一种清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置及方法与流程

1.本发明涉及原地浸出采铀技术领域，尤其涉及一种清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置及方法。


背景技术：

2.地浸采铀是用化学溶液，通过钻孔从天然埋藏条件下具有一定渗透性能的砂岩铀矿体中，选择性提取和回收铀金属的一种铀矿采冶工艺。该工艺需将溶浸剂注入地下，沿矿层渗流，浸出矿石中的铀，形成浸出液并被提升出地表，经过水冶处理后分离、回收浸出液中的金属铀。开采过程中，在水力梯度的作用下，矿层中的泥质、粉砂质细颗粒向抽液井方向运移，造成机械堵塞；溶浸剂与矿石反应，生成钙、镁、铁、铝等化学沉淀，造成化学堵塞。抽液井过滤器及其周边地层是机械和化学堵塞最为严重的部位。日积月累，透过过滤器进入井筒内的细颗粒和化学沉淀一部分会残留在过滤器内壁，一部分则沉积在过滤器下部的沉砂管内，甚至掩埋掉部分过滤器段，也使井筒变得脏污。上述现象会导致钻孔抽液量降低和浸出液中铀浓度下降，极大地影响矿山的正常生产和运行。有鉴于此，洗井一直是地浸铀矿山最繁重的日常工作，洗井工艺也是地浸采铀技术领域的重要研究课题。
3.通常，洗井方法有两类，分别是化学法和物理法。化学法需要向堵塞部位注入化学试剂，通过化学反应溶解细颗粒和化学沉淀物。但是所使用的化学试剂往往会改变过滤器部位地层的ph值环境，进而带入一些新的杂质离子，对浸出及后续吸附、淋洗、沉淀等水冶工序造成不利影响。此外，严格意义上讲，化学法仅仅是发挥了溶蚀的作用，堵塞物并没有外排出井口，所以还需辅以物理法将堵塞物排出地表，达到疏通过滤器及其周边地层孔隙通道的目的。物理法洗井则是通过洗井设备产生的负压冲击、震荡、冲刷等作用，疏通过滤器及其周边地层的孔隙通道并清洗过滤器下部的沉砂管，如破壁枪法、活塞法、压缩空气法、气液混合喷射法和气体泡沫冲洗法等，其中，最经典也是最实用的洗井方法为压缩空气法。
4.压缩空气法系指通过输风管道，将空气压缩机产生的高压空气送入钻井套管内的一定深度，在风管与套管之间的环形空间形成气液混合物，受高压空气推动，气液混合物向上运动，从下到上气液混合物的比重由大变小，气泡由小变大，近井口时气泡破裂，气液实现分离并从井口同时喷出。此时，地层水便会源源不断地快速涌向过滤器，汇入井筒，再与压缩空气混合，形成连续不断的气液混合物从井口流出。过滤器及其周边地层中的细颗粒、化学沉淀物，沉砂管内的泥砂随气液混合物带出地表，以此达到洗井的效果。
5.压缩空气法虽可实现清洗钻孔的目的，但还存在一些不足，主要体现在以下几个方面：
6.(1)地浸钻孔的清洗通常采用pe软管作输风管，由于pe软管的密度比水稍轻，下放过程中管内密封有空气，因此，输风管往往难以一次性下放到过滤器部位或沉砂面附近，特别是钻孔深、含矿层地下水位又浅的情况下，需要边洗井边下风管。即使这样，部分钻孔输风管也难以下放到过滤器部位或沉砂管底端，不能完全清洗干净沉砂管内的沉砂，洗井工
作费力、费时。
7.(2)来自地层的高压流体只是在过滤器的法向方向冲击堵塞物，而后再沿套管轴向流出井口。虽然在法向上对堵塞物的冲击力很大，但对过滤器内壁(各过滤孔之间的壁面)已经结垢的化学沉淀、沉砂管内沉积的泥砂洗井效率偏低。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是：提供一种清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置及方法，洗井效率高，操作简单，制造方便。
9.本发明提供了一种清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置，包括：空压机、输气软管、转换接头，钢管；
10.所述空压机与输气软管连接，所述输气软管与钢管通过转换接头连接；
11.所述钢管内部的末端设置有旋流件，所述旋流件包括导流锥体和与其底面焊接的圆柱体，所述导流锥体为一圆锥，旋流叶片间隔焊接于圆柱体的侧面；所述旋流叶片的厚度为上窄下宽渐扩型；
12.所述导流锥体的顶端朝向转换接头端。
13.优选地，所述圆柱体的底部与钢管的底部端面齐平。
14.优选地，所述旋流件焊接于所述钢管内部的末端。
15.优选地，所述钢管直径与输气软管直径一致，钢管及输气软管与转换接头螺纹连接，所述转换接头为钢塑转换接头，外加金属卡箍。
16.优选地，所述导流锥体底端面的直径为所述钢管内径的0.35～0.65倍，所述导流锥体的高径比范围为1.5～3.5，所述圆柱体的高径比范围为1.5～3.5。
17.优选地，所述旋流叶片由多个螺旋叶片组成，其个数为偶数且至少是4个，叶片均匀地布置在圆柱体侧面，所述旋流叶片的高度与所述圆柱体的高度一致。
18.优选地，所述旋流叶片的上端厚度与所述圆柱体直径的比值范围为0.05～0.35，下端厚度与上端厚度的比值范围为1.5～3.0。
19.优选地，所述旋流叶片的螺旋角范围为30
°
～60
°
。
20.优选地，所述旋流件采用316l不锈钢或采用304不锈钢。
21.本发明提供了一种清洗地浸钻孔的静态旋流洗井方法，包括以下步骤：
22.将上述技术方案所述清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置的钢管下放入井内套管底端的过滤器或沉砂管部位；
23.开启空压机，气体通过输气软管及钢管进入井内套管，开始洗井；
24.测量井内沉砂管沉砂高度或钻孔流量并作记录，待满足洗井要求后关闭空压机，将气体输送管提出井口，洗井结束。
25.与现有技术相比，本发明的清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置，采用导流锥体及旋流叶片构造旋流，耦合离心力作用“引入旋流、加强湍流、强化脉冲”以解堵洗井，其结构紧凑，不易损坏；采用厚度变化的渐扩叶片构造渐缩流道，提高流体动压，可形成高速旋流；采用内置金属导流锥体和旋流叶片的不锈钢管适应于地浸采铀复杂流体环境，更能增加气体输送管的自重，便于一次性下放到过滤器部位或沉砂面附近。装置设计理念清晰，方法操作简便，洗井性能优越。
附图说明
26.图1表示清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置结构示意图；
27.图2表示选流体结构示意图；
28.图3表示堵塞物流动示意图；
29.图4表示单个叶片示意图；
30.图中，
31.1-空压机，2-输气软管，3-转换接头，4-钢管，5-旋流件，6-导流锥体，7-旋流叶片，8-井口，9-套管，10-渐缩流道，11-过滤器，12-沉砂管。
具体实施方式
32.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明的限制。
33.本发明的实施例公开了一种清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置，如图1所示，包括：空压机1、输气软管2、转换接头3，钢管4；
34.所述空压机1与输气软管2连接，所述输气软管2与钢管4通过转换接头3连接；
35.所述钢管4内部的末端设置有旋流件5，优选地，所述旋流件焊接于所述钢管内部的末端，所述圆柱体的底部与钢管的底部端面齐平，
36.如图2和3所示，所述旋流件5包括导流锥体6和与其底面焊接的圆柱体，所述导流锥体6为一圆锥，其作用是引导气体均匀地进入旋流叶片7的流道；旋流叶片7间隔焊接于圆柱体的侧面，以形成旋流通道；所述旋流叶片之间的旋流通道，其本质是将轴流流体变为旋流流体，即将流体由直线运动转为切向运动，耦合离心力作用产生高速旋流冲刷堵塞物及井底泥砂。
37.所述导流锥体6的顶端朝向转换接头端。
38.所述钢管4直径与输气软管2直径一致，钢管4及输气软管2与转换接头3螺纹连接，所述转换接头3为钢塑转换接头，外加金属卡箍。
39.所述导流锥体6底端面的直径为所述钢管内径的0.35～0.65倍，所述导流锥体的高径比范围为1.5～3.5，所述圆柱体的高径比范围为1.5～3.5。
40.所述旋流叶片7由多个螺旋叶片组成，其个数为偶数且至少是4个，叶片均匀地布置在圆柱体侧面，所述旋流叶片的高度与所述圆柱体的高度一致。
41.所述旋流叶片7的厚度为上窄下宽渐扩型，上端厚度与所述圆柱体直径的比值范围为0.05～0.35，下端厚度与上端厚度的比值范围为1.5～3.0。该种设计的旋流叶片，通过流道截面积的缩小增大流体流速，提高流体动压，进而构造出高速旋流。
42.所述旋流叶片7的底端，也即所述圆柱体的底端与所述钢管的底端齐平，便于形成的高速旋流立即进入所述气体输送管和井内套管之间的环形空间。
43.所述旋流叶片7的螺旋角范围为30
°
～60
°
。
44.所述旋流件5采用316l不锈钢或采用304不锈钢。根据地浸采铀时采用的试剂酸度进行适当选择。酸法地浸时，材质采用316l不锈钢；中性地浸时，材质采用304不锈钢。
45.本发明实施例还公开了一种清洗地浸钻孔的静态旋流洗井方法，包括以下步骤：
46.将上述技术方案所述清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置的钢管下放入井内套管
底端的过滤器或沉砂管部位；
47.开启空压机，气体通过输气软管及钢管进入井内套管，开始洗井；
48.测量井内沉砂管沉砂高度或钻孔流量并作记录，待满足洗井要求后关闭空压机，将气体输送管提出井口，洗井结束。
49.其工作原理是：空气经空压机1鼓出进入输气软管2，经过井口8进入套管9。气流沿输气软管2流至钢管4，输气软管2与钢管4的连接可通过钢塑转换接头3。气流沿钢管4继续向下流动，由导流锥体6均匀地引至由旋流叶片7形成的渐缩流道10，此时，气流由轴向运动转为切向运动并进入输气软管2、钢管4与套管9之间的环形空间，并形成气液旋流混合物。受高压空气推动，气液混合物旋转向上运动，从下到上气液混合物的比重由大变小，气泡则由小变大，近井口8时气泡破裂致使气液分离并从井口同时喷出。此时，在套管9与地层水之间形成巨大的压力差，地层水便快速地由过滤器11涌入套管9，再次与由输气软管2、钢管4而来的气体形成气液旋流混合物，气液旋流混合物进一步搅动井内底部沉砂管12内的沉砂、冲刷过滤器11的孔道和内壁以及套管9的内壁，旋转向上携带堵塞物排出井口8，以此实现洗井的目的。
50.对于过滤器内壁的化学结垢，提供切向剪切力更有利于清除结垢；同时，在过滤器部位或套管内的沉砂面附近形成旋流场、湍流场，有利于搅动底部沉砂向上运动，能使钻孔清洗工作效率更高、更加彻底。
51.此外，在旋流场中，切向速度沿套管或过滤器的径向呈“双涡”分布，即靠近边壁为准强制涡，靠近中心为准自由涡，其最大切向速度是入射速度的3～4倍；切向速度的分布是由于旋流场中压力的分布所导致，同无旋流相比，可强化地层水进入过滤器内的脉冲效应。
52.同压缩空气法比较，本发明引入离心力作用，不仅更容易在井内强化湍流从而带动堵塞物运动，而且构造出的切向力为疏通井下过滤器、冲刷过滤器内壁以及搅动沉砂和冲刷套管内壁提供了新的技术支撑；同时，采用流道渐缩式旋流出口，可以构造出高速旋流，而旋流速度越快，一方面越容易冲刷过滤器、沉砂管和套管，另一方面也越容易携带堵塞物流动；也正因为存在旋流效应，套管内部的压力会重新分布，而这可增强地层水进入过滤器的脉冲效应；此外，本发明均采用静部件，实际应用时耐受性更强，阻力也更小。因此，本发明在不改变原有压缩空气法安装方式，不占用额外空间的前提下，可大幅度提高现有洗井装置的效果。
53.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的清洗地浸钻孔的静态旋流洗井装置进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
54.实施例1
55.内蒙古二连盆地某地浸采铀井
56.铀矿井深大于300m，抽液孔套管内径为dn 128mm；风机设计压力为5mpa，实际工作约为3.5mpa，空气输送管内径为dn 25mm，钢管长度为1m；导流锥高度为20mm，底部圆直径为9mm；旋流叶片个数为6个，也即叶片旋转角为60
°
(360
°
/6＝60
°
)，螺旋角设置为60
°
，垂直高度为25mm，宽度为7mm，承载叶片的圆柱体直径为9mm，这样便于叶片和气体输送管内壁焊接，叶片顶部厚度为1mm，底部厚度为2mm，如图3所示。
57.根据测量沉砂管内沉砂高度的结果，选择两口沉砂高度接近的井，高度约为6m，一口井用常规压缩空气法洗井，另一口井则用本发明专利洗井。连接试验装置，下放输气管开
始洗井。试验结果表明：气体输送管可一次性下放到位，在相同的操作参数下，当洗至两口井的沉砂高度一致时(沉砂高度低于1m，为0.5～0.6m)，压缩空气法所用时长约为2.5小时，本发明所用时长约为1.5小时，效率提升40％。可见，在洗井效果相当的前提下，本发明可节省洗井时长，说明耦合离心力后洗井效果可显著提升。
58.实施例2
59.新疆伊利盆地某地浸采铀井，此地为运行多年的地浸采铀井，通过判断抽液量决定是否洗井。正常生产时，抽液量一般大于4m3/h，当抽液量下降至2m3/h以下时认为井下堵塞严重，此时洗井的目的是为提高抽液量。
60.铀矿井深大于350m，抽液孔套管内径为dn 128mm；风机设计压力为5mpa，实际工作约为3.5mpa，空气输送管内径为dn 25mm，钢管长度为1m；导流锥高度为20mm，底部圆直径为9mm；旋流叶片个数为8个，也即叶片旋转角为45
°
(360
°
/8＝45
°
)，螺旋角设置为50
°
，垂直高度为25mm，宽度为7mm，承载叶片的圆柱体直径为9mm，这样便于叶片和气体输送管内壁焊接，叶片顶部厚度为1mm，底部厚度为1.5mm。
61.经井下电视观察和取样分析，发现套管及过滤器堵塞严重，堵塞物种主要是细砂、絮状凝结物和胶状物沉淀。选择两口抽液量均低于2m3/h的井，分别命名为井a和井b，井a抽液量约为1.85m3/h，井b抽液量约为1.80m3/h。用压缩空气法洗井a，用本发明专利洗井b。连接试验装置，下放输气管开始洗井。试验结果表明：气体输送管可一次性下放到位，在相同的操作参数下，对于井a，当抽液量达到4.0m3/h，洗井用时约为4小时；对于井b，当抽液量达到4.0m3/h，洗井用时约为3小时。进一步，当抽液量达到4.0m3/h后继续洗井2小时：对于井a，其抽液量达到4.5m3/h；对于井b，其抽液量可达5.2m3/h(此时，井a和井b的沉砂高度均低于1m)。
62.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
63.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。