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空气泡沫钻进技术在复杂漏失地层中的应用

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空气 泡沫 钻进 技术 复杂 漏失 地层 中的 应用
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1 空气泡沫钻进技术在复杂漏失地层中的应用空气泡沫钻进技术在复杂漏失地层中的应用空气泡沫钻进技术在复杂漏失地层中的应用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) 摘摘摘 摘 要要要 要: :: : 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 ,开始采用清水顶漏钻进 ,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 。 关键词关键词关键词关键词 :空气泡沫钻进 ;复杂漏失地层 ;顶漏钻进 ; 1 概述概述概述概述 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 ,如破碎 、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 。 图 1中煤第四水文地质队山西水源井施工现场 2 2 工程概况工程概况工程概况工程概况 该工程所在地区第四系覆盖层较薄 ,约 10m,依次是二叠系 (10m~70m)、石炭系( 70m~160m):岩性为泥岩 、砂岩 、煤层 ;奥陶系 ( 160m~661m):岩性为灰岩 、泥灰岩 、白云岩 ;寒武系 (661m~950m):岩性为白云岩 、白云质灰岩 、泥灰岩 、泥质白云岩 。由此可见 ,所钻遇 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 。 钻孔设计深度 950m。开孔直径 Ф 445孔直径 Ф 244.5 采用的主要钻井设备及钻具为 : 2000 0型泥浆泵 , 120配泵 ), 160配钻机 ), 25M/50T Ф 203、Ф 178、Ф 159Ф 127 3 钻孔结构设计及钻井工艺选择 一开采用 Ф445轮钻头钻至完整基岩 入 Ф377层套管 ,按设计二开要用Ф311牙轮钻头钻至上马家沟二段以上地层 ,下入 Ф273管 ,由于在井深 180多处出现严重破碎 ,导致孔内泥浆完全漏失 ,不得已更改原设计 ,将二开 Ф27380m 固井 ;三开采用 牙轮钻头 ,顶漏钻进至 层层位为奥陶系上马家沟组 ,此时井内水位埋深为 298m,从钻进中测量水位显示 ,该井 273~298 由于受施工环境和条件的限制 (需要拉水施工 ), 从 180~用顶漏钻进施工工艺,泥浆泵由设计工作排量的 51m³/h 调整为 12~15m³/h,以最大限度地节约用水 ,降低施工成本 。钻进中岩屑根本不能正常排出 ,而且平均钻时进尺 不到 h,每日纯钻进时间不到 10h,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 4 空气泡沫钻进技术空气泡沫钻进技术空气泡沫钻进技术空气泡沫钻进技术 空气泡沫钻进技术优点空气泡沫钻进技术优点空气泡沫钻进技术优点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 1—空压机 ; 2—阀; 3—放气管 ; 4—转子流量计 ; 5—压力表 ; 6—三通管 ; 7—泡沫剂液箱 ; 8—泡沫泵 ; 9—高压胶管 ; 10—钻机; 11—钻杆 ; 12—孔口密封导流器 ; 13—井口管 ; 14—排风管 ; ( 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 。 泡沫剂的选择及泡沫液配制泡沫剂的选择及泡沫液配制泡沫剂的选择及泡沫液配制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 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㎏ 进行充分搅拌 ,形成稳定的泡沫液 。 沫钻进所需设备泡沫钻进所需设备泡沫钻进所需设备泡沫钻进所需设备 压力 3量 30L/探技术研究所研制 ;空压机 : 0徽蚌埠环宇空压机厂生产 ;高压 空气管路 :耐压 10口密封装置 :133×133 方钻使用 ,通孔 320 ㎜, 勘探技术研究所研制 。 图 2 空气泡沫注入管路连接示意图 5 钻进效果及对比分析钻进效果及对比分析钻进效果及对比分析钻进效果及对比分析 该孔 180~ 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 泡沫泵设 计工作排量为 3m³/h,但实际排量为 5.5 m³/h,泡沫剂加量为 3‰~ 4‰,空压机三级工作压力为 间采用的钻压 、转速和地层层位与 4 顶漏钻进近乎相同 ,平均钻进时效达到 h(此数据为井深 数据为井深数据为井深数据为井深 94m 的统计结果的统计结果的统计结果的统计结果 )。 )。 )。 )。空气泡沫钻进效果与顶漏钻进效果分析对比如下 。 探时效及对比钻探时效及对比钻探时效及对比钻探时效及对比 表表表 表 1 顶顶顶 顶漏钻进钻时 漏钻进钻时漏钻进钻时漏钻进钻时 、、、 、钻效统计表 钻效统计表钻效统计表钻效统计表 起止深度 m 井径 层岩性简述 钻探进尺/m 纯钻时间/h 平均钻效 m/h 用时 d 11 基岩风 化物 。灰白色长石砂岩、沙质页岩及煤层 。 81:40 11、石石英砂岩 、炭质页岩 、石灰岩及页岩夹煤层 。 72:10 岩 、白云质泥灰岩 、泥灰岩夹灰岩 、石膏 。 11:30 岩 、白云质灰岩 、泥质页岩 、白云岩 、豹皮灰 、泥质白云岩底部夹石膏 。 0:20 合 计 05:40 1 表表表 表 2 空气泡沫钻进钻时空气泡沫钻进钻时空气泡沫钻进钻时空气泡沫钻进钻时 、、、 、钻效统计表 钻效统计表钻效统计表钻效统计表 起止深度 (m) 井径 (地层岩性简述 钻探进尺/m 纯钻时间/h 平均钻效 m/h 用时 d 岩 、白云岩 、泥质页岩 0:55 岩 、白云质灰岩 6:45 云质灰岩 7:15 90/晶质白云岩 、条带白云岩 26:40 90 灰岩 、白云岩 8:40 90 鲕状灰岩 、泥质灰岩 5:40 90 灰岩夹泥质灰岩 。 31:00 52 鲕状灰岩及黄绿色泥质条带鲕状灰岩 5:00 合 计 511:55 0 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:钻时间 1:均钻效 1: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。 探成本测算钻探成本测算钻探成本测算钻探成本测算 表表表 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空气泡沫钻进与顶漏钻进阶段性成本费用测算对比表空气泡沫钻进与顶漏钻进阶段性成本费用测算对比表空气泡沫钻进与顶漏钻进阶段性成本费用测算对比表 分列明细 数量 /h 材料单 价/元 封堵顶漏钻进 元/h 泡沫钻进 元/h 备 注 钻机主机柴油机柴油消耗 (使用一拖二 ) 速 1200/括泵的功率消耗 。 5 空压机机组柴油消耗 14 L 速 1350/工用水费用 12m³ 泡沫剂费用 (含运费 ) 20Kg/h 240 按加量 4‰计算 膨润土 、化学泥浆 、水泥、锯末等堵漏材料费 料费约计 22500 元 泥浆泵 、泡沫泵易损消耗性材料费用 泡沫泵基本无材料消耗 ;此段泥浆泵易损件消耗约为3600 元 经营 、管理 、研磨材料 、其他辅助工作材料支 出 未统计 每小时工作成本 (元/h) 间内泡沫钻进 每米工作成本 (元/米) 漏钻进 h 泡沫钻进 h 注:表中 顶漏 钻进统计数据为井深 间 ;间 。 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 :在阶段 400泡沫钻进所需成本只为 顶漏钻进 的 如按水井 工程截止 500钻探进尺 钻时间 空气泡沫钻进每米材料消耗直接钻探成本为 顶漏钻进 的每米钻探成本为 气泡沫钻进施工用成本只占到 顶漏钻进 的 表表表 表 4 全井段泡沫钻进与全井段泡沫钻进与全井段泡沫钻进与全井段泡沫钻进与 顶漏钻进顶漏钻进顶漏钻进顶漏钻进 成本统计对照表成本统计对照表成本统计对照表成本统计对照表 分列明细 0漏钻进 /元 沫钻进 /元 泥浆钻进每米成本 泡沫钻进每米成本 备 注 柴油动力 钻探进尺所耗 费用施工用水 钻探进尺所耗费用消耗性 生产材料 包括泥浆 、泡沫剂及封堵材料等 用工成本 钻探施工期内 合计 \泡沫钻进完成进尺 :注:所列费用只为实际发生的钻探成本 ,未包括水井其他作业过程消耗的材料 、管理 、管材等费用 。 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 结合阶段性成本所占 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 6 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 。 6 结论结论结论结论 ( 1)从统计数据不难看出 ,在同等同条件下 ,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 1/2~1/3,并更大限度的提高了纯钻进时间 ,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参考借鉴 。 参考文献参考文献参考文献参考文献 ::: : [1] 许刘万 曹福德 葛和旺 J]. 探矿工程 (岩土钻掘工程 )); [2] 赵长福 ,等 J]岩土钻掘工程 ), 2005(9); [3] 王艳丽 J]岩土钻掘工程 ), 2011,38(7); [4] 顾新鲁 、赵清海等 J] 2005( 8) ; [5]许刘万 ,刘智荣 、赵明杰 、史兵言 气钻进技术及其新发展 [J] 2009,36( 10); [6] 许刘万 ,史兵岩 ,李国栋 . 大力推广气动潜孔锤及气举反循环组合钻进技术 [J]2007,( 9); [7] 许刘万 ,王艳丽 ,左新明 . 我国水井钻探装备的发展及应用 [J] 2012, 39( 5); [8] 莫日和 ,郭本广等 . 空气钻井技术在柳林煤层气井的应用 [J] 2012, 39( 2); [9] 董润平 ,胡忠义 . RD 20 Ⅱ型钻机及空气潜孔锤钻进施工中若干问题探讨 [J]2011, 38( 12); [10] 杜绪 ,王建兴 J] 2011, 38( 2); 作者简介作者简介作者简介作者简介 ::: :张建 ( 1953-),男(汉族 )北京市人 ,中国地质科学院勘探技术研究所高级工程 7 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 。吴国强 ( 1969-),男(汉族 )陕西西安 ,河北省邯郸市邯山区水文路 2号 ,中国煤炭地质总局第四水文地质队 .
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