空氣泡沫鉆進技術在煤田地質勘探中的應用研究

王少杰

摘 ?要：空氣泡沫鉆進作為一種增壓鉆進技術，相比于其他地質鉆探技術，主要具有含水量較少、鉆進時間較短、地層內應力釋放效果好等優勢，現在已經被廣泛應用于石油鉆探、水文水井鉆探和煤田地質勘探等領域。該文主要利用空氣泡沫鉆進技術方法分析，對不同地質環境下的煤田巖層、巖心進行鉆探，以解決部分地區復雜地層的勘探與鉆進難題。

關鍵詞：空氣泡沫鉆進 ?煤田 ?地質勘探 ?應用

中圖分類號：P634.6 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（c）-0031-02

空氣泡沫鉆進作為一種增壓鉆進技術，可以通過泡沫液注入量、供風量等鉆進要素的不斷增加，提高地質鉆進過程中的鉆探速度、壓力。當前我國不同地區使用的空氣泡沫鉆進技術，能夠對2000m以內的地質巖心進行鉆探，鉆進深孔地層的最大靜水位可達500m左右，鉆進時鉆柱內部壓力較高、空氣泡沫沿內壓流動，產生較強的負壓作用力，促使地層巖石發生爆裂或破碎，從而滿足不同煤田地質流速的勘探與鉆進要求。

1 ?空氣泡沫鉆進技術的工藝及鉆進規程

1.1 空氣泡沫鉆進技術的工藝實現

泡沫鉆進主要采取繩索取芯硬質合金的鉆頭鉆進工藝，對不同地質地層狀況的煤田，進行地質勘探、鉆進工作。相比于金剛石鉆進技術，泡沫鉆進技術的鉆頭外出刃、底出刃較大，為滿足深層鉆進的靜液流速要求，需對鉆進供風量、泡沫液注入量等要素進行數值增大，以保證高速鉆進條件下的碎石壓力、排巖性能。根據煤田地質勘探中不同的地層狀況，選擇泡沫液注入量、注入組分及氣液比：（1）對于膠結性較強粘土層地質，要采用200∶1泡沫液氣液比，并在其中加入穩泡劑、水解度50%交聯劑等，形成干性普通泡沫。（2）對于結構松散、易破碎的水溶性地層，可以采用100∶1泡沫液氣液比，并加入穩泡劑、交聯劑等泡沫溶液，進行碎裂、坍塌土層地質的鉆進，鉆進時的供氣量為5～7m3/min，（3）對于地層巖石較硬、結構較穩定的鉆進，則要采用300∶1泡沫液氣液比，并適當增大鉆進供風量至7～10m3/min，鉆進壓力提高為3～5MPa，以避免鉆進過程中地層涌水、孔內靜液柱高度增加等狀況的發生。

1.2 空氣泡沫鉆進技術的鉆進規程

在利用空氣泡沫鉆進技術，開展煤田地質勘探、鉆進過程中，通常會用到空氣壓縮機、泡沫液注射泵等設備。其中對于空氣壓縮機參數配置的選擇，要依據鉆進孔徑、鉆進深度、地層涌水量等數據，選擇供風量為5～10m3/h、供風壓力為5MPa的空氣壓縮機，進行靜水位小于500m的深孔鉆進。而在泡沫液注射泵型號、規格的選擇方面，需要依據空氣壓縮機參數、泡沫鉆進工藝，確定泡沫液注射泵的泵壓、泵量等變量要素，如注射泵壓力為5MPa、泵量控制在30L/min之內。當在鉆進地層涌水量較大、孔徑內靜液柱高度增加時，尤其在鉆進孔徑深度大于300 m情況下，應增大空氣壓縮機、泡沫液注射泵的功率，提高泡沫液注入量、供風量，并增加穩泡劑、交聯劑等泡沫溶液的含量，來滿足巖石地層高速鉆進、巖石排屑的工作需求。

2 ?煤田地質勘探中采用空氣泡沫鉆進技術的優勢

相比于復雜金屬礦層的金剛石鉆進，空氣泡沫鉆進技術主要采取泡沫作為沖洗介質，使用硬質合金、復合片等較大出刃鉆頭，進行粘土、亞粘土、砂巖等地質的鉆進工作，沖洗鉆進過程中的含水量少、鉆柱壓力小，因此其不僅具有金剛石鉆進的優勢，還具有以下幾方面優勢。（1）適用的煤田地層環境更加廣泛。空氣泡沫鉆進的硬質合金、復合片等大出刃鉆頭，可以被用于西北地區、盆地煤田地層等的鉆進作業，其在單位時間內的泡沫柱壓力更小、鉆進時效更高，能夠完成煤礦采空區、溶洞地層等的鉆進。（2）緩解煤田地質的水化膨脹。地層泡沫鉆進中的大部分泡沫為壓縮空氣，含水量只有空氣水含量的1/300，該結構性流質在煤田鉆進中的應用，可以大大減少自由水含量，解決地層在鉆探過程中的涌水膨脹問題。（3）空氣泡沫鉆進的地層應力釋放效果好。泡沫沖洗介質相比于其他沖洗液，在鉆進工程中產生的壓力、沖刷力度更小，能夠更加容易鉆進煤田地層中心進行勘探。同時由于孔底鉆鉆頭出刃大、鉆頭外圍過流通道也較大，其可以在鉆進煤田地層面時，得到更加良好的應力釋放，即使面對凝灰巖、砂礫巖等堅硬巖石的鉆進作業，也能夠使用硬質合金、復合片等鉆頭輕松完成鉆進。

3 ?空氣泡沫鉆進技術在煤田地質勘探中的應用

當前在煤田地質勘探中，空氣泡沫鉆進技術的應用非常廣泛，該文以云南昭通煤田地質鉆進為例，研究空氣泡沫鉆進技術在地質鉆探中具有的重要作用。云南昭通新近紀煤田為砂巖、礫巖及泥質巖組成結構，在對該地質巖層進行鉆探試驗過程中，首先使用頂漏鉆進方式進行套管下入與鉆進，鉆進時不使用泡沫沖洗介質、沖洗液等結構流質，鉆進至地層50m出現泥漿、水泥漿、完井液等的漏失問題，且經由鉆進孔洞的地層漏失達多處，由此對鉆進泥漿消耗、鉆進速度等產生嚴重影響。

在這一情況下，使用空氣泡沫鉆進的灌注系統，對240m深、340m深兩處鉆孔進行鉆進試驗，其中泡沫鉆進進尺速度為1. 8m/h、轉速為577rpm，隨后提高空氣壓縮機供風量、泡沫液注入量，等待泡沫上返進入巖層裂隙，具體孔深、孔徑與鉆進進尺如表1所示。以上兩個孔洞的空氣泡沫鉆進，存在著鉆進增加壓力損失過大的問題，由于鉆進孔徑變化，引起孔底鉆頭周圍泡沫流動的阻力也較大。因此，鉆進過程中要定時查看空壓機、泡沫液注射泵的壓力，不斷地對鉆進輸送管路的泡沫供應量、泡沫組分等進行調整，并調整鉆頭等鉆進設備的規程參數，

根據以上空氣泡沫鉆進數據可以得出，在未進行供風量、泡沫液注入量等參數增加情況下，泡沫鉆進進尺、鉆進實效性較低，無法發揮泡沫鉆進的真正優勢。之后通過增大空氣壓縮機、泡沫液注射泵等設備功率，以及增加穩泡劑、交聯劑等泡沫溶液的含量，對孔深為340m底層進行鉆進作業，會提高煤田鉆探孔徑、泡沫鉆進進尺等的數值，試驗表明在地層涌水量低于5m3/h情況下，空氣泡沫鉆進技術的動力損耗、設備成本損耗更低，對粘土、砂礫巖等地質的鉆進優勢明顯，能夠滿足普通煤田地層巖石的勘探、鉆進要求。

4 ?結語

在煤田地質勘探、鉆進過程中，地層受到壓力而產生的泥漿、水泥漿、完井液等漏失狀況時常出現。而空氣泡沫鉆進具有泡沫低密度、孔壁侵蝕作用弱等特性，鉆孔泡沫能夠很容易進入凍結巖層、弱膠結巖層或漏失巖層，提高煤田地質勘探的巖心鉆進率。由于空氣泡沫鉆進技術，采用繩索取芯硬質合金的鉆進工藝，其可以在空氣壓縮機、泡沫液注射泵等裝置作用下，增大鉆進壓力值至5MPa，并能夠大量攜帶、包裹鉆孔周圍的碎裂巖粉，從而完成易破碎水溶性地層、漏失地層等的鉆進作業。

參考文獻

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