空气泡沫钻进技术在深水位水井施工中的应用效果

王永全，吴国强，许刘万

（1．中国煤炭地质总局第四水文地质队，河北 邯郸056001；2．中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊065000）

1 引言

在干旱缺水、漏失非常严重的复杂地层开展水文水井钻探，若采用常规清水（泥浆）作为冲洗介质，因水供应带来的许多困难，成本极高、钻效很低且漏失严重，导致钻进根本无法进行。在此情况下我们采用了泡沫剂作为冲洗介质，实践证明它具有钻进效率高、成孔质量好、大大减少了水的用量、成本低的优势。所谓空气泡沫钻进，就是将一定浓度的泡沫剂水溶液，用一定的方式注入空气中，形成气、泡、水三相流体作为冲洗介质的一种钻探工艺方法。我们在山西乡宁某矿区的水源井施工中，根据该井的具体情况，大胆地采用了空气泡沫钻进工艺，较好地解决了钻井周期长、成本高、效率低的问题，取得了非常好的技术效果，使得工程任务圆满完成。

2 水源井的基本概况

2．1 预计钻进地层

这眼井处于丘陵低山地带，设计钻遇地层为：第四系（Q）0～60m，岩性为黄土、砂土；二叠系（P）＋石炭系（C）：60～240m，岩性为泥岩、砂岩和煤层；奥陶系（O）：240～650m，岩性为灰岩、泥灰岩、白云岩；寒武系（ε）：650～950m，未揭穿，岩性为白云岩、白云质灰岩、泥灰岩、泥质白云岩。

取水目的层位为寒武系岩层，预计水位埋深720m。

2．2 设计井身结构

设计井深950 m，井身结构为：

一级（0～70m）：井径394mm，套管377mm；

二级（70～330m）：井径311mm，套管273mm；

三级（330～660m）：井径245mm，套管219mm；

四级（660～950m）：井径190mm，套管168mm（必要时下入）。

各级套管重叠10m以上。

3 空气泡沫钻进技术

空气泡沫钻进即采用空气＋泡沫做为冲洗介质的一种钻探工艺，可以实现气流上返速度（0．6～1．2m／s）不大的情况下，借助泡沫携带岩屑上浮，改进和提高气流携带岩屑的能力，以降低对空压机风量的要求。

含有泡沫剂的气流可以携带较大的颗粒上返地面，保持井底清洁，减少岩石的重复破碎，延长钻头寿命。岩屑颗粒外表被泡沫包裹，防止岩屑粘结，减少泥包、泥环的形成。泡沫剂的润滑性能好，可以降低钻进时的扭矩，减少井内事故的发生。

泡沫剂可连续注入或间歇注入，泡沫剂的浓度一般为0．1～0．2%，加量视地层及井内情况而定。泡沫泵的压力应比空压机的压力稍微大些。

4 空气泡沫钻进技术措施

（1）为保证钻进时所产生的岩屑能较好地排至地表，要求空气＋泡沫剂的输送量能保证其上返速度不小于0．5m／s。

（2）在空气泡沫中，泡沫剂注入量一般不小于空气泡沫量的0．6～1%，溶水的泡沫剂浓度一般为0．1～0．2%为宜。

（3）由于空气泡沫的上返速度较大，为防止其所携带的岩屑伤及井口作业人员，并保证作业场所清洁，在井口应安装井口旋流密封装置。

（4）钻进过程中，要时刻观察钻进时扭矩情况、空压机压力的变化情况，及时发现异常并正确分析，避免井内事故。

（5）进入水位以下时，应考虑地下水对泡沫的稀释以及水压对空压机压力的要求。

（6）钻进回次末了时，应加大泡沫剂注入量及适当增大泡沫剂的浓度，进行有效清孔。

5 空气泡沫钻进技术的应用及效果

5．1 空气泡沫钻进技术的应用

5．1．1 基本情况

钻进至井深82m、180m处发生全泵量漏失，采用粘土、水泥进行堵漏。在220m再次发生全泵量漏失，堵漏无效，被迫采用清水顶漏钻进，由于施工用水供应困难，致使钻进效率低下、成本极高，在井深351m处改用空气泡沫钻进施工。

5．1．2 施工设备、材料

（1）TSJ－2000E 型 钻 机，TBW－850／50 型 泥 浆泵，120PH6135柴油机（配泵）、160PH6135AD－3型柴油机（配钻机，回转钻进中采用一拖二的方式）、25M／50T A型井架及底盘和其他钻探辅助设备、Φ203mm、178mm和159mm钻铤、Φ127mm钻杆等。

（2）空气泡沫钻进设备配备：在原钻探设备配备基础上增添一台PMB－50型泡沫泵，6135AZK－2C高速柴油机连带WF－10／60型空气压缩机一台套。

（3）其他与之空气泡沫钻进配套的ADF泡沫剂、高压管线、井口旋转密封装置。

5．1．3 空气泡沫钻进的基本参数

（1）空气及泡沫

空气输入量10m3／min，泡沫剂输入量0．09m3／min（泡沫剂浓度3～5‰），空压机工作压力为0．4～0．5MPa。在此情况下，能保证上部的大径Φ377mm套管段内气流上返速度可达1．66m／s。

表1 泥浆堵漏钻进机械钻速统计表

表2 空气泡沫钻进机械钻速统计表

（2）钻压及转速

钻压40～50k N，转速40～70r／min。

5．2 空气泡沫钻进技术取得的效果

5．2．1 钻进效率

采用空气泡沫钻进后，井底干净，减少了重复破碎情况，机械钻速大幅度提高，以204．55～598．06m的灰岩、白云岩地层井段（Φ244．5mm）为例，机械钻速提高了约60%。空气泡沫钻进的纯钻时间利用率约为65% 顶漏钻进的纯钻时间利用率约为30%（主要是受供水困难所致），空气泡沫钻进台月效率是顶漏钻进台月效率的2．7倍。

5．2．2 钻进成本

为更加真实合理的反映出空气泡沫钻进与清水顶漏钻进的实际成本，此次成本对比分析采用该井相同井径、地层条件阶段性及全井段主要消耗材料成本对比的方式，以便客观的反映出空气泡沫钻进的工作成本与功效，见表3。

根据表3所示，在未考虑经营、管理、辅助工作及设备再投入所发生的费用时，在400m井深的范围，泡沫钻进所需成本只为顶漏钻进的37．2%。

本井泡沫钻进与顶漏堵漏钻进的主要消耗材料费用和功效的统计数据见表4。

通过全井段各项费用数据的对比，其泡沫钻进所需成本约占泥浆钻进成本的66．25%，结合阶段性成本所占44．84%的比例测算，泡沫钻进与顶漏钻进从成本与功效上基本都为2∶1。如再考虑在较深的井段中采用顶漏钻进时泥浆泵所用燃料的成本，其顶漏钻进的成本还将有所增加。

表3 阶段性空气泡沫钻进与顶漏钻进成本费用对比表

表4 全井段空气泡沫钻进与顶漏钻进成本统计对照表

5．2．3 钻进安全及成井质量

（1）空气泡沫钻进中，未发生缩径、泥环卡钻以及岩屑埋钻等井内事故。

（2）钻进结束后，采用空压机震荡洗井、盐酸酸化（4次）等洗井措施，取得了10m3／h的出水量，基本满足了矿井建设的需要。

6 结论与建议

（1）本井在351～988．88m井段采用了空气泡沫钻进，无论从钻效还是成本方面，都取得了良好的效果。

（2）本井空气泡沫钻进采用的泡沫泵排量不可调整，排量为5．5m3／h。排量略大，增加了用水成本。

（略）