空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究

王少杰

摘 ?要：空氣泡沫鉆進(jìn)作為一種增壓鉆進(jìn)技術(shù)，相比于其他地質(zhì)鉆探技術(shù)，主要具有含水量較少、鉆進(jìn)時(shí)間較短、地層內(nèi)應(yīng)力釋放效果好等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油鉆探、水文水井鉆探和煤田地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。該文主要利用空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)方法分析，對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境下的煤田巖層、巖心進(jìn)行鉆探，以解決部分地區(qū)復(fù)雜地層的勘探與鉆進(jìn)難題。

關(guān)鍵詞：空氣泡沫鉆進(jìn) ?煤田 ?地質(zhì)勘探 ?應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P634.6 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（c）-0031-02

空氣泡沫鉆進(jìn)作為一種增壓鉆進(jìn)技術(shù)，可以通過泡沫液注入量、供風(fēng)量等鉆進(jìn)要素的不斷增加，提高地質(zhì)鉆進(jìn)過程中的鉆探速度、壓力。當(dāng)前我國(guó)不同地區(qū)使用的空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)?000m以內(nèi)的地質(zhì)巖心進(jìn)行鉆探，鉆進(jìn)深孔地層的最大靜水位可達(dá)500m左右，鉆進(jìn)時(shí)鉆柱內(nèi)部壓力較高、空氣泡沫沿內(nèi)壓流動(dòng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的負(fù)壓作用力，促使地層巖石發(fā)生爆裂或破碎，從而滿足不同煤田地質(zhì)流速的勘探與鉆進(jìn)要求。

1 ?空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的工藝及鉆進(jìn)規(guī)程

1.1 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的工藝實(shí)現(xiàn)

泡沫鉆進(jìn)主要采取繩索取芯硬質(zhì)合金的鉆頭鉆進(jìn)工藝，對(duì)不同地質(zhì)地層狀況的煤田，進(jìn)行地質(zhì)勘探、鉆進(jìn)工作。相比于金剛石鉆進(jìn)技術(shù)，泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的鉆頭外出刃、底出刃較大，為滿足深層鉆進(jìn)的靜液流速要求，需對(duì)鉆進(jìn)供風(fēng)量、泡沫液注入量等要素進(jìn)行數(shù)值增大，以保證高速鉆進(jìn)條件下的碎石壓力、排巖性能。根據(jù)煤田地質(zhì)勘探中不同的地層狀況，選擇泡沫液注入量、注入組分及氣液比：（1）對(duì)于膠結(jié)性較強(qiáng)粘土層地質(zhì)，要采用200∶1泡沫液氣液比，并在其中加入穩(wěn)泡劑、水解度50%交聯(lián)劑等，形成干性普通泡沫。（2）對(duì)于結(jié)構(gòu)松散、易破碎的水溶性地層，可以采用100∶1泡沫液氣液比，并加入穩(wěn)泡劑、交聯(lián)劑等泡沫溶液，進(jìn)行碎裂、坍塌土層地質(zhì)的鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)的供氣量為5～7m3/min，（3）對(duì)于地層巖石較硬、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的鉆進(jìn)，則要采用300∶1泡沫液氣液比，并適當(dāng)增大鉆進(jìn)供風(fēng)量至7～10m3/min，鉆進(jìn)壓力提高為3～5MPa，以避免鉆進(jìn)過程中地層涌水、孔內(nèi)靜液柱高度增加等狀況的發(fā)生。

1.2 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的鉆進(jìn)規(guī)程

在利用空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)，開展煤田地質(zhì)勘探、鉆進(jìn)過程中，通常會(huì)用到空氣壓縮機(jī)、泡沫液注射泵等設(shè)備。其中對(duì)于空氣壓縮機(jī)參數(shù)配置的選擇，要依據(jù)鉆進(jìn)孔徑、鉆進(jìn)深度、地層涌水量等數(shù)據(jù)，選擇供風(fēng)量為5～10m3/h、供風(fēng)壓力為5MPa的空氣壓縮機(jī)，進(jìn)行靜水位小于500m的深孔鉆進(jìn)。而在泡沫液注射泵型號(hào)、規(guī)格的選擇方面，需要依據(jù)空氣壓縮機(jī)參數(shù)、泡沫鉆進(jìn)工藝，確定泡沫液注射泵的泵壓、泵量等變量要素，如注射泵壓力為5MPa、泵量控制在30L/min之內(nèi)。當(dāng)在鉆進(jìn)地層涌水量較大、孔徑內(nèi)靜液柱高度增加時(shí)，尤其在鉆進(jìn)孔徑深度大于300 m情況下，應(yīng)增大空氣壓縮機(jī)、泡沫液注射泵的功率，提高泡沫液注入量、供風(fēng)量，并增加穩(wěn)泡劑、交聯(lián)劑等泡沫溶液的含量，來滿足巖石地層高速鉆進(jìn)、巖石排屑的工作需求。

2 ?煤田地質(zhì)勘探中采用空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相比于復(fù)雜金屬礦層的金剛石鉆進(jìn)，空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)主要采取泡沫作為沖洗介質(zhì)，使用硬質(zhì)合金、復(fù)合片等較大出刃鉆頭，進(jìn)行粘土、亞粘土、砂巖等地質(zhì)的鉆進(jìn)工作，沖洗鉆進(jìn)過程中的含水量少、鉆柱壓力小，因此其不僅具有金剛石鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，還具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)。（1）適用的煤田地層環(huán)境更加廣泛。空氣泡沫鉆進(jìn)的硬質(zhì)合金、復(fù)合片等大出刃鉆頭，可以被用于西北地區(qū)、盆地煤田地層等的鉆進(jìn)作業(yè)，其在單位時(shí)間內(nèi)的泡沫柱壓力更小、鉆進(jìn)時(shí)效更高，能夠完成煤礦采空區(qū)、溶洞地層等的鉆進(jìn)。（2）緩解煤田地質(zhì)的水化膨脹。地層泡沫鉆進(jìn)中的大部分泡沫為壓縮空氣，含水量只有空氣水含量的1/300，該結(jié)構(gòu)性流質(zhì)在煤田鉆進(jìn)中的應(yīng)用，可以大大減少自由水含量，解決地層在鉆探過程中的涌水膨脹問題。（3）空氣泡沫鉆進(jìn)的地層應(yīng)力釋放效果好。泡沫沖洗介質(zhì)相比于其他沖洗液，在鉆進(jìn)工程中產(chǎn)生的壓力、沖刷力度更小，能夠更加容易鉆進(jìn)煤田地層中心進(jìn)行勘探。同時(shí)由于孔底鉆鉆頭出刃大、鉆頭外圍過流通道也較大，其可以在鉆進(jìn)煤田地層面時(shí)，得到更加良好的應(yīng)力釋放，即使面對(duì)凝灰?guī)r、砂礫巖等堅(jiān)硬巖石的鉆進(jìn)作業(yè)，也能夠使用硬質(zhì)合金、復(fù)合片等鉆頭輕松完成鉆進(jìn)。

3 ?空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

當(dāng)前在煤田地質(zhì)勘探中，空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，該文以云南昭通煤田地質(zhì)鉆進(jìn)為例，研究空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)鉆探中具有的重要作用。云南昭通新近紀(jì)煤田為砂巖、礫巖及泥質(zhì)巖組成結(jié)構(gòu)，在對(duì)該地質(zhì)巖層進(jìn)行鉆探試驗(yàn)過程中，首先使用頂漏鉆進(jìn)方式進(jìn)行套管下入與鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)不使用泡沫沖洗介質(zhì)、沖洗液等結(jié)構(gòu)流質(zhì)，鉆進(jìn)至地層50m出現(xiàn)泥漿、水泥漿、完井液等的漏失問題，且經(jīng)由鉆進(jìn)孔洞的地層漏失達(dá)多處，由此對(duì)鉆進(jìn)泥漿消耗、鉆進(jìn)速度等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在這一情況下，使用空氣泡沫鉆進(jìn)的灌注系統(tǒng)，對(duì)240m深、340m深兩處鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，其中泡沫鉆進(jìn)進(jìn)尺速度為1. 8m/h、轉(zhuǎn)速為577rpm，隨后提高空氣壓縮機(jī)供風(fēng)量、泡沫液注入量，等待泡沫上返進(jìn)入巖層裂隙，具體孔深、孔徑與鉆進(jìn)進(jìn)尺如表1所示。以上兩個(gè)孔洞的空氣泡沫鉆進(jìn)，存在著鉆進(jìn)增加壓力損失過大的問題，由于鉆進(jìn)孔徑變化，引起孔底鉆頭周圍泡沫流動(dòng)的阻力也較大。因此，鉆進(jìn)過程中要定時(shí)查看空壓機(jī)、泡沫液注射泵的壓力，不斷地對(duì)鉆進(jìn)輸送管路的泡沫供應(yīng)量、泡沫組分等進(jìn)行調(diào)整，并調(diào)整鉆頭等鉆進(jìn)設(shè)備的規(guī)程參數(shù)，

根據(jù)以上空氣泡沫鉆進(jìn)數(shù)據(jù)可以得出，在未進(jìn)行供風(fēng)量、泡沫液注入量等參數(shù)增加情況下，泡沫鉆進(jìn)進(jìn)尺、鉆進(jìn)實(shí)效性較低，無法發(fā)揮泡沫鉆進(jìn)的真正優(yōu)勢(shì)。之后通過增大空氣壓縮機(jī)、泡沫液注射泵等設(shè)備功率，以及增加穩(wěn)泡劑、交聯(lián)劑等泡沫溶液的含量，對(duì)孔深為340m底層進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，會(huì)提高煤田鉆探孔徑、泡沫鉆進(jìn)進(jìn)尺等的數(shù)值，試驗(yàn)表明在地層涌水量低于5m3/h情況下，空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的動(dòng)力損耗、設(shè)備成本損耗更低，對(duì)粘土、砂礫巖等地質(zhì)的鉆進(jìn)優(yōu)勢(shì)明顯，能夠滿足普通煤田地層巖石的勘探、鉆進(jìn)要求。

4 ?結(jié)語

在煤田地質(zhì)勘探、鉆進(jìn)過程中，地層受到壓力而產(chǎn)生的泥漿、水泥漿、完井液等漏失狀況時(shí)常出現(xiàn)。而空氣泡沫鉆進(jìn)具有泡沫低密度、孔壁侵蝕作用弱等特性，鉆孔泡沫能夠很容易進(jìn)入凍結(jié)巖層、弱膠結(jié)巖層或漏失巖層，提高煤田地質(zhì)勘探的巖心鉆進(jìn)率。由于空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)，采用繩索取芯硬質(zhì)合金的鉆進(jìn)工藝，其可以在空氣壓縮機(jī)、泡沫液注射泵等裝置作用下，增大鉆進(jìn)壓力值至5MPa，并能夠大量攜帶、包裹鉆孔周圍的碎裂巖粉，從而完成易破碎水溶性地層、漏失地層等的鉆進(jìn)作業(yè)。

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