铀矿冶

样品编号	套管材质	试样外径/mm	公称压力/MPa	检验温度/℃	失效压力/MPa	备注
1#	UPVC套管	148.0	5	20	6.23	试样脆性破裂
2#	UPVC套管	148.0	5	20	6.17	试样脆性破裂
3#	UPVC套管	148.0	5	20	6.31	试样脆性破裂
4#	玻璃钢套管	152.8	10	23	28.90	管体渗漏失效
5#	玻璃钢套管	152.8	10	23	28.30	管体渗漏失效

样品编号	套管材质	试样外径/mm	公称压力/MPa	检验温度/℃	失效压力/MPa	备注
1#	UPVC套管	148.0	5	20	6.23	试样脆性破裂
2#	UPVC套管	148.0	5	20	6.17	试样脆性破裂
3#	UPVC套管	148.0	5	20	6.31	试样脆性破裂
4#	玻璃钢套管	152.8	10	23	28.90	管体渗漏失效
5#	玻璃钢套管	152.8	10	23	28.30	管体渗漏失效

样品编号	套管材质	试样外径/mm	试样内径/mm	破坏载荷/kN	备注
6#	UPVC套管	148.0	143.0	124.07	管体破裂
7#	UPVC套管	148.0	143.0	120.11	管体破裂
8#	UPVC套管	148.0	143.0	109.78	管体破裂
9#	玻璃钢套管	152.8	137.5	501.78	夹具螺杆断裂,管体及螺纹完好

样品编号	套管材质	试样外径/mm	试样内径/mm	破坏载荷/kN	备注
6#	UPVC套管	148.0	143.0	124.07	管体破裂
7#	UPVC套管	148.0	143.0	120.11	管体破裂
8#	UPVC套管	148.0	143.0	109.78	管体破裂
9#	玻璃钢套管	152.8	137.5	501.78	夹具螺杆断裂,管体及螺纹完好

管材	管材外径	粘接长度/mm	初次破坏力/kN	胶结强度/MPa	平均胶结强度/MPa
UPVC套管	148.0	80	10.18	0.27	0.32
15.24	0.41
9.86	0.27
光滑面玻璃钢套管	152.8	80	26.40	0.69	0.60
18.00	0.47
25.00	0.65
粗糙面玻璃钢套管	142.9	80	79.40	2.21	1.80
55.00	1.53
60.00	1.67
钢套管	146.2	80	111.22	3.03	2.91
103.22	2.81
106.83	2.91

管材	管材外径	粘接长度/mm	初次破坏力/kN	胶结强度/MPa	平均胶结强度/MPa
UPVC套管	148.0	80	10.18	0.27	0.32
15.24	0.41
9.86	0.27
光滑面玻璃钢套管	152.8	80	26.40	0.69	0.60
18.00	0.47
25.00	0.65
粗糙面玻璃钢套管	142.9	80	79.40	2.21	1.80
55.00	1.53
60.00	1.67
钢套管	146.2	80	111.22	3.03	2.91
103.22	2.81
106.83	2.91

地浸采铀高强度玻璃钢套管性能研究

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李宏星 , 侯代稳 , 原渊 , 廖文胜 , 杜志明 , 邓锦勋

铀矿冶 | 开采·选治 2025,44(3): 76-81

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铀矿冶 | 开采·选治 2025, 44(3): 76-81

地浸采铀高强度玻璃钢套管性能研究

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李宏星, 侯代稳, 原渊, 廖文胜, 杜志明, 邓锦勋

作者信息

核工业北京化工冶金研究院,北京 101149

李宏星(1982—),男,河南南阳人,硕士,高级工程师,主要从事原地浸出采铀技术研究。

Performance of High-strength Glass Fiber Reinforced Plastic Casing for In-situ Leaching Uranium

Hongxing LI, Daiwen HOU, Yuan YUAN, Wensheng LIAO, Zhiming DU, Jinxun DENG

Affiliations

Beijing Research Institute of Chemical Engineering and Metallurgy, CNNC, Beijing 101149, China

出版时间: 2025-09-10 doi: 10.13426/j.cnki.yky.2025.03.07

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摘要

收起

地浸采铀工艺套管需兼顾防腐性能和耐压性能。针对致密砂岩型铀矿床复杂的地质条件,对比研究了UPVC、碳钢和玻璃钢三种材质套管的性能。研究表明,UPVC套管防腐性好,但耐压性差;碳钢套管耐压性好,但易腐蚀且成本高;玻璃钢套管防腐性、耐压性和拉伸强度优异。在固井质量方面,玻璃钢套管、碳钢套管、UPVC套管与水泥的胶结强度分别为1.80、2.91、0.32 MPa,玻璃钢套管与水泥的胶结强度表现出明显优势。玻璃钢套管是致密砂岩型铀矿床地浸采铀工艺的最佳选择,能够满足防腐性能和耐压性能的双重要求,可保障钻井质量和使用寿命。

关键词

玻璃钢套管 / 耐压性能 / 防腐性能 / 地浸采铀 / UPVC套管

Abstract

收起

The casing for in-situ leaching uranium needs to take into account the anti-corrosion performance and pressure resistance. In view of the complex geological conditions of dense sandstone uranium deposits, the performance of casing made of three materials, namely unplasticized polyvinyl chloride(UPVC), carbon steel and glass fiber reinforced plastic(GFRP), had been comparatively investigated. The results show that UPVC casing has good corrosion resistance but poor pressure resistance; carbon steel casing has good pressure resistance but is easy to corrode and has high cost; GFRP casing is excellent in corrosion resistance, pressure resistance and tensile strength. In terms of cementing quality, the cementing strength of GFRP casing, carbon steel casing and UPVC casing with cement is 1.80, 2.91 and 0.32 MPa respectively, and the cementing strength of GFRP casing with cement shows obvious advantages. GFRP casing is the best choice for in-situ leaching uranium in dense sandstone uranium deposits, which can meet the requirements of anti-corrosion performance and pressure resistance, and can guarantee the quality and service life of the drilling.

Key words

GFRP casing / pressure resistance / anti-corrosion performance / in-situ leaching uranium / UPVC casing

引用本文

李宏星, 侯代稳, 原渊, 廖文胜, 杜志明, 邓锦勋. 地浸采铀高强度玻璃钢套管性能研究. 铀矿冶, 2025 , 44 (3) : 76 -81 . DOI: 10.13426/j.cnki.yky.2025.03.07

Hongxing LI, Daiwen HOU, Yuan YUAN, Wensheng LIAO, Zhiming DU, Jinxun DENG. Performance of High-strength Glass Fiber Reinforced Plastic Casing for In-situ Leaching Uranium[J]. Uranium Mining and Metallurgy, 2025 , 44 (3) : 76 -81 . DOI: 10.13426/j.cnki.yky.2025.03.07

正文

收起

在地浸采铀工艺中,钻井是地下流体自含矿层涌向地表的唯一通道^[1],其质量至关重要,成井工艺是确保地浸钻井质量的关键因素之一^[2]。目前,地浸采铀工艺钻井主要采用UPVC材质套管^[3-4],石油领域工艺钻井一般采用碳钢材质套管^[5]。

内蒙古地区致密砂岩型铀矿床具有低渗透、岩石致密坚硬、地下水氯离子含量高等特征^[6],需要采用压裂、高压注液等手段对含矿层进行改造;套管材质既要满足压裂和高压注液等对耐压性能的要求,又要满足高氯离子地下水对防腐性能的要求。不同材质的套管在防腐性能、耐压性能、塑性破坏等方面存在差异^[7-10]。因此,需要针对致密砂岩型铀矿床对套管耐压性能和防腐性能的要求开展套管选材研究。

套管与水泥环的胶结强度是评价固井质量的关键参数,不同材质套管的胶结强度不同。因此,笔者对比了UPVC、碳钢、玻璃钢三种材质在化学性质、力学性质、固井质量方面的差异,旨在优选适宜地浸采铀特殊作业(如射孔、压裂、高压注液、高氯离子地下水等)的高强度防腐套管材质。

1 套管材质基本性能

收起

UPVC具有耐腐蚀性强、绝缘性好、重量轻等优点^[11-12],尤其是对酸、碱、盐等化学物质具有良好的耐腐蚀性^[13],已成为地浸采铀工艺钻井套管的主要材料。但UPVC材料承压能力普遍较差,一般在1.6 MPa以下^[14];且UPVC材料低温韧性差^[15],在紫外线强光照射下易老化^[16]。

碳钢中含碳量越高,硬度越大,强度也越高,但塑性越低^[17]。钢套管具有耐高温、耐高压、使用寿命长等优点,适用于各种复杂地质条件。据研究,油田用N80钢套管(规格为ϕ139.7 mm×7.72 mm)的抗内压强度达53.37 MPa^[18];但钢套管易被腐蚀,富含氧气、二氧化碳、高氯离子等条件影响其使用寿命^[19-20]。不锈钢材质在耐腐蚀方面具有优良特性,但因其价格昂贵会大幅增加施工成本。

玻璃钢(GFRP)重量轻、强度高,具有良好的耐腐蚀性、绝缘性能、耐候性、抗老化性等优点^[21-22]。玻璃钢的相对密度约为碳钢的1/4,但其拉伸强度接近于碳钢^[23],玻璃钢已被广泛应用于化学化工行业。玻璃钢可设计制造成各种形状和尺寸,能够满足不同的工程需求^[24]。玻璃钢套管具有较好的耐磨性能^[25],其内壁光滑,流体摩阻压力损失小^[26]。

2 不同套管的力学性能

收起

由于碳钢材质套管的力学性能优异,远远高于目前地浸采铀钻孔对套管力学参数的要求,因此本研究仅对UPVC、玻璃钢材质套管的力学性能进行对比测试。

2.1 短时失效压力

根据《流体输送用塑料管材液压瞬时爆破和耐压试验方法》(GB/T 15560)对UPVC套管开展短时失效压力试验,根据《纤维增强热固性塑料管短时水压失效压力试验方法》(GB/T 5351)对玻璃钢套管开展短时失效压力试验,使套管试样处于水平状态,均匀、连续加压,直至试样失效。试验结果见表1。试验表明,UPVC套管、玻璃钢套管的短时失效压力分别平均为6.24 MPa和28.60 MPa,玻璃钢套管的短时失效压力是UPVC套管的4.58倍,玻璃钢套管的耐压性能远高于UPVC套管的耐压性能。

2.2 拉伸强度

根据《热塑性塑料管材拉伸性能测定》(GB/T 8804.2)对UPVC套管开展拉伸强度试验,根据《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》(GB/T 5349)对玻璃钢套管开展拉伸强度试验,将装好试样的夹持装置安装在试验机的两夹头间,均匀、连续加载,直至试样破坏,试验结果见表2、图1。

试验过程中夹具螺杆断裂,试样管体、螺纹与钢接箍连接处均未失效。因此,玻璃钢套管的拉伸强度大于501.78 kN。试验表明,UPVC套管的拉伸强度为117.99 kN,玻璃钢套管的拉伸强度约为UPVC套管的4.25倍,玻璃钢套管的拉伸强度远大于UPVC套管的拉伸强度。

3 不同套管的固井质量对比

收起

固井质量的好坏直接关系到钻孔的使用寿命。在地浸采铀固井工艺中,套管和水泥环的接触界面被称为第一胶结面。良好的第一胶结面胶结强度能够保证套管与水泥环之间的密封性能,可防止井内流体在套管和水泥环之间窜流,为后续的高压射孔、压裂、抽注液等工艺环节提供基础保障。不同材质的套管与水泥之间的胶结强度不同,可通过第一胶结面胶结强度试验来测试不同套管的固井质量。

在胶结强度试验中,采用同心双圆筒模拟钻孔,内环模拟套管,外环模拟地层,内外环之间装填水泥,内环外表面与水泥之间的界面模拟第一胶结面,使用力学万能试验机测试不同材质套管与固井水泥之间的胶结强度。

3.1 试样制备

将水灰比1∶1的水泥混合物分别装填至不同材质套管的装置内,静置72 h后进行试验,试验套管的材质有UPVC、光滑面玻璃钢、粗糙面玻璃钢、碳钢,对每种材质分别进行3次试验。不同材质套管与水泥胶结情况见图2。

3.2 胶结强度试验

使用力学万能试验机对不同管材分别进行破坏力试验,取得破坏力数值,从而计算不同材质与水泥粘接的胶结强度。不同材质套管的胶结强度试验结果见图3、表3。

从表3可看出,UPVC套管的平均胶结强度为0.32 MPa,光滑面、粗糙面玻璃钢套管的平均胶结强度分别为0.60 MPa和1.80 MPa,钢套管的平均胶结强度为2.91 MPa。因此,不同材质套管的胶结强度由高到低依次为钢套管、粗糙面玻璃钢套管、光滑面玻璃钢套管、UPVC套管,故选用玻璃钢套管作为地浸采铀工艺套管,其胶结强度远高于目前使用的UPVC套管,能够满足现场需要。对玻璃钢套管外表面进行粗糙化处理,能够增大套管外表面摩擦力,进一步提高固井质量。

4 结论

收起

针对致密砂岩型铀矿床地质条件,通过对不同材质套管的性能研究,综合考虑耐压性能、防腐性能和固井质量,得出以下结论:

1)玻璃钢套管综合性能优异,兼具耐压性(短时失效压力28.3 MPa)、高强度(拉伸强度>501.78 kN)、耐腐蚀性、绝缘性和抗老化等优良特性,其耐压性能和强度显著优于UPVC套管(短时失效压力6.17 MPa,拉伸强度109.78 kN),其防腐性能优于碳钢套管。

2)在固井质量方面,不同材质套管与水泥之间的胶结强度差异显著。玻璃钢套管的胶结强度(粗糙面玻璃钢套管1.80 MPa)仅次于碳钢套管(2.91 MPa),远高于UPVC套管(0.32 MPa),能够满足高压作业钻井的固井质量要求。

3)玻璃钢套管是该矿床地浸采铀工艺钻井套管的最佳选择,可满足地浸采铀特殊作业(如射孔、压裂、高压注液、高盐水等)对钻井套管耐压性能和防腐性能的要求,同时其固井质量也较好,能够有效保障钻井的质量和使用寿命。

参考文献

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文献

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2025年第44卷第3期

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421

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doi: 10.13426/j.cnki.yky.2025.03.07

接收时间：2025-03-21
首发时间：2025-09-06
出版时间：2025-09-10

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收稿日期：2025-03-21

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核工业北京化工冶金研究院,北京 101149

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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样品编号	套管材质	试样外径/mm	公称压力/MPa	检验温度/℃	失效压力/MPa	备注
1#	UPVC套管	148.0	5	20	6.23	试样脆性破裂
2#	UPVC套管	148.0	5	20	6.17	试样脆性破裂
3#	UPVC套管	148.0	5	20	6.31	试样脆性破裂
4#	玻璃钢套管	152.8	10	23	28.90	管体渗漏失效
5#	玻璃钢套管	152.8	10	23	28.30	管体渗漏失效

样品编号

套管材质

试样外径/mm

公称压力/MPa

检验温度/℃

失效压力/MPa

备注

UPVC套管

148.0

6.23

试样脆性破裂

UPVC套管

148.0

6.17

试样脆性破裂

UPVC套管

148.0

6.31

试样脆性破裂

玻璃钢套管

152.8

28.90

管体渗漏失效

玻璃钢套管

152.8

28.30

管体渗漏失效

样品编号	套管材质	试样外径/mm	试样内径/mm	破坏载荷/kN	备注
6#	UPVC套管	148.0	143.0	124.07	管体破裂
7#	UPVC套管	148.0	143.0	120.11	管体破裂
8#	UPVC套管	148.0	143.0	109.78	管体破裂
9#	玻璃钢套管	152.8	137.5	501.78	夹具螺杆断裂,管体及螺纹完好

样品编号

套管材质

试样外径/mm

试样内径/mm

破坏载荷/kN

备注

UPVC套管

148.0

143.0

124.07

管体破裂

UPVC套管

148.0

143.0

120.11

管体破裂

UPVC套管

148.0

143.0

109.78

管体破裂

玻璃钢套管

152.8

137.5

501.78

夹具螺杆断裂,管体及螺纹完好

管材	管材外径	粘接长度/mm	初次破坏力/kN	胶结强度/MPa	平均胶结强度/MPa
UPVC套管	148.0	80	10.18	0.27	0.32
15.24	0.41
9.86	0.27
光滑面玻璃钢套管	152.8	80	26.40	0.69	0.60
18.00	0.47
25.00	0.65
粗糙面玻璃钢套管	142.9	80	79.40	2.21	1.80
55.00	1.53
60.00	1.67
钢套管	146.2	80	111.22	3.03	2.91
103.22	2.81
106.83	2.91

管材

管材外径

粘接长度/mm

初次破坏力/kN

胶结强度/MPa

平均胶结强度/MPa

UPVC套管

148.0

10.18

0.27

0.32

15.24

0.41

9.86

0.27

光滑面玻璃钢套管

152.8

26.40

0.69

0.60

18.00

0.47

25.00

0.65

粗糙面玻璃钢套管

142.9

79.40

2.21

1.80

55.00

1.53

60.00

1.67

钢套管

146.2

111.22

3.03

2.91

103.22

2.81

106.83

2.91