1 水文水井泡沫水泵增压钻探技术研究水文水井泡沫水泵增压钻探技术研究 孙友宏1 ，张祖培1 ，叶建良2，聂衍钊1 （1.吉林大学建设工程学院 吉林 长春 130026；2.中国地质调查局 北京 100035） 0.引言引言 我国西北地区，全区地下水可开采量为 470 亿 m3/a，而目前的开采量仅约 120 亿 m3/a， 地下水开采率为 25%左右，而国外干旱缺水地区平均开采率为 60～70%①故该地区地下水开发潜力大，勘探开发任务重，特别是该地区地下水埋藏深，在水文水井钻探施工过程中， 存在地表施工用水困难，孔内冲洗液严重漏失，每口井施工周期长，钻进效率低，钻探成本 高等难题空气泡沫钻探技术作为一种先进的钻探技术方法，已为全世界钻探同行所公认， 该技术完全能解决上述钻探难题 但该技术的实施需采用高压的泡沫输送设备， 常规的低压 空压机能力不够，只能钻进浅孔，而高压空压机价格昂贵，一般施工队很难承受，再加上设 备笨重，运输不便，功耗大，耗油成本高，使得空气泡沫钻进技术很难在水文水井深孔中推 广使用 前苏联以及保加利亚在推广泡沫钻进时，为解决泡沫供送问题走了另一条路于 80 年 代初利用勘探队已有的往复式水泵， 在其基础上增加一套结构简单的泡沫增压装置， 来代替 价格昂贵的高压空压机。
该装置前苏联已有多项专利，并批量生产目前定型产品有КДУ -11ГР,УКД-Н-3,УКД-Н-4 型三种，该类增压装置在实际生产中最大钻孔深度已达 1360m（预测最大孔深可达 2000m） ，最大增压值为 6.3MPa，其中УКД-Н-3 型在 80 年代 就推广十几台套前苏联学者自称，80 年代以来泡沫钻进技术能在前苏联迅速推广的重要 原因之一是成功地研制了水泵泡沫增压装置 国内从 90 年代开始，原长春地质学院对泡沫水泵增压装置进行研究，经过三轮改进设 计和试验，成功研制了 BWZ-250(Ⅲ)型水泵泡沫增压装置，并已获得中国实用新型专利，该 装置经河北、甘肃、新疆等地野外生产试验，证明其增压原理可行，结构简单，加工容易， 操作方便，成本低等优点，此外，国内原地矿部勘探技术研究所，河北地勘局综合研究队， 中国有色地质局四平探矿机械厂都曾开展过该方面研究 但以上研究仅限于固体矿床小口径钻探用泡沫水泵增压装置， 对于水文水井泡沫水泵增 压钻探技术研究，前苏联曾在小直径水井钻探中推广过НБ-320/6.3 增压装置，但其排量较 小，效果不太理想国内于 1999 年由中国地质调查局立项，由吉林大学承担，开始对该技 术开展深入研究， 经过 3 年室内外试验， 现已成功研制了适合水文水井和地热井泡沫钻探的 BWZ-850、BWZ-1100 和 BWZ-1200 型增压装置。
并在宁夏、北京等地推广使用 1.泡沫水泵增压装置工作原理泡沫水泵增压装置工作原理 泡沫水泵增压装置将低压空气和泡沫液的混合物分别注入水泵， 利用水泵的高压能力将 泡沫增压至水泵的额定压力按照原有水泵的类型，将其分为单作用和双作用型，其中 BWZ-250 型为三缸单作用型，而 BWZ-1100/50 型为双缸双作用型现以 BWZ-1100/50 型为 例，如图 1 所示，在双缸双作用往复泵的基础上加工四个长缸体 3，缸体装于泵体 5 上原来 安装排水阀座的锥面上， 排出阀 1 的下侧有一进气阀 2 与进气风管连接， 排出阀的上侧有出 口与外部管路连接，用于输出高压泡沫，水泵吸入端通过原球阀作为进液阀 4，与泡沫液灌 注泵的排出端连接 增压装置的工作原理可描述为当水泵活塞 6 右行时，左侧缸体内（A）压力降低，排出 阀１关闭，进气阀２和进液阀４打开，低压空气和泡沫液进入缸体内；同时，右侧缸体内压 力升高，进气阀２’和进液阀４’关闭，排出阀１’打开，压缩的气体和泡沫液排出；当水泵活 1 塞左行时，右侧缸体内（B）进气体和泡沫液，左侧缸体内排出气体和泡沫液 2.泡沫水泵增压装置性能参数研究泡沫水泵增压装置性能参数研究 2.1 增压装置的进液量和进液压力增压装置的进液量和进液压力 增压装置的进液量是指通过进液阀的泡沫液量， 由泡沫液注入泵的排量决定， BWZ-1100 型增压装置选用 SNB-90 型泵作为泡沫液注入泵。
该泵有 8 种排量，见表 1 根据孔深、地层情况及进气量来调节泡沫液注入泵的排量 表 1 SNB-90 泡沫液注入泵排量，L/min 排 量 档位 1 2 3 4 慢档 18 28 43 72 快档 25 35 53 90 进液压力指泡沫液注入泵的注液压力，与空压机的进气压力有关，且随孔深增大，背压 增大，进液压力也增大，但增大到空压机额定压力为止，不再增大 2.2 增压装置的实际进气量与进气压力增压装置的实际进气量与进气压力 增压装置的进气量和进气压力由所选用的空压机压力和水泵类型决定， 当选用中、 高压 空压机时， 自然其进气压力和进气量就大 BWZ-1100 型增压装置系统选用英格索兰 P375 或国产 VY-9/7 型低压空压机就可满足水文水井泡沫钻进的进气量的要求，其技术性能参数 如表 2当选用的空压机类型一定时，空压机的额定排气量和排气压力为定值，也就决定了 增压装置的进气量和进气压力 表 2 空压机技术性能参数 类型 理论排气量 额定压力 冷却方式 英格索兰 P375 型压缩机 10.5m3/min 0.7Mpa 单级、喷油、风冷 VY-9/7 型空压机 9m3/min 0.7Mpa 水冷及风冷 1,1’-排出阀 2,2’-进气阀 3-缸体 4,4’-进液阀 5-泵体 6-活塞 7-排出总管 图 1 增压装置工作原理图 1 增压装置的实际进气量由气体流量计来测量，可选用沈阳玻璃仪器厂生产的 LZB-80 型 转子流量计，其技术性能参数如表 3 所示。
表 3 气体流量计技术性能参数 型号 测量范围 m3/h 精度 被测介质温度压力（Mpa） LZB-80 50~250 1.5 0~120 ≤0.6 使用该流量计时， 由于流体和流态往往与分度不一致， 因此， 必须对指示读数进行修正， 已知该流量计分度状态：t=25ºC，P0=1.013×105pa,ρN=1.205kg/m3 故使用状态下气体流量修正到标准状态下流量为： 进气量换算公式： QN -----标准大气压、25℃条件下的气体流量，m3/min； ρN-----标准大气压、25℃条件下的气体密度，kg/ m3； PN-----标准大气压，1.01×105Pa； TN-----室温条件 25℃； Qs -----实际状况下的气体流量，m3/min； ρs -----实际状况下的气体密度，kg/ m3； PS-----实际状况下的进气压力，Pa； TS-----实际状况下进气温度，℃ 2.3 增压装置理论排量的计算增压装置理论排量的计算 增压装置的理论排量 Qˊ由原水泵的排量 Q 1、泡沫液灌注量 Q2、空压机的额定压力 PC 和大气压力 Pa来决定设增压装置的进气量为 Q3，则： Q3= ( PC / Pa)( Q1- Q2)而 Qˊ= Q 3+ Q2= (PC / Pa) (Q1-Q2)+ Q2 使用 BWZ-1100/50 型水泵，最大排量 Q1= 1100L/min，若灌注泵的灌注量 Q2=30L/min， 空压机的额定工作压力 PC=0.7Mpa，Pa=0.1Mpa。
根据上述公式： 送入增压装置的最大进气量为：Q3=0.7×(1100-30)/ 0.1=7.49m3/min 最大泡沫排量为：Qˊ= Q 3+ Q2=7.52m3/min 影响增压装置排量的因素有：原有水泵的排量、泡沫液注入泵的排量、进气压力、带动 大泵的柴油机的功率、钻进地层情况等在实际钻进中，提高柴油机的功率（加大油门） ， 使大泵的活塞往复次数加快，则单位时间内增压装置的排出泡沫液量增大 2.4 增压效率增压效率 增压效率可用如下几种表示方法： 压力增高率π：π=泡沫排出压力/进气压力，可表示出增压装置增压的相对倍数； BWZ-1100 型增压装置压力增高率π=50/7=7.1 最大增压值：是指增压装置达到原有水泵排量的最高额定压力，对于 BW-1100 型水泵 的最高额定压力为 5.0Mpa，则该增压装置正常工作时其最大增压值 5.0Mpa 增压效果μ： μ=增压装置泡沫排出压力－进气压力， 可表示增压装置的普通增压效果 该增压装置增压效果μ=5.0－0.7=4.3Mpa 在实际使用中经常用增压装置最大增压值作为水泵泡沫增压装置的主要技术性能指标 2.5 增压装置的容积效率系数增压装置的容积效率系数 SNNNSS SNTPTPρρ= 1 由于增压装置存在结构死区的影响，使得增压装置的实际进气量比理论进气量要小，其 度量程度可用增压装置的容积效率系数η来表示，η为增压装置的实际进气量与理论排气量之比值。
结构死区的存在是影响增压装置容积效率的主要因素死区体积越大，则容积效率 越低为了减少死区，尽可能使进气阀要靠近排液阀η可表示为： Q实---实际进气量，m3/min； Q理---增压装置理论排量，m3/min 3.BWZ-1100 型泡沫水泵增压灌注车及配套装置型泡沫水泵增压灌注车及配套装置 3.1 泡沫水泵增压灌注车泡沫水泵增压灌注车 针对大口径深水井泡沫钻进研制了一套专门的泡沫灌注系统 该套泡沫灌注系统主要包 括 BW-1100 水泵、 BWZ-1100 水泵泡沫增压装置、 驱动水泵的 4135 系列柴油机一台、 SNB-90 泡沫液注入泵及其带动电机、适用于浅孔的泡沫混合器及各种附属部件等安装在拖车上 泡沫水泵增压灌注车管线系统如图 2 所示，泡沫液小泵排出的泡沫液分成两路，一路 进入泡沫混合器（浅孔泡沫钻进时用） ；另一路进入 BWZ-1100 泥浆泵的吸液口压缩机产 生的低压空气也分成两路，一路进入泡沫混合器（浅孔泡沫钻进时用） ；另一路进入增压装 置的进气阀， 增压装置增压后的泡沫经过高压空气包后进入孔内， 在空气包的排出口还接有 安全阀和排空阀 图 2 泡沫水泵增压灌注车管线连接图 水文水井泡沫水泵增 压装置灌注车平面布置如图 3 所示，实物如图 4。
3.2 消泡装置消泡装置 泡沫钻进时为了形成一个封闭的循环， 必须消除孔内返出的泡沫， 即从上返泡沫中析出 空气，清除岩粉，泡沫剂溶液可再次应用，从而降低成本 根据所采用的工艺操作不同，消泡方法可以分为化学的，机械的，物理的和综合的，化 学消泡方法在大多数情况下非常有效， 有时是唯一可以应用的 但是考虑到化学物质对环境 的危害，特别是水文水井钻探，我们考虑用另一种消泡方法——机械消泡法即利用泡沫钻 进时空压机多余的压缩空气，在机械消泡器内形成高速射流，产生负压，将钻孔内返出的泡 沫吸入消泡器内，由于泡沫内外压差，使得泡沫膨胀破裂，产生气液分离根据喷射器结构 不同分为轴流式消泡器和缝隙式消泡器这里根据水文水井钻探上返泡沫量大小，设计了 FQ-230 缝隙式消泡器，其出口直径为 230mm，消泡量为 4.0m3/min ，消泡率为 0.80，缝隙 宽度为 0.20mm，其消泡量比较大，消泡效率较高，结构原理如图 5 所示 理实 =η 1 1-入口接头；2-消泡管；3-密封圈；4-进气管；5-扩散管 图 5 FQ-230 缝隙式消泡装置结构原理图 3.3 孔口密封装置孔口密封装置 泡沫钻进时孔口必须有一密封装置，。