空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)在深水位水井施工中的應(yīng)用效果

王永全，吳國(guó)強(qiáng)，許劉萬

（1．中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲056001；2．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000）

1 引言

在干旱缺水、漏失非常嚴(yán)重的復(fù)雜地層開展水文水井鉆探，若采用常規(guī)清水（泥漿）作為沖洗介質(zhì)，因水供應(yīng)帶來的許多困難，成本極高、鉆效很低且漏失嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆進(jìn)根本無法進(jìn)行。在此情況下我們采用了泡沫劑作為沖洗介質(zhì)，實(shí)踐證明它具有鉆進(jìn)效率高、成孔質(zhì)量好、大大減少了水的用量、成本低的優(yōu)勢(shì)。所謂空氣泡沫鉆進(jìn)，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(zhì)的一種鉆探工藝方法。我們?cè)谏轿鬣l(xiāng)寧某礦區(qū)的水源井施工中，根據(jù)該井的具體情況，大膽地采用了空氣泡沫鉆進(jìn)工藝，較好地解決了鉆井周期長(zhǎng)、成本高、效率低的問題，取得了非常好的技術(shù)效果，使得工程任務(wù)圓滿完成。

2 水源井的基本概況

2．1 預(yù)計(jì)鉆進(jìn)地層

這眼井處于丘陵低山地帶，設(shè)計(jì)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?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖；寒武系（ε）：650～950m，未揭穿，巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。

取水目的層位為寒武系巖層，預(yù)計(jì)水位埋深720m。

2．2 設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)井深950 m，井身結(jié)構(gòu)為：

一級(jí)（0～70m）：井徑394mm，套管377mm；

二級(jí)（70～330m）：井徑311mm，套管273mm；

三級(jí)（330～660m）：井徑245mm，套管219mm；

四級(jí)（660～950m）：井徑190mm，套管168mm（必要時(shí)下入）。

各級(jí)套管重疊10m以上。

3 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)

空氣泡沫鉆進(jìn)即采用空氣＋泡沫做為沖洗介質(zhì)的一種鉆探工藝，可以實(shí)現(xiàn)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(jìn)和提高氣流攜帶巖屑的能力，以降低對(duì)空壓機(jī)風(fēng)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(fù)破碎，延長(zhǎng)鉆頭壽命。巖屑顆粒外表被泡沫包裹，防止巖屑粘結(jié)，減少泥包、泥環(huán)的形成。泡沫劑的潤(rùn)滑性能好，可以降低鉆進(jìn)時(shí)的扭矩，減少井內(nèi)事故的發(fā)生。

泡沫劑可連續(xù)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(nèi)情況而定。泡沫泵的壓力應(yīng)比空壓機(jī)的壓力稍微大些。

4 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)措施

（1）為保證鉆進(jìn)時(shí)所產(chǎn)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(yè)人員，并保證作業(yè)場(chǎng)所清潔，在井口應(yīng)安裝井口旋流密封裝置。

（4）鉆進(jìn)過程中，要時(shí)刻觀察鉆進(jìn)時(shí)扭矩情況、空壓機(jī)壓力的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并正確分析，避免井內(nèi)事故。

（5）進(jìn)入水位以下時(shí)，應(yīng)考慮地下水對(duì)泡沫的稀釋以及水壓對(duì)空壓機(jī)壓力的要求。

（6）鉆進(jìn)回次末了時(shí)，應(yīng)加大泡沫劑注入量及適當(dāng)增大泡沫劑的濃度，進(jìn)行有效清孔。

5 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用及效果

5．1 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

5．1．1 基本情況

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

5．1．2 施工設(shè)備、材料

（1）TSJ－2000E 型 鉆 機(jī)，TBW－850／50 型 泥 漿泵，120PH6135柴油機(jī)（配泵）、160PH6135AD－3型柴油機(jī)（配鉆機(jī)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(shè)備、Φ203mm、178mm和159mm鉆鋌、Φ127mm鉆桿等。

（2）空氣泡沫鉆進(jìn)設(shè)備配備：在原鉆探設(shè)備配備基礎(chǔ)上增添一臺(tái)PMB－50型泡沫泵，6135AZK－2C高速柴油機(jī)連帶WF－10／60型空氣壓縮機(jī)一臺(tái)套。

（3）其他與之空氣泡沫鉆進(jìn)配套的ADF泡沫劑、高壓管線、井口旋轉(zhuǎn)密封裝置。

5．1．3 空氣泡沫鉆進(jìn)的基本參數(shù)

（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(jī)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(nèi)氣流上返速度可達(dá)1．66m／s。

表1 泥漿堵漏鉆進(jìn)機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)表

表2 空氣泡沫鉆進(jìn)機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)表

（2）鉆壓及轉(zhuǎn)速

鉆壓40～50k N，轉(zhuǎn)速40～70r／min。

5．2 空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)取得的效果

5．2．1 鉆進(jìn)效率

采用空氣泡沫鉆進(jìn)后，井底干凈，減少了重復(fù)破碎情況，機(jī)械鉆速大幅度提高，以204．55～598．06m的灰?guī)r、白云巖地層井段（Φ244．5mm）為例，機(jī)械鉆速提高了約60%?？諝馀菽@進(jìn)的純鉆時(shí)間利用率約為65% 頂漏鉆進(jìn)的純鉆時(shí)間利用率約為30%（主要是受供水困難所致），空氣泡沫鉆進(jìn)臺(tái)月效率是頂漏鉆進(jìn)臺(tái)月效率的2．7倍。

5．2．2 鉆進(jìn)成本

為更加真實(shí)合理的反映出空氣泡沫鉆進(jìn)與清水頂漏鉆進(jìn)的實(shí)際成本，此次成本對(duì)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(duì)比的方式，以便客觀的反映出空氣泡沫鉆進(jìn)的工作成本與功效，見表3。

根據(jù)表3所示，在未考慮經(jīng)營(yíng)、管理、輔助工作及設(shè)備再投入所發(fā)生的費(fèi)用時(shí)，在400m井深的范圍，泡沫鉆進(jìn)所需成本只為頂漏鉆進(jìn)的37．2%。

本井泡沫鉆進(jìn)與頂漏堵漏鉆進(jìn)的主要消耗材料費(fèi)用和功效的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。

通過全井段各項(xiàng)費(fèi)用數(shù)據(jù)的對(duì)比，其泡沫鉆進(jìn)所需成本約占泥漿鉆進(jìn)成本的66．25%，結(jié)合階段性成本所占44．84%的比例測(cè)算，泡沫鉆進(jìn)與頂漏鉆進(jìn)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(jìn)時(shí)泥漿泵所用燃料的成本，其頂漏鉆進(jìn)的成本還將有所增加。

表3 階段性空氣泡沫鉆進(jìn)與頂漏鉆進(jìn)成本費(fèi)用對(duì)比表

表4 全井段空氣泡沫鉆進(jìn)與頂漏鉆進(jìn)成本統(tǒng)計(jì)對(duì)照表

5．2．3 鉆進(jìn)安全及成井質(zhì)量

（1）空氣泡沫鉆進(jìn)中，未發(fā)生縮徑、泥環(huán)卡鉆以及巖屑埋鉆等井內(nèi)事故。

（2）鉆進(jìn)結(jié)束后，采用空壓機(jī)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(shè)的需要。

6 結(jié)論與建議

（1）本井在351～988．88m井段采用了空氣泡沫鉆進(jìn)，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(jìn)采用的泡沫泵排量不可調(diào)整，排量為5．5m3／h。排量略大，增加了用水成本。

（略）