空氣泡沫鉆進技術在深水位水井施工中的應用效果

王永全，吳國強，許劉萬

（1．中國煤炭地質總局第四水文地質隊，河北 邯鄲056001；2．中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊065000）

1 引言

在干旱缺水、漏失非常嚴重的復雜地層開展水文水井鉆探，若采用常規清水（泥漿）作為沖洗介質，因水供應帶來的許多困難，成本極高、鉆效很低且漏失嚴重，導致鉆進根本無法進行。在此情況下我們采用了泡沫劑作為沖洗介質，實踐證明它具有鉆進效率高、成孔質量好、大大減少了水的用量、成本低的優勢。所謂空氣泡沫鉆進，就是將一定濃度的泡沫劑水溶液，用一定的方式注入空氣中，形成氣、泡、水三相流體作為沖洗介質的一種鉆探工藝方法。我們在山西鄉寧某礦區的水源井施工中，根據該井的具體情況，大膽地采用了空氣泡沫鉆進工藝，較好地解決了鉆井周期長、成本高、效率低的問題，取得了非常好的技術效果，使得工程任務圓滿完成。

2 水源井的基本概況

2．1 預計鉆進地層

這眼井處于丘陵低山地帶，設計鉆遇地層為：第四系（Q）0～60m，巖性為黃土、砂土；二疊系（P）＋石炭系（C）：60～240m，巖性為泥巖、砂巖和煤層；奧陶系（O）：240～650m，巖性為灰巖、泥灰巖、白云巖；寒武系（ε）：650～950m，未揭穿，巖性為白云巖、白云質灰巖、泥灰巖、泥質白云巖。

取水目的層位為寒武系巖層，預計水位埋深720m。

2．2 設計井身結構

設計井深950 m，井身結構為：

一級（0～70m）：井徑394mm，套管377mm；

二級（70～330m）：井徑311mm，套管273mm；

三級（330～660m）：井徑245mm，套管219mm；

四級（660～950m）：井徑190mm，套管168mm（必要時下入）。

各級套管重疊10m以上。

3 空氣泡沫鉆進技術

空氣泡沫鉆進即采用空氣＋泡沫做為沖洗介質的一種鉆探工藝，可以實現氣流上返速度（0．6～1．2m／s）不大的情況下，借助泡沫攜帶巖屑上浮，改進和提高氣流攜帶巖屑的能力，以降低對空壓機風量的要求。

含有泡沫劑的氣流可以攜帶較大的顆粒上返地面，保持井底清潔，減少巖石的重復破碎，延長鉆頭壽命。巖屑顆粒外表被泡沫包裹，防止巖屑粘結，減少泥包、泥環的形成。泡沫劑的潤滑性能好，可以降低鉆進時的扭矩，減少井內事故的發生。

泡沫劑可連續注入或間歇注入，泡沫劑的濃度一般為0．1～0．2%，加量視地層及井內情況而定。泡沫泵的壓力應比空壓機的壓力稍微大些。

4 空氣泡沫鉆進技術措施

（1）為保證鉆進時所產生的巖屑能較好地排至地表，要求空氣＋泡沫劑的輸送量能保證其上返速度不小于0．5m／s。

（2）在空氣泡沫中，泡沫劑注入量一般不小于空氣泡沫量的0．6～1%，溶水的泡沫劑濃度一般為0．1～0．2%為宜。

（3）由于空氣泡沫的上返速度較大，為防止其所攜帶的巖屑傷及井口作業人員，并保證作業場所清潔，在井口應安裝井口旋流密封裝置。

（4）鉆進過程中，要時刻觀察鉆進時扭矩情況、空壓機壓力的變化情況，及時發現異常并正確分析，避免井內事故。

（5）進入水位以下時，應考慮地下水對泡沫的稀釋以及水壓對空壓機壓力的要求。

（6）鉆進回次末了時，應加大泡沫劑注入量及適當增大泡沫劑的濃度，進行有效清孔。

5 空氣泡沫鉆進技術的應用及效果

5．1 空氣泡沫鉆進技術的應用

5．1．1 基本情況

鉆進至井深82m、180m處發生全泵量漏失，采用粘土、水泥進行堵漏。在220m再次發生全泵量漏失，堵漏無效，被迫采用清水頂漏鉆進，由于施工用水供應困難，致使鉆進效率低下、成本極高，在井深351m處改用空氣泡沫鉆進施工。

5．1．2 施工設備、材料

（1）TSJ－2000E 型 鉆 機，TBW－850／50 型 泥 漿泵，120PH6135柴油機（配泵）、160PH6135AD－3型柴油機（配鉆機，回轉鉆進中采用一拖二的方式）、25M／50T A型井架及底盤和其他鉆探輔助設備、Φ203mm、178mm和159mm鉆鋌、Φ127mm鉆桿等。

（2）空氣泡沫鉆進設備配備：在原鉆探設備配備基礎上增添一臺PMB－50型泡沫泵，6135AZK－2C高速柴油機連帶WF－10／60型空氣壓縮機一臺套。

（3）其他與之空氣泡沫鉆進配套的ADF泡沫劑、高壓管線、井口旋轉密封裝置。

5．1．3 空氣泡沫鉆進的基本參數

（1）空氣及泡沫

空氣輸入量10m3／min，泡沫劑輸入量0．09m3／min（泡沫劑濃度3～5‰），空壓機工作壓力為0．4～0．5MPa。在此情況下，能保證上部的大徑Φ377mm套管段內氣流上返速度可達1．66m／s。

表1 泥漿堵漏鉆進機械鉆速統計表

表2 空氣泡沫鉆進機械鉆速統計表

（2）鉆壓及轉速

鉆壓40～50k N，轉速40～70r／min。

5．2 空氣泡沫鉆進技術取得的效果

5．2．1 鉆進效率

采用空氣泡沫鉆進后，井底干凈，減少了重復破碎情況，機械鉆速大幅度提高，以204．55～598．06m的灰巖、白云巖地層井段（Φ244．5mm）為例，機械鉆速提高了約60%。空氣泡沫鉆進的純鉆時間利用率約為65% 頂漏鉆進的純鉆時間利用率約為30%（主要是受供水困難所致），空氣泡沫鉆進臺月效率是頂漏鉆進臺月效率的2．7倍。

5．2．2 鉆進成本

為更加真實合理的反映出空氣泡沫鉆進與清水頂漏鉆進的實際成本，此次成本對比分析采用該井相同井徑、地層條件階段性及全井段主要消耗材料成本對比的方式，以便客觀的反映出空氣泡沫鉆進的工作成本與功效，見表3。

根據表3所示，在未考慮經營、管理、輔助工作及設備再投入所發生的費用時，在400m井深的范圍，泡沫鉆進所需成本只為頂漏鉆進的37．2%。

本井泡沫鉆進與頂漏堵漏鉆進的主要消耗材料費用和功效的統計數據見表4。

通過全井段各項費用數據的對比，其泡沫鉆進所需成本約占泥漿鉆進成本的66．25%，結合階段性成本所占44．84%的比例測算，泡沫鉆進與頂漏鉆進從成本與功效上基本都為2∶1。如再考慮在較深的井段中采用頂漏鉆進時泥漿泵所用燃料的成本，其頂漏鉆進的成本還將有所增加。

表3 階段性空氣泡沫鉆進與頂漏鉆進成本費用對比表

表4 全井段空氣泡沫鉆進與頂漏鉆進成本統計對照表

5．2．3 鉆進安全及成井質量

（1）空氣泡沫鉆進中，未發生縮徑、泥環卡鉆以及巖屑埋鉆等井內事故。

（2）鉆進結束后，采用空壓機震蕩洗井、鹽酸酸化（4次）等洗井措施，取得了10m3／h的出水量，基本滿足了礦井建設的需要。

6 結論與建議

（1）本井在351～988．88m井段采用了空氣泡沫鉆進，無論從鉆效還是成本方面，都取得了良好的效果。

（2）本井空氣泡沫鉆進采用的泡沫泵排量不可調整，排量為5．5m3／h。排量略大，增加了用水成本。

（略）