空气泡沫增压钻探技术及应用-第二讲

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1、第二讲：空气泡沫增压钻探技术及应用第二讲：空气泡沫增压钻探技术及应用主 要 内 容 一一、 概 述 、 概 述 二二、泡沫钻探的使用范围 、泡沫钻探的使用范围 三三、泡沫及其主要性质 、泡沫及其主要性质 四四、泡沫钻探的设备 、泡沫钻探的设备 五五、水泵泡沫增压钻探工艺 、水泵泡沫增压钻探工艺 六六、固体矿产泡沫钻探应用 、固体矿产泡沫钻探应用 七七、水文水井泡沫钻探应用 、水文水井泡沫钻探应用 八八、技术经济效益对比分析、技术经济效益对比分析一、 概述 一、 概述 ? 早在五十年代中期早在五十年代中期，泡沫就开始应用于 ，泡沫就开始应用于 钻井工程钻井工程，当时美国为在干旱缺水地 ，当时美国

2、为在干旱缺水地 区区，以及稳定性又差的地层中钻井，以及稳定性又差的地层中钻井，首 ，首 次在内华达洲使用了泡沫次在内华达洲使用了泡沫。 。 ? 1957年，加拿大为克服含水层钻进的困 年，加拿大为克服含水层钻进的困 难也采用了泡沫钻进。 难也采用了泡沫钻进。 ? 六十年代初期，前苏联也开始了泡沫钻 六十年代初期，前苏联也开始了泡沫钻 进的试验研究，初期用于修井作业进的试验研究，初期用于修井作业，后 ，后 逐渐推广到油井钻进中。 逐渐推广到油井钻进中。 ? 七十年代开始用于固体矿床钻探。 七十年代开始用于固体矿床钻探。 ? 八十年代由于各种类型的增压装置研制 八十年代由于各种类型的增压装置研制

3、成功，使得泡沫钻进工作量急剧增长。成功，使得泡沫钻进工作量急剧增长。二、泡沫钻探的使用范围二、泡沫钻探的使用范围 1、在沙漠、高山和严冬等供水困难的条件 下钻进。由于泡沫大部分为压缩空气，含 水量很少，仅为空气的1/601/300，采 用泡沫钻进可以大大减少水的消耗量，用 水量可减少90%以上。 2、漏失地层中钻进。由于泡沫对岩层裂隙 和孔洞具有堵塞作用，加上泡沫柱的压力 比水柱小数十倍（泡沫密度为0.032 0.096kg/L），故可以在漏失地层中有效 地钻进。3、在遇水膨胀、缩径和坍塌的地层中钻进。 由于泡沫具有疏水性和泡沫中含水量极 少，故可保证该类岩层孔壁的稳定，避免 遇水所造成的钻进

4、难题。 4、在弱胶结怕冲刷的岩层中钻进。由于泡 沫上返速度小（0.5m/s左右），避免了空 气钻进和泥浆钻进中高速上升气流 （15m/s)和上升液流（1.02.0m/s） 对弱胶结岩层的冲刷作用。5、在永冻地层中钻进。由于泡沫的导热性 和热容量小，可以防止永冻地层融化而造 成的钻进事故。 6、易产生钻头泥包的地层。由于泡沫的携 带岩粉能力强，悬浮能力大，以及泡沫的 疏水性，故钻进时不会产生钻头泥包现象 和卡钻现象。三、泡沫及泡沫剂三、泡沫及泡沫剂 1、气液混合体系、气液混合体系： 在钻进过程中，使用最广的清洗介质是水、 泥浆、聚合物及其它溶液和压缩空气等。而泡沫 是一种由气体和液体组成的气液混

5、合体系。根据 在孔内的流动状态，可以将气液混合体系分成下 述形态：充气液体、雾、泡沫，如图1所示：气 液混合体系中相的状态，常利用气液比X又来衡 量，即指在大气压条件下气体Q g 和液体Q L 体积比： X=Q1/Q2X=Q1/Q2 X 300，雾雾图图1 单相和多相流中清洗介质流动状况示意图单相和多相流中清洗介质流动状况示意图 1空气空气（气体气体）流流；2雾状物雾状物；33气塞泡沫 气塞泡沫 ；4；4稳定泡沫；5充气液体稳定泡沫；5充气液体；6液体；6液体充气液体充气液体是分散多相体系，在该体系 中，液体是被分散的介质，而空气的气体 是分散相，气泡和气体彼此是不连续的。 雾雾是多相分散体系

6、，体系中半径3 10um的小液球（表面活性物质的水溶液） 是分散相，而空气是被分散的介质。 泡沫泡沫是多孔膜状的多相分散体系，由很 多被很薄的水膜分开的小气泡所形成。小 气泡具有多边形状。液体是泡沫体系中的 连续分散介质，而分散相是气体。2、泡沫剂、泡沫剂 泡沫剂一般是由发泡剂、稳泡剂和其 它添加剂三部分组成，通常发泡剂（是泡 沫剂的主要成份）含量在6080%，稳泡 剂含量为0.11.5%,其它添加剂不足 15%，余量为水。 发泡剂有：阴离子型，非离子型，复合 型和高聚物型。 (1) 阴离子型发泡剂阴离子型发泡剂：它在离解时形成带 负电的离子，因而其溶解在水中阳离子不 多。常见的有羧酸盐类，硫

7、酸烷酯、烷基 芳基磺酸盐、磺酸盐等。(2)非离子型发泡剂非离子型发泡剂：它在水中不电离， 它们的溶解度决定于亲水的官能用，所以 这种泡沫剂的最大优点是有很高的抚盐抗 钙能力，不受水质和PH值影响，应用范围 较广。很多性能超过离子型发泡剂，其最 大缺点是溶解速度慢，需要加入大量的助 溶剂。常用的脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚 聚聚氧己醚、聚氧乙烯烷基酰醇胺和氧化 叔胺类。(3) 复合型发泡剂复合型发泡剂：它是在阴离子型发 泡剂的亲水基和亲油基之间插入具有一定 极性的亲水基团。常加入的是聚氧乙烯醚。 由于这种基团的加入，无论在溶解性、分 散性、耐低温性、起泡能力，还是在抗硬 水性上都是优良的，且其生物降

8、解能力 好，可以在23天内完全降解而不污染环 境。常用的有脂肪醇聚氧乙烯硫酸酯盐， 我国研制的KZF 123 、DF1、ADF1、 CDT813等都属于这一类，还有脂肪醇聚 氧丙烯硫酸酯盐如CD1型，其性能与AES 相近。(4)高聚物型发泡剂(4)高聚物型发泡剂：其分子量在 30005000左右，其特点是在一个长链上 有多个亲水基团和极性基团，其起泡能力 很强，稳泡时间较长，不受钙镁的侵蚀。 缺点是合成工艺复杂，成本较高，常用的 有丙烯酰胺和丙烯酸钠共聚物。四、泡沫钻进的设备四、泡沫钻进的设备 泡沫钻进的设备是在常规冲洗液钻进设备基 础上增加了空压机、增压装置、计量泵、消泡 装置和孔口密封装置

9、等。具体连接如图2所示： 1离心泵离心泵；22泡沫箱泡沫箱；3；3控制阀控制阀；4；4柱塞泵柱塞泵；5；5空压机空压机；6压力表；6压力表；7截止阀；7截止阀；8液体流 8液体流 量计量计；99空气流量计空气流量计；10；10逆止阀逆止阀；11；11增压装置；12TBW850/50增压装置；12TBW850/50泥浆；泥浆；1313空气泵空气泵；14；14三通 三通 阀门；15阀门；15套管套管；16；16孔口密封装置孔口密封装置；17；17消泡器；18消泡器；18排液槽；19排液槽；19沉淀池 沉淀池 图2 图2 水泵泡沫增压钻探总体系统图水泵泡沫增压钻探总体系统图1、空气压缩机、空气压缩机

10、 ： 它是制取泡沫，以 及利用喷射装置抽取 和消除泡沫所必须的 设备之一。一般根据 钻进条件、钻孔口径 和制取泡沫的工艺流 程来选择。要求其工 作 压 力 为 0.6 1.2Mpa的低压空 压 机 ， 排 气 量 为 1 9.0m 3 /min。2、计量泵、计量泵 它是用于抽取 和注入泡沫液的设 备，以便将泡沫液 与压缩空气的混 合，故其压力要求 低压空气机等同。 为0.61.2Mpa。 其泵量为10 60L/min。3、水泵泡沫增压装置、水泵泡沫增压装置 若不用增压装置采用上述工作压力 P1.5m/s 4、注入压力 、注入压力 顶浆时：顶浆时： P=2h+(hh 1 )/100+P k （M

11、Pa） h 孔深 P k 管路压力损失 h 1 静水位 正常钻进时：正常钻进时： P=2 h+ P k （MPa）5、钻压、钻压 钻压的确定主要能保证钻头有效破碎岩石，具体根 据地层而定。在钻进裂隙性的、软的、破碎的和软硬夹 层的岩石时要减小钻压；而在研磨性小的岩中钻进时， 要适当加大钻压，总体上与清水钻进相比，由于孔内无 液柱压力和对钻杆柱浮力减小，其钻压也可相应减小。 6、转速、转速 转速的确定，应根据钻机的功率和钻杆强度，尽可 能小的钻具振动和保证管外空间内泡沫体系的稳定性来 选择尽可能高的钻具转速，在研磨性大的、强裂的、破 碎的，多孔洞的，孔壁易塌的地段中钻进，钻具降低 2030%，但

12、在正常岩石中，转速可加大。六、在固体矿床钻探中应用六、在固体矿床钻探中应用 曾先后在甘肃、河北和新疆等之三个干旱缺 水的金矿复杂地层中使用了我们研制的BWZ 250/50型水泵泡沫增压装置进行泡沫钻进，取 得了预期的效果。 为了扩大钻进深的泡沫钻进的应用范围，于 2002年11月16日至12月30日在福建龙岩东中 矿区东中53#、东中52#进行了泡沫金刚石绳 索取心煤田钻探试验。由福建121煤田地质勘探 队进行钻探施工。矿区的地质构造特点矿区的地质构造特点 其主要含煤地层的沉积时代自早二叠世至晚 三叠世，属于华力西印支旋回沉积建造的一部 分。由于构造比较复杂，褶皱、断裂构造很发 育，因而导致地

13、层体面角较大，一盘在 3050之间，急倾斜甚至直立也不鲜见。该 煤区的褶皱以为对称向斜为主。 复杂的褶皱和密集的断裂，对钻探施工影响 很大，常造成孔壁坍塌、掉块、超斜等问题。探 煤钻孔往往在煤系上覆地层中开钻，硬岩或漏水 一般很难避免。另外，缓倾角断裂构造，经常使 煤系与岩溶发育的栖霞灰岩直接接触，溶洞常造 成钻孔的冲洗液量大量漏失，增加了钻探施工的 难度。钻孔结构钻孔结构 设计孔深720米试验现场试验设备钻具取出岩芯返出泡沫应用效果 应用效果 （1）钻进时效高）钻进时效高：在河北试验时，金刚石泡沫钻 进时效达2.35m/h ，而泥浆钻进为1.92m/h， 提高时效22%。 （2）岩芯采取率高

14、）岩芯采取率高：几个矿区岩矿芯采取率都在 95%以上，在河北试验时，每回次连孔底沉淀 的岩粉都钻取上来。 （3）用水量少）用水量少：在新疆一漏失矿区、使用泡沫钻 进一个台班只需用水1.5m3左右，而使用清水或 泥浆需清水15m3 左右，用水量减少90%。（4）孔内事故少：）孔内事故少：由于泡沫携粉能力强。孔底干 净，扫孔次数明显减少，断钻杆次数也减少。 （5）增压装置增压效果明显）增压装置增压效果明显：在福建试验时，都 使用0.7Mpa 左右的低压空压机，其最大增压值 达5.0MPa。 （6）推广成本低）推广成本低：利用水泵泡沫增压装置来进行 泡沫钻进，其推广成本较低，大部分设备都利用 各机台

15、原有，只需少量添置。七、在水文水井钻探中应用 七、在水文水井钻探中应用 先后在宁夏先后在宁夏2口水井中进行泡沫钻进 口水井中进行泡沫钻进 试验试验，第一口井设计孔深第一口井设计孔深700m，地层较 地层较 完整完整。第二口井设计孔深第二口井设计孔深600m，地层较 地层较 复杂复杂，360m以上孔内漏失严重以上孔内漏失严重，下部到下部到 600m涌水特大约涌水特大约1000m3/天。天。1、生产试验区自然状况 生产试验区自然状况 ? 严重缺水 ? 平均降水量200mm，年蒸发量 1000mm ? 荒漠化严重 ? 生态环境脆弱，靠天吃饭 ? 生命工程 ? 图图14 当地的荒漠化地表 当地的荒漠化地表 ? ? 图图15 当地居民储水当地居民储水“水窖水窖”3 、试验区 、试验区 地质和钻孔基 地质和钻孔基 本情况 本情况 图图164、钻探设备和钻具、钻探设备和钻具 1台 BW850/50 泥浆泵 2台 150马力 6135柴油机 1台 由BW1100双缸双作用泥浆泵、4135系 列柴油机（75HP）、BWZ1100泡沫增 压装置、SNB90泡沫注入泵、泡沫混 合器、ZLB80气体流量计等组成。 泡沫灌注车系统