空气泡沫钻进技术在复杂漏失地层中的应用

张 建 ，王艳丽，吴国强

(1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000;2.中国煤炭地质总局第四水文地质队，河北邯郸 054001)

空气泡沫钻进技术在复杂漏失地层中的应用

张 建1，王艳丽1，吴国强2

(1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000;2.中国煤炭地质总局第四水文地质队，河北邯郸 054001)

山西霍州煤电集团鑫博煤业霍3号水源井工程，地层复杂漏失严重，开始采用顶漏钻进，工程进度难以保证，施工成本高，后改用空气泡沫钻进，解决了漏失地层钻进难题，钻进效率高，钻探成本低。介绍了该水源井空气泡沫钻进施工工艺，并对钻探效果及成本进行了对比分析。

空气泡沫钻进;复杂漏失地层;顶漏钻进;ADF－3泡沫剂

1 概述

空气泡沫钻进是多工艺空气钻进技术方法之一，广泛应用于石油钻探、地矿岩心钻探、煤田探采、地质灾害治理、水文水井等领域。该方法可以有效克服复杂地层破碎、坍塌、漏失、干旱、地下水位埋深等条件下的钻井难题，可以成倍地提高钻效，降低钻探成本。

由中国煤炭地质总局第四水文地质队承接的山西霍州煤电集团鑫博煤业霍3号水源井工程，由于区域水文地质条件和地层条件比较复杂，钻井过程中采用常规钻井工艺一度根本无法成井，工程进度很难保证，钻井成本极高。经咨询研究，改用空气泡沫钻井工艺，顺利完成了该井的施工任务，既解决了施工难题，也节约了成本，取得了满意的施工效果。图1为施工现场。

2 工程概况

该工程所在地区地层情况为:0～10 m，第四系覆盖层;10～70 m，二叠系;70～160 m，石炭系，岩性为泥岩、砂岩、煤层;160～661 m，奥陶系，岩性为灰岩、泥灰岩、白云岩;661～950 m，寒武系，岩性为白云岩、白云质灰岩、泥灰岩、泥质白云岩。由此可见，所钻岩石类型主要为砂岩、页岩、煤层、灰岩，岩石可钻性好，但地层节理裂隙较发育，钻孔严重漏失。

图1 中煤第四水文地质队山西水源井施工现场

钻孔设计深度950 m。开孔直径445 mm，终孔直径244.5 mm。

采用的主要钻井设备及钻具为: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)，25M/50TA型井架及底盘和其他钻探辅助设备，

3 钻孔结构设计及钻井工艺选择

由于受施工环境和条件的限制(需要拉水施工)，从180～351.77 m采用顶漏钻进施工工艺，泥浆泵由设计工作排量的51 m3h调整为12～15 m3h，以最大限度地节约用水，降低施工成本。但钻进中岩屑根本不能正常排出，而且平均进尺不到1.0 m/h，每日纯钻进时间不到10 h，同时还冒着埋钻卡钻的风险。为降低成本，提高钻效，下部351～950 m井段选择采用空气泡沫钻进。

4 空气泡沫钻进技术

4.1 空气泡沫钻进技术优点

(1)泡沫属于低密度介质，钻孔内静水压力小，有利于减少孔内漏失和提高钻井速度;

(2)在破碎等复杂地层中对地层的冲刷作用小，可起到保护孔壁的作用;

(3)由于岩屑颗粒外表被泡沫包裹，形成一层保护膜，防止岩粉粘结，不致形成泥包，因此排粉排屑能力强于空气和水;

(4)由于泡沫对岩心的冲刷作用小，有利于提高岩矿心的采取率;

(5)停机停风时可以降低岩屑沉降速度，避免埋钻事故;

(6)泡沫具有洗井液的作用，不会在含水层孔壁形成泥皮，可增加出水量。

4.2 泡沫剂的选择及泡沫液配制

泡沫剂是空气泡沫钻进成功的技术关键，选择的泡沫剂应具有良好的发泡性能，抗盐及钙镁离子能力强，稳泡性好。经过比对，选用了中国地质科学院勘探技术研究所研制的ADF－3泡沫剂。该泡沫剂为淡黄色液体，发泡能力强，水溶性、配伍性、稳定性都比较好。

泡沫剂添加比例为4‰，即1 t水中添加4 kg ADF－3泡沫剂，进行充分搅拌，形成稳定的泡沫液。

4.3 空气泡沫钻进所需设备

PB－30型泡沫泵:压力3 MPa，排量30 L/min;孔口密封导流装置:133×133方钻杆使用，通孔直径320 mm;VF－10/60－C型空压机;高压空气管路(既可用无缝钢管也可是钢丝编织胶管，耐压10 MPa以上)。

现场设备布置及管路连接情况如图2所示。

图2 空气泡沫注入管路连接示意

5 钻进效果及对比分析

该孔180～351.77 m采用顶漏钻进施工工艺，由于需拉水施工，从人力和成本考虑，泵量开得较小，水到孔内即漏掉，无法形成循环，岩屑滞留孔内极易产生孔内事故。从351.77 m开始采用空气泡沫钻进，泡沫泵设计工作排量为3 m3h，但实际排量为5.5 m3h，泡沫剂加量为3‰～4‰，空压机三级工作压力为0.4～0.5 MPa。此间采用的钻压、转速和地层层位与顶漏钻进近乎相同，平均钻进时效达到3.0 m(此数据为井深351.77～494 m的统计结果)。空气泡沫钻进效果与顶漏钻进效果分析对比如下。

5.1 钻探时效及对比

从表1、表2可以看出，在用时天数基本相同的情况下，泡沫钻进与顶漏各项指标比分别为:钻探进尺1∶0.55;纯钻时间1∶1.18;平均钻效1∶0.48;这样在纯钻时间基本一致时，泡沫钻进与顶漏的钻效比约为2∶1。

5.2 钻探成本测算

表3统计数据未包括经营、管理、辅助工作及设备再投入所发生的费用。从表3可得出以下结论:在400 m井深范围，泡沫钻进所需成本只为顶漏钻进的37.2%。如按水井工程截止500 m井深的平均钻效1.90 m/h测算(钻探进尺146.09 m，纯钻时间77.3 h)，空气泡沫钻进每米材料消耗直接钻探成本为342.58元，而顶漏钻进的每米钻探成本为764.00元，空气泡沫钻进施工用成本只占到顶漏钻进的44.84%。

表1 顶漏钻进钻时、钻效统计

表2 空气泡沫钻进钻时、钻效统计

表3 空气泡沫钻进与顶漏钻进阶段性成本费用测算对比

表4为全井段各项费用数据的对比，其泡沫钻进所需成本约占顶漏钻进成本的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。如考虑到泥浆钻进在后期施工中泥浆泵所用燃料的成本，其成本还将有所增加。反之排除由于山地、雨雪天气、冬季施工等外界因素的影响，泡沫钻进在施工用时与经济成本上还将有所降低。

表4 全井段泡沫钻进与顶漏钻进成本统计对照

6 结语

(1)从统计数据不难看出，在同等条件下，空气泡沫钻进比传统顶漏钻进显示出较大的优势。

(2)空气泡沫钻进的功效为传统钻进的2～3倍，成本只为其1/3～1/2，并更大限度地提高了纯钻进时间，大大降低了工人的劳动强度。

(3)随着逐步掌握空气泡沫钻进的工艺方法，排除与克服了因设备能力所造成的井(孔)排渣、粘壁等客观因素影响以及孔内易出现的不安全隐患。实践证明，空气泡沫钻进技术可进行各类基岩地层条件下施工井(孔)的尝试与推广。

(4)通过这次在水井复杂漏失地层的尝试采用空气泡沫钻进工艺，为水井钻探摸索出了一种行之有效的新技术，也为其他钻探施工遇到困难时提供了参考借鉴。

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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

张建(1953－)，男(汉族)，北京人，中国地质科学院勘探技术研究所高级工程师，机械专业，长期从事钻探设备与器具的研究、推广与钻掘施工工作，河北省廊坊市金光道77号，zhangjiankts@163.com。