張 建 ，王艷麗，吳國強(qiáng)

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000;2.中國煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲 054001)

空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)在復(fù)雜漏失地層中的應(yīng)用

張 建1，王艷麗1，吳國強(qiáng)2

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000;2.中國煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲 054001)

山西霍州煤電集團(tuán)鑫博煤業(yè)霍3號(hào)水源井工程，地層復(fù)雜漏失嚴(yán)重，開始采用頂漏鉆進(jìn)，工程進(jìn)度難以保證，施工成本高，后改用空氣泡沫鉆進(jìn)，解決了漏失地層鉆進(jìn)難題，鉆進(jìn)效率高，鉆探成本低。介紹了該水源井空氣泡沫鉆進(jìn)施工工藝，并對(duì)鉆探效果及成本進(jìn)行了對(duì)比分析。

空氣泡沫鉆進(jìn);復(fù)雜漏失地層;頂漏鉆進(jìn);ADF－3泡沫劑

1 概述

空氣泡沫鉆進(jìn)是多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)方法之一，廣泛應(yīng)用于石油鉆探、地礦巖心鉆探、煤田探采、地質(zhì)災(zāi)害治理、水文水井等領(lǐng)域。該方法可以有效克服復(fù)雜地層破碎、坍塌、漏失、干旱、地下水位埋深等條件下的鉆井難題，可以成倍地提高鉆效，降低鉆探成本。

由中國煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì)承接的山西霍州煤電集團(tuán)鑫博煤業(yè)霍3號(hào)水源井工程，由于區(qū)域水文地質(zhì)條件和地層條件比較復(fù)雜，鉆井過程中采用常規(guī)鉆井工藝一度根本無法成井，工程進(jìn)度很難保證，鉆井成本極高。經(jīng)咨詢研究，改用空氣泡沫鉆井工藝，順利完成了該井的施工任務(wù)，既解決了施工難題，也節(jié)約了成本，取得了滿意的施工效果。圖1為施工現(xiàn)場(chǎng)。

2 工程概況

該工程所在地區(qū)地層情況為:0～10 m，第四系覆蓋層;10～70 m，二疊系;70～160 m，石炭系，巖性為泥巖、砂巖、煤層;160～661 m，奧陶系，巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖;661～950 m，寒武系，巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。由此可見，所鉆巖石類型主要為砂巖、頁巖、煤層、灰?guī)r，巖石可鉆性好，但地層節(jié)理裂隙較發(fā)育，鉆孔嚴(yán)重漏失。

圖1 中煤第四水文地質(zhì)隊(duì)山西水源井施工現(xiàn)場(chǎng)

鉆孔設(shè)計(jì)深度950 m。開孔直徑445 mm，終孔直徑244.5 mm。

采用的主要鉆井設(shè)備及鉆具為:TSJ－2000E型鉆機(jī)，TBW－850/50型泥漿泵，120PH6135柴油機(jī)(配泵)，160PH6135AD－3型柴油機(jī)(配鉆機(jī))，25M/50TA型井架及底盤和其他鉆探輔助設(shè)備，

3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆井工藝選擇

由于受施工環(huán)境和條件的限制(需要拉水施工)，從180～351.77 m采用頂漏鉆進(jìn)施工工藝，泥漿泵由設(shè)計(jì)工作排量的51 m3h調(diào)整為12～15 m3h，以最大限度地節(jié)約用水，降低施工成本。但鉆進(jìn)中巖屑根本不能正常排出，而且平均進(jìn)尺不到1.0 m/h，每日純鉆進(jìn)時(shí)間不到10 h，同時(shí)還冒著埋鉆卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。為降低成本，提高鉆效，下部351～950 m井段選擇采用空氣泡沫鉆進(jìn)。

4 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)

4.1 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)泡沫屬于低密度介質(zhì)，鉆孔內(nèi)靜水壓力小，有利于減少孔內(nèi)漏失和提高鉆井速度;

(2)在破碎等復(fù)雜地層中對(duì)地層的沖刷作用小，可起到保護(hù)孔壁的作用;

(3)由于巖屑顆粒外表被泡沫包裹，形成一層保護(hù)膜，防止巖粉粘結(jié)，不致形成泥包，因此排粉排屑能力強(qiáng)于空氣和水;

(4)由于泡沫對(duì)巖心的沖刷作用小，有利于提高巖礦心的采取率;

(5)停機(jī)停風(fēng)時(shí)可以降低巖屑沉降速度，避免埋鉆事故;

(6)泡沫具有洗井液的作用，不會(huì)在含水層孔壁形成泥皮，可增加出水量。

4.2 泡沫劑的選擇及泡沫液配制

泡沫劑是空氣泡沫鉆進(jìn)成功的技術(shù)關(guān)鍵，選擇的泡沫劑應(yīng)具有良好的發(fā)泡性能，抗鹽及鈣鎂離子能力強(qiáng)，穩(wěn)泡性好。經(jīng)過比對(duì)，選用了中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的ADF－3泡沫劑。該泡沫劑為淡黃色液體，發(fā)泡能力強(qiáng)，水溶性、配伍性、穩(wěn)定性都比較好。

泡沫劑添加比例為4‰，即1 t水中添加4 kg ADF－3泡沫劑，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，形成穩(wěn)定的泡沫液。

4.3 空氣泡沫鉆進(jìn)所需設(shè)備

PB－30型泡沫泵:壓力3 MPa，排量30 L/min;孔口密封導(dǎo)流裝置:133×133方鉆桿使用，通孔直徑320 mm;VF－10/60－C型空壓機(jī);高壓空氣管路(既可用無縫鋼管也可是鋼絲編織膠管，耐壓10 MPa以上)。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置及管路連接情況如圖2所示。

圖2 空氣泡沫注入管路連接示意

5 鉆進(jìn)效果及對(duì)比分析

該孔180～351.77 m采用頂漏鉆進(jìn)施工工藝，由于需拉水施工，從人力和成本考慮，泵量開得較小，水到孔內(nèi)即漏掉，無法形成循環(huán)，巖屑滯留孔內(nèi)極易產(chǎn)生孔內(nèi)事故。從351.77 m開始采用空氣泡沫鉆進(jìn)，泡沫泵設(shè)計(jì)工作排量為3 m3h，但實(shí)際排量為5.5 m3h，泡沫劑加量為3‰～4‰，空壓機(jī)三級(jí)工作壓力為0.4～0.5 MPa。此間采用的鉆壓、轉(zhuǎn)速和地層層位與頂漏鉆進(jìn)近乎相同，平均鉆進(jìn)時(shí)效達(dá)到3.0 m(此數(shù)據(jù)為井深351.77～494 m的統(tǒng)計(jì)結(jié)果)?？諝馀菽@進(jìn)效果與頂漏鉆進(jìn)效果分析對(duì)比如下。

5.1 鉆探時(shí)效及對(duì)比

從表1、表2可以看出，在用時(shí)天數(shù)基本相同的情況下，泡沫鉆進(jìn)與頂漏各項(xiàng)指標(biāo)比分別為:鉆探進(jìn)尺1∶0.55;純鉆時(shí)間1∶1.18;平均鉆效1∶0.48;這樣在純鉆時(shí)間基本一致時(shí)，泡沫鉆進(jìn)與頂漏的鉆效比約為2∶1。

5.2 鉆探成本測(cè)算

表3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)未包括經(jīng)營、管理、輔助工作及設(shè)備再投入所發(fā)生的費(fèi)用。從表3可得出以下結(jié)論:在400 m井深范圍，泡沫鉆進(jìn)所需成本只為頂漏鉆進(jìn)的37.2%。如按水井工程截止500 m井深的平均鉆效1.90 m/h測(cè)算(鉆探進(jìn)尺146.09 m，純鉆時(shí)間77.3 h)，空氣泡沫鉆進(jìn)每米材料消耗直接鉆探成本為342.58元，而頂漏鉆進(jìn)的每米鉆探成本為764.00元，空氣泡沫鉆進(jìn)施工用成本只占到頂漏鉆進(jìn)的44.84%。

表1 頂漏鉆進(jìn)鉆時(shí)、鉆效統(tǒng)計(jì)

表2 空氣泡沫鉆進(jìn)鉆時(shí)、鉆效統(tǒng)計(jì)

表3 空氣泡沫鉆進(jìn)與頂漏鉆進(jìn)階段性成本費(fèi)用測(cè)算對(duì)比

表4為全井段各項(xiàng)費(fèi)用數(shù)據(jù)的對(duì)比，其泡沫鉆進(jìn)所需成本約占頂漏鉆進(jìn)成本的66.25%，結(jié)合階段性成本所占44.84%的比例測(cè)算，泡沫鉆進(jìn)與頂漏鉆進(jìn)從成本與功效上基本都為2∶1。如考慮到泥漿鉆進(jìn)在后期施工中泥漿泵所用燃料的成本，其成本還將有所增加。反之排除由于山地、雨雪天氣、冬季施工等外界因素的影響，泡沫鉆進(jìn)在施工用時(shí)與經(jīng)濟(jì)成本上還將有所降低。

表4 全井段泡沫鉆進(jìn)與頂漏鉆進(jìn)成本統(tǒng)計(jì)對(duì)照

6 結(jié)語

(1)從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不難看出，在同等條件下，空氣泡沫鉆進(jìn)比傳統(tǒng)頂漏鉆進(jìn)顯示出較大的優(yōu)勢(shì)。

(2)空氣泡沫鉆進(jìn)的功效為傳統(tǒng)鉆進(jìn)的2～3倍，成本只為其1/3～1/2，并更大限度地提高了純鉆進(jìn)時(shí)間，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)隨著逐步掌握空氣泡沫鉆進(jìn)的工藝方法，排除與克服了因設(shè)備能力所造成的井(孔)排渣、粘壁等客觀因素影響以及孔內(nèi)易出現(xiàn)的不安全隱患。實(shí)踐證明，空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)可進(jìn)行各類基巖地層條件下施工井(孔)的嘗試與推廣。

(4)通過這次在水井復(fù)雜漏失地層的嘗試采用空氣泡沫鉆進(jìn)工藝，為水井鉆探摸索出了一種行之有效的新技術(shù)，也為其他鉆探施工遇到困難時(shí)提供了參考借鑒。

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Application of Air-foam Drilling Technology in Complex Leakage Formation

ZHANG Jian1，WANG Yan-li1，WU Guo-qiang2(1.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China;2.No.4 Hydrogeological Party，China National Administration of Coal Geology，Handan Hebei 056001，China)

The leakage is serious in the complex formation of a water source project in Huozhou coal-electricity group of Shanxi.Drilling against circulation loss was adopted at first with high construction cost，but it was still difficult to guarantee the project progress.The drilling difficulties in leakage formation were solved by are-foam drilling with high drilling efficiency and low drilling cost.The paper introduced the technology of air-foam drilling in the water source well construction and analyzed the drilling effect and the drilling cost with comparison.

air-foam drilling;complex leakage formation;drilling against circulation loss;ADF－3 foam agent

P634.6

B

1672－7428(2012)08－0032－04

2012－06－04;

2012－07－08

張建(1953－)，男(漢族)，北京人，中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所高級(jí)工程師，機(jī)械專業(yè)，長期從事鉆探設(shè)備與器具的研究、推廣與鉆掘施工工作，河北省廊坊市金光道77號(hào)，zhangjiankts@163.com。