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空气泡沫钻进技术及其应用研究


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空气泡沫钻进技术及其应用研究
孙友宏 吉林大学建设工程学院 吉林省长春市西民主大街 6 号 130026

早在五十年代中期,泡沫就开始应用于钻井工程,当时美国为在 干旱缺水地区,以及稳定性又差的地层中钻井,首次在内华达洲使用 了泡沫。1957 年,加拿大为克服含水层钻进的困难也采

用了泡沫钻 进。六十年代初期,前苏联也开始了泡沫钻进的试验研究,初期用于 修井作业,后逐渐推广到油井钻进中,七十年代开始用于固体矿床钻 探,八十年代由于各种类型的增压装置研制成功,使得泡沫钻进工作 量急剧增长。

一、泡沫钻井的使用范围:
根据国内外现有泡沫钻进使用资料,可有效地适用如下情况: 1、在沙漠、高山和严冬等供水困难的条件下钻进。由于泡沫大部分 为压缩空气,含水量很少,仅为空气的 1/60~1/300 故,采用泡沫钻 进可以大大减少水的消耗量,用水量可减少 90%以上。 2、漏失地层中钻进。由于泡沫对岩层裂隙和孔洞具有堵塞作用加上 泡沫柱的压力比水柱小数十倍(泡沫密度为 0.032—0.096KG/L) ,故 可以在漏失地层中有效地钻进。 3、在遇水膨胀、缩径和坍塌的地层中钻进。由于泡沫具有疏水性和 泡沫中含水量极少,故可保证该类岩层孔壁的稳定,避免遇水所造成 的钻进难题。 4、在弱胶结怕冲刷的岩层中钻进。由于泡沫上返速度小(0.5m/s 左 右) ,避免了空气钻进和泥浆钻进中高速上升气流(>15m/s)和上升液 流(1.0~2.0m/s)对弱胶结岩层的冲刷作用。
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5、在水冻地层中钻进。由于泡沫的导热性和热容量小,可以防止水 冻地层融化而造成的钻进事故。 6、易产生钻头泥包的地层。由于泡沫的携带岩粉能力强,悬浮能力 大, 以及泡沫的疏水性, 故钻进时不会产生钻头泥包现象和卡钻现象。

二、泡沫及其主要性质
1、气液混合体系: 在钻进过程中,使用最广的清洗介质是水、泥浆、聚合物及其它 溶液和压缩空气等。而泡沫是一种由气体和液体组成的气液混合体 系。根据在孔内的流动状态,可以将气液混合体系分成下述形态:充 气液体、雾、泡沫,如图 1 所示:气液混合体系中相的状态,常利用 气液比 X 又来衡量,即指在大气压条件下气体 Qg 和液体 QL 体积比, 当 X <60 时,为充气液体;X=60-300 时,为泡沫;X>300 时,为雾。

图 1 单相和多相流中清洗介质流动 状况示意图 1━空气(气体)流;2━雾状物;3━ 气塞泡沫; 4━稳定泡沫; 5━充气液体; 6━液体

充气液体——是分散的多相体系,在该体系中,液体是被分散的 介质,而空气的气体是分散相,气泡和深入气体彼此是不连续的。 雾——是多相的分散体系,体系中半径 3~10um 的小液球(表 面活性物质的水溶液)是分散相,而空气是被分散的介质。

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泡沫——是多孔膜状的多相分散体系, 由很多被很薄的水膜分开 的小气泡所形成。小气泡具有多边形状。液体是泡沫体系中的连续分 散介质,而分散相是气体。 2、泡沫剂 泡沫剂一般是由发泡剂、 稳泡剂和其它添加剂三部分组成, 通常 发泡剂 (是泡沫剂的主要成份) 含量在 60—80%, 稳泡剂含量为 0.1~ 1.5%,其它添加剂不足 15%,余量为水。 用作泡沫钻进的发泡剂常有阴离子型,非离子型,复合型和高聚 物型。 阴离子型发泡剂: 它在离解时形成带负电的离子, 因而其溶解在 水中阳离子不多。常见的有羧酸盐类,硫酸烷酯、烷基芳基磺酸盐、 磺酸盐等。 非离子型发泡剂: 它在水中不电离, 它们的溶解度决定于亲水的 官能用,所以这种泡沫剂的最大优点是有很高的抚盐抗钙能力,不受 水质和 PH 值影响,应用范围较广。很多性能超过离子型发泡剂,其 最大缺点是溶解速度慢,需要加入大量的助溶剂。常用的脂肪醇聚氧 乙烯醚、烷基酚聚聚氧己醚、聚氧乙烯烷基酰醇胺和氧化叔胺类。 复合型发泡剂: 它是在阴离子型发泡剂的亲水基和亲油基之间插 入具有一定极性的亲水基团。常加入的是聚氧乙烯醚。由于这种基团 的加入,无论在溶解性、分散性、耐低温性、起泡能力,还是在抗硬 水性上都是优良的,且其生物降解能力好,可以在 2—3 天内完全降 解而不污染环境。常用的有脂肪醇聚氧乙烯硫酸酯盐,我国研制的 KZF123、DF-1、ADF-1、CDT-813 等都属于这一类,还有脂肪醇聚氧 丙烯硫酸酯盐如 CD-1 型,其性能与 AES 相近。 高聚物型发泡剂:其分子量在 3000-5000 左右,其特点是在一个 长链上有多个亲水基团和极性基团, 其起泡能力很强, 稳泡时间较长,

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不受钙镁的侵蚀。缺点是合成工艺复杂,成本较高,常用的有丙烯酰 胺和丙烯酸钠共聚物。 3、泡沫的主要性质: (1)发泡能力:它表示在一定条件和具体的时间内,一定体积的溶 液所产生的泡沫体积或泡沫高度。常用的测试方法有:震动、搅拌, 通入空气,声频发生器和罗斯—迈尔斯装置法等。影响泡沫能力的因 素主要有发泡剂的分子结构,在溶液中发泡沫剂的的浓度、温度,表 面张力和添加剂的不同属性。 活性阴离子型发泡剂比非离子型发泡剂具有更强的发泡能力。 当溶液中发泡剂的浓度增大时,发泡能力也增大,而后在达到临 界浓度时,几乎恒定,甚至还要降低。按液体体积计算,其最佳浓度 为 0.3~0.5%到 1.0%。 发泡剂的发泡能力随温度增加而增大,经过最大值后又开始下 降。 (2)泡沫的稳定性:指保持总的体积和分散结构以阻止 阻止液体析出的能力。用整个泡沫体积(或部分泡沫体积)和单个的 薄膜(或气泡)存在的时间作为泡沫稳定性的度量。 钻进时为了增大泡沫的稳定性,常使用下列稳泡剂,羧甲基纤维 素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等。 (3)泡沫的携带能力:泡沫是由紧密而细小,有坚固薄膜的气泡组成, 具有较高的表面粘度和强度。 在环形空间流动时环空的变化会造成泡 沫气体体积变化,使泡沫流具有上浮的趋势,因此泡沫的携带能力很 强。在同等流速和流量下,其携带能力是一般冲洗介质的十几倍。已 有这样的例子, 泡沫可以从 1500m, 深度将直径达 50mm 的岩石块带 出。此外,泡沫能支撑性质不同的材料:砂子、石油、氧化铁和氯化 铁等。 泡沫的携带能力同样与泡沫的极限静切力及其在管外空间的流

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速有关。 (4)泡沫的润滑能力:钻进过程中,发泡剂吸附在钻具和岩石上, 从而很大程度上依靠润滑作用减少了摩擦。 在溶液中添加发泡剂能使 摩擦系数减少 1/3-2/3。

三、泡沫钻进设备和工艺
1、泡沫钻进的设备 泡沫钻进的设备和器具是在常规冲洗液钻进设备和器具的基础上 增加了空压机、增压装置、计量泵、消泡装置和孔口密封装置等。具 体连接如图书 2 所示:

1━离心泵;2━泡沫箱;3━控制阀;4━柱塞泵;5━空压机;6━压力表;7━截止阀; 8━液体流量计;9━空气流量计;10━逆止阀;11━增压装置;12━TBW850/50 泥浆; 13━空气泵;14━三通阀门;15━套管;16━孔口密封装置;17━消泡器;18━排液 槽;19━沉淀池 图2 水文水井泡沫钻探总体系统图

(1)气压缩机:它是制取泡沫,以及利用喷射装置抽取和消除泡沫 所必须的设备之一。一般根据钻进条件、钻孔口径和制取泡沫的工艺 流程来选择。要求其工作压力为 0.6~1.2Mpa 的低压空压机,排气量

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为 1~9.0m3/min。 (2)计量泵:它是用于抽取和注入泡沫液的设备,以便将泡沫液与 压缩空气的混合,故其压力要求低压空气机等同。为 0.6~1.2Mpa。 其泵量为 10~60L/min。 (3)压装置:若不用增压装置采用上述工作压力 P<1.2Mpa 的空压 机钻井深度常小于 150m。当钻进更深的钻孔时,需采用高压空压机, 而高压空压机的外廓尺寸大、笨重、运输困难、价格贵、功率大。为 此常用水泵泡沫增压装置。它是在原机台上泥浆泵的基础上,安装增 压装置,将低压空气和泡沫增压装置到原有泥浆泵的能力,再将泡沫 注入孔内。目前,国内已研制成的增压装置有 BWZ-250/50 型和 BWZ-1100/50 型,见图 3 所示:

图3

增压装置

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(4)消泡装置泡沫钻进时从孔内返回到地表的泡沫需要进行消泡处 理,使泡沫液重复利用,实现闭式循环。否则,不但会增加成本还会 影响机台正常操作。可供选择的消泡装置较多,有超声波消泡装置离 心式消泡装置、喷射式消泡装置和缝隙式消泡装置。前两种消泡装置 结构复杂、笨重,且需附加功率消耗。后两种无需附加功率。而是利 用空压机排出的多余压缩空气同时供消泡装置用,其安装和使用简 单,消泡效果好,如图 4 所示:

图4

消泡装置

(5)孔口密封装置:泡沫钻进时为了使用消泡装置,孔口必须有一 密封装置否则上返泡沫会从孔口喷出,而不会流到消泡装置内,孔口 启封装置要求较复杂,不但要保证钻进时,钻杆既回转又上下移动时 的密封,主动钻杆外形又有园形和方形,还要保证密封的时能承受一 定的压力,常采用补心密封块来适用不用开关的钻杆,如图 5 所示:

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图5

孔口密封装置

2、泡沫钻进工艺 泡沫钻进工艺与常规泥浆清水钻进相比有其特殊性: (1)钻压:钻压的确定主要能保证钻头有效破碎岩石,具体根据地 层而定。在钻进裂隙性的、软的、破碎的和软硬夹层的岩石时要减小 钻压;而在研磨性小的岩中钻进时,要适当加大钻压,总体上与清水 钻进相比,由于孔内无液柱压力和对钻杆柱浮力减小,基钻压也可相 应减小。 (2)转速:转速的确定,应根据钻机的功率和钻杆强度,尽可能小 的钻具振动和保证管外空间内泡沫体系的稳定性来选择尽可能高的 钻具转速,在研磨性大的、强裂的、破碎的,多孔洞的,孔壁易塌的 地段中钻进,钻具降低 20~30%,但在正常岩石中,转速可加大,但 不要超过 800r/min,否则会造成泡沫破坏而产生孔底岩粉堵塞。

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(3)发泡剂的浓度:正常地层钻进,发泡溶液的浓度控制在 0.3~ 0.5%;而当在漏失带和涌水地层钻进时,浓度可提高到 1.0~2.0%, 在易塌地层,可在溶液中添加浓度为 3%的稳泡剂和 5%的膨胀润土。 具体情况可根据上返泡沫调节。 (4)气液化:也可根据地层确定,正常稳定地层可选择在 60~200 之间,若地层有裂隙、破碎,可适当降低气液比。 (5)泡沫量:泡沫量是指泡沫液体积与气体体积之和,其确定主要 保证钻头的充分冷都和孔底仓岩粉清除。 但对于不同的钻进方法其要 求也不同,对于牙轮和潜孔锤等全面钻进孔而言,由于岩粉小,但金 刚石钻头怕高温,而泡沫的传热性差故应保证冷却钻头来考虑泡沫 量。

四、泡沫钻进的应用
1、在固体矿床钻探中应用 曾于 90-94 年先后在甘肃、河北和新疆等之三个干旱抽水的金矿 复杂地层中使用我们自行研制的 BWZ-250/50 型水泵泡沫增压装置进 行泡沫钻进,取得了预期的效果。 (1)钻进时效高:在河北试验时,金刚石泡沫钻进时效达 2.35m/h , 而泥浆钻进为 1.92m/h,提高时效 22%。 (2)岩芯采取率高:3 个矿区岩矿芯采取率都在 95%以上,在河北 试验时,每回次连孔底沉淀的岩粉都钻取上来。 (3)用水量少:在新疆一漏失矿区、使用泡沫钻进一个台班只需用 水 1.5m3 左右,而使用清水或泥浆需清水 15m3 左右,用水量减少 90%。 (4)孔内事故少:由于泡沫携粉能力强。孔底干净,扫孔次数明显 减少,断钻杆次数也减少。

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(5)增压装置增压效果明显:在河北和新疆试验时,都使用 1.0Mpa 左右的低层压空压机,其最大增压值达 5.0MPa,甘肃试验时,孔深 345.68m 时,正常增压值为 3.8MPa。 (6)推广成本低:利用水泵泡沫增压装置来进行泡沫钻进,其推广 成本较低,大部分设备都利用各机台原有,只需少量添置,全套成本 5 万元左右。 2、在水井钻探中应用 于 99-2000 年先后在宁夏 2 口水井中进行泡沫钻进试验, 第一口 井设计孔深 700m,地层较完整。第二口井设计孔深 600m,地层较复 杂,360m 以上孔内漏失严重,下部到 600m 涌水特大约 1000m3/天。 试验所用设备和工具如下: 钻机:TST-6/600(石家庄煤矿机械厂) (见图 6) 泥浆泵:BW-1100/50(天津探矿机械厂) 增压装置 100/50(吉林大学) (见图 7) 空压机:VW-9/7(无锡探矿机械厂) 泡沫泵:SNB-90 钻头:Ф244 牙轮钻头 钻杆:Ф89 试验取得如下卓著效果: (1)钻进时效高:在第一口井试验中,在孔深 401.01m 至 409.67m 的同一地层中,分别与泥浆钻进进行对比试验,泡沫钻进时效达 4.33m/h。而泥浆钻进时效只有 1.4~2.2m/h。提高 1 倍以上。 (2)用水量大量减少:用泥浆钻进时泵量为 850L/mm,而泡沫钻进 泵量为 40L/mm,仅为泥浆的 1/21。 (3)解决了复杂地层水井钻进的难题:第二口井施工过程中,在孔 深 350m 以前,使用泥浆钻进,由于孔内漏失严重,曾使用 60 吨黄

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土,30 吨膨润土以及麦桔等方法堵漏均无效,且每台班需用水近 400m3,用2个10T水车拉水根本供应不上,后不得不改用泡沫钻 进,不但解决了上部严重漏失难题,还解决了下部大量涌水的恶果, 从 350m 至多 600m 终孔仅用了10天时间就顺利完成钻进任务。 (4)大大减少了洗井时间:常规泥浆钻进用于洗井的时间需要7天 左右, 而使用泡沫钻进, 因孔内干净, 只需终孔时多循环2小时左右, 就无需再洗井,从而大大节省了洗井的时间和成本。 参考文献: (略) 二00一年八月八日

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