diǎn)伸出來(lái)，懸掛法在此并不適用。因此，急需設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，操作方便，補(bǔ)償精度高的重力補(bǔ)償裝置。

4 逆向注漿工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 注漿管柱結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)裝置

在切割式鉆孔結(jié)構(gòu)中，使用井口密封裝置配合滑套式逆向注漿裝置實(shí)現(xiàn)逆向注漿作業(yè)，這種方式具有雙重密封效果，安全可靠，其管柱結(jié)構(gòu)如圖6所示[5]。下裸式鉆孔工藝是在鉆至上隔水層上部時(shí)起鉆，下PVC-U套管后注水泥，待水泥凝固后再用小直徑鉆頭揭露含礦含水層。在下裸式鉆孔結(jié)構(gòu)中，使用井口密封裝置實(shí)現(xiàn)逆向注漿工藝，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)。下裸式鉆孔逆向注漿管柱結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4.2 逆向注漿工藝施工

4.2.1 注漿前準(zhǔn)備工作

在注漿前需要進(jìn)行的準(zhǔn)備工作：1)用擴(kuò)眼鉆頭通井至井底，遇阻掃井；2)循環(huán)調(diào)配泥漿密度在1.12 g/cm3左右，并在其他準(zhǔn)備工作未完成之前保持泥漿循環(huán)，并定時(shí)上下活動(dòng)鉆具，以防卡鉆；3)保證套管的數(shù)量和質(zhì)量滿足要求，絲扣完好，本體無(wú)裂紋；4)根據(jù)測(cè)井資料計(jì)算水泥漿用量，備足所需水泥(或MTC)；5)備工業(yè)鹽并在罐內(nèi)將其配制成鹽水(下裸式不需此步驟)；6)準(zhǔn)備0.5、1.0、2.0、3.0 m套管短節(jié)各2根；7)保證井口套管有可靠的固定方案和措施；8)檢查插管注漿工具筒體內(nèi)有無(wú)雜物，檢查內(nèi)部滑套是否處于裝配時(shí)的關(guān)閉狀態(tài)，檢查插管及所需變扣是否齊全完好，并在筒體內(nèi)壁注入少許機(jī)油潤(rùn)滑。

4.2.2 施工步驟

1)在準(zhǔn)備工作就緒的前提下，起出井下通井管柱，并在井筒內(nèi)灌滿泥漿。

2)下入滑套式逆向注漿控制閥及套管，自下而上管柱結(jié)構(gòu)為支撐尾管、逆向注漿控制閥、套管。此步驟要求：①準(zhǔn)確丈量井下工具及套管長(zhǎng)度，并做好記錄；②保證套管內(nèi)壁清潔，不得有雜物；③每根套管(含下部尾管)絲扣部位纏繞足夠生膠帶，并涂密封膠，且絲扣擰緊，以確保套管密封；④套管外每100 m加裝1個(gè)套管扶正器；⑤邊下套管邊將套管內(nèi)灌滿鹽水。

3)下注漿插管。自下而上管柱結(jié)構(gòu)為配套4道密封圈插管、φ42 mm注漿管、1根3.0 m短節(jié)(本體裝套1只φ119 mm扶正器)、變扣1.660TBG(公)、23/8″鉆桿扣(母)、23/8″鉆桿扣(公)。此步驟要求：①下井前檢查插管上的密封圈是否完好；②準(zhǔn)確丈量下井所有工具及鉆桿長(zhǎng)度，并做好記錄；③除鉆桿扣外，其他絲扣均纏繞足夠的生膠帶，且每處絲扣必須上緊；④每根鉆桿吊起后，用鎯頭敲擊，清除其內(nèi)泥、砂等雜物；⑤遇內(nèi)通道堵塞、絲扣損壞、密封臺(tái)肩損壞等情況鉆桿不得下入。

4)插入插管(下裸式結(jié)構(gòu)鉆孔無(wú)此步驟)。當(dāng)?shù)撞坎骞芙咏禄组_(kāi)關(guān)位置(即下至最后1根鉆桿)時(shí)，連接管線開(kāi)泵循環(huán)，邊進(jìn)行大排量正沖洗邊緩慢下放管柱，并密切觀察懸重和泵壓變化情況。當(dāng)泵壓突然升高時(shí)，應(yīng)立即停泵，并將泵出口放空閥打開(kāi)，繼續(xù)緩慢下放管柱；直至懸重下降至10 kN左右后重新開(kāi)泵試循環(huán)，觀察套管內(nèi)、外返液情況。如果套管內(nèi)返液不明顯、套管外返液明顯，說(shuō)明井下滑套打開(kāi)正常，可轉(zhuǎn)入下步工序；否則適當(dāng)下放插管再試。最后1根注漿插管下放到位后，在套管口安裝井口密封裝置，完成井口密封。

5)注水泥漿。用清水試循環(huán)確認(rèn)插管插入成功、套管固定可靠；從鉆桿管內(nèi)大流量泵注水泥漿；當(dāng)套管外水泥漿返至地面頂替清水時(shí)，準(zhǔn)確計(jì)量清水頂替量；頂替完清水、確認(rèn)套管固定可靠后，緩慢拔出插管，上提高度2.0～3.0 m。

6)起出井下全部鉆桿及插管。邊提邊向套管內(nèi)灌滿清水，其間要確保套管不得向上移動(dòng)。如果無(wú)法立即起出全部鉆桿，洗井后應(yīng)將插管起出2 m以上，并保持井口(套管內(nèi))不滲不漏，且每隔2 h上下活動(dòng)1次鉆桿。

7)關(guān)井候凝。將套管固定牢靠，套管內(nèi)灌滿清水，關(guān)井候凝48 h。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

在新疆某超深鈾礦床，采用逆向注漿工藝施工12個(gè)鉆孔(表1)，其中：切割式鉆孔結(jié)構(gòu)施工4個(gè)；下裸式鉆孔結(jié)構(gòu)施工8個(gè)。采用φ152 PVC-U采鈾套管，從套管內(nèi)下φ40 mm注漿管至套管底部；水泥漿密度為1.54 g/cm3，采用NB-390型泥漿泵，排量為90 L/min；單井注入水泥漿約37 t，平均完孔深度741 m；注漿過(guò)程無(wú)滲漏，全部12口井逆向注漿作業(yè)順利。注漿結(jié)束后，井口壓力約為3.4 MPa；靜置約12 h后，壓力變?yōu)? MPa。此時(shí)水泥已經(jīng)完成初凝，拆除井口密封裝置，注漿作業(yè)順利完成。

表1 逆向注漿試驗(yàn)工藝鉆孔統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

1)700 m孔深條件下，逆向注漿所需要的最小泵壓為3.8 MPa，考慮軸向拉力條件下套管抗擠強(qiáng)度最小為7.84 MPa，井口密封裝置的最小密封壓力必須大于11 MPa。

2)在切割式鉆孔結(jié)構(gòu)中推薦使用井口密封裝置配合滑套式逆向注漿控制閥的工藝組合；在下裸露式鉆孔結(jié)構(gòu)中推薦單獨(dú)使用井口密封裝置實(shí)現(xiàn)逆向注漿。

3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明滑套式逆向注漿控制閥和井口密封裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作較方便。逆向注漿工藝可靠，可以有效提高注漿成功率和注漿質(zhì)量，適用于超深地浸砂巖鈾礦鉆孔施工。