空气泡沫钻进技术在煤田地质勘探中的应用研究

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2020.03.031

2020 NO.03SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯空气泡沫钻进技术在煤田地质勘探中的应用研究

王少杰

(中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西西安 710077)

摘 要：空气泡沫钻进作为一种增压钻进技术，相比于其他地质钻探技术，主要具有含水量较少、钻进时间较短、地层内应力释放效果好等优势，现在已经被广泛应用于石油钻探、水文水井钻探和煤田地质勘探等领域。该文主要利用空气泡沫钻进技术方法分析，对不同地质环境下的煤田岩层、岩心进行钻探，以解决部分地区复杂地层的勘探与钻进难题。关键词：空气泡沫钻进 煤田 地质勘探 应用中图分类号：P634.6

文献标识码：A

文章编号：1672-3791(2020)01(c)-0031-02

①

空气泡沫钻进作为一种增压钻进技术，可以通过泡沫液注入量、供风量等钻进要素的不断增加，提高地质钻进过程中的钻探速度、压力。当前我国不同地区使用的空气泡沫钻进技术，能够对2000m以内的地质岩心进行钻探，钻进深孔地层的最大静水位可达500m左右，钻进时钻柱内部压力较高、空气泡沫沿内压流动，产生较强的负压作用力，促使地层岩石发生爆裂或破碎，从而满足不同煤田地质流速的勘探与钻进要求。

1 空气泡沫钻进技术的工艺及钻进规程

1.1 空气泡沫钻进技术的工艺实现

泡沫钻进主要采取绳索取芯硬质合金的钻头钻进工艺，对不同地质地层状况的煤田，进行地质勘探、钻进工作。相比于金刚石钻进技术，泡沫钻进技术的钻头外出刃、底出刃较大，为满足深层钻进的静液流速要求，需对钻进供风量、泡沫液注入量等要素进行数值增大，以保证高速钻进条件下的碎石压力、排岩性能。根据煤田地质勘探中不同的地层状况，选择泡沫液注入量、注入组分及气液比：(1)对于胶结性较强粘土层地质，要采用200∶1泡沫液气液比，并在其中加入稳泡剂、水解度50%交联剂等，形成干性普通泡沫。(2)对于结构松散、易破碎的水溶性地层，可以采用100∶1泡沫液气液比，并加入稳泡剂、交联剂等泡沫溶液，进行碎裂、坍塌土层地质的钻进，钻进时的供气量为5~7m3/min，(3)对于地层岩石较硬、结构较稳定的钻进，则要采用300∶1泡沫液气液比，并适当增大钻进

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供风量至7~10m/min，钻进压力提高为3~5MPa，以避免钻进过程中地层涌水、孔内静液柱高度增加等状况的发生。1.2 空气泡沫钻进技术的钻进规程

在利用空气泡沫钻进技术，开展煤田地质勘探、钻进过程中，通常会用到空气压缩机、泡沫液注射泵等设备。其中对于空气压缩机参数配置的选择，要依据钻进孔径、钻

孔号

1#2#孔深(m)240~720340~800进深度、地层涌水量等数据，选择供风量为5~10m3/h、供风压力为5MPa的空气压缩机，进行静水位小于500m的深孔钻进。而在泡沫液注射泵型号、规格的选择方面，需要依据空气压缩机参数、泡沫钻进工艺，确定泡沫液注射泵的泵压、泵量等变量要素，如注射泵压力为5MPa、泵量控制在30L/min之内。当在钻进地层涌水量较大、孔径内静液柱高度增加时，尤其在钻进孔径深度大于300󰀁m情况下，应增大空气压缩机、泡沫液注射泵的功率，提高泡沫液注入量、供风量，并增加稳泡剂、交联剂等泡沫溶液的含量，来满足岩石地层高速钻进、岩石排屑的工作需求。

2 煤田地质勘探中采用空气泡沫钻进技术的优势

相比于复杂金属矿层的金刚石钻进，空气泡沫钻进技术主要采取泡沫作为冲洗介质，使用硬质合金、复合片等较大出刃钻头，进行粘土、亚粘土、砂岩等地质的钻进工作，冲洗钻进过程中的含水量少、钻柱压力小，因此其不仅具有金刚石钻进的优势，还具有以下几方面优势。(1)适用的煤田地层环境更加广泛。空气泡沫钻进的硬质合金、复合片等大出刃钻头，可以被用于西北地区、盆地煤田地层等的钻进作业，其在单位时间内的泡沫柱压力更小、钻进时效更高，能够完成煤矿采空区、溶洞地层等的钻进。(2)缓解煤田地质的水化膨胀。地层泡沫钻进中的大部分泡沫为压缩空气，含水量只有空气水含量的1/300，该结构性流质在煤田钻进中的应用，可以大大减少自由水含量，解决地层在钻探过程中的涌水膨胀问题。(3)空气泡沫钻进的地层应力释放效果好。泡沫冲洗介质相比于其他冲洗液，在钻进工程中产生的压力、冲刷力度更小，能够更加容易钻进煤田地层中心进行勘探。同时由于孔底钻钻头出刃大、钻头外围过流通道也较大，其可以在钻进煤田地层面时，得到更加良好的应力释放，即使面对凝灰岩、砂砾岩等坚硬岩石的钻进作业，也能够使用硬质合金、复合片等钻

孔径(mm)

7795泡沫钻进进尺(m)

0.71.󰀁8（下转33页)

表1 煤田勘探中空气泡沫钻进的孔深、孔径与钻进进尺

①作者简介：王少杰（1989，6—），男，汉族，山西长治人，硕士，助理工程师，研究方向：钻探机械与工艺。

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工 程 技 术

仪进行野外数据采集，内业则由绘制草图的人员用南方CASS成图软件完成绘制及编辑。测图阶段投入1+3模式的GPS-RTK，一台移动站负责在主沟壑以东加密控制，为全站仪测图做图根控制，另外，2台RTK负责主沟壑以西的数字地形图测绘，每2人一个工作组，一人负责数据采集，一人负责绘制草图和其他辅助工作。待西边测区测完后，将6个工作人员进行重组，分成两个小组，改用全站仪来测东边测区和山脚下的矿区建筑区。这样实施下来，原来甲方给定的工期是30d，结果我们只用了17d就顺利提交了验收结论为良好的成果，大大提高了工作效率。从实施情况来看，这样的组合有以下几点可取之处。

（1）用RTK来做图根控制，相对于全站仪导线和传统的图根控制手段而言，工作量明显减少，图根点没有误差累积，点位误差小，效率高。

（2）用RTK测开阔的区域，显著降低作业条件要求，无需与控制点通视，无需重复搬站，明显提高了工作效率，由于没有误差累积，碎部点的精度高，图面精度均匀，在人员紧张的情况下，单人也可作业。

（3）用全站仪依据RTK做好的图根控制点来进行数据采集，弥补了RTK在困难测区信号时有时无的劣势，几乎不受天气的影响，即使是下着小雨，也完全可以作业，不会出现窝工的现象，可以根据踏勘情况严格按技术设计有计

(上接31页）

2020 NO.03SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯划有步骤地逐步推进工作。在纯地形区，绘制草图的人员快速勾绘完草图后也加入跑棱镜的队伍，实现了测站上1人对多个司镜员的数据采集模式，工作效率就更高了。

5 结语

数字测图的模式和方法有很多种，如果能根据测区的实际情况、技术力量的情况、单位设备配备的情况灵活应用各种模式的组合，扬长避短，肯定能起到事半功倍的效果。在像云南这样地况地貌复杂，山高谷深，沟壑纵横的区域，灵活运用全站仪联合GPS-RTK模式进行大比例尺数字地形图测绘可以高效而可靠地完成任务，是非常值得推广的，特别是一些小型测量项目，就更加适用了。

参考文献

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头轻松完成钻进。

3 空气泡沫钻进技术在煤田地质勘探中的应用

当前在煤田地质勘探中，空气泡沫钻进技术的应用非

常广泛，该文以云南昭通煤田地质钻进为例，研究空气泡沫钻进技术在地质钻探中具有的重要作用。云南昭通新近纪煤田为砂岩、砾岩及泥质岩组成结构，在对该地质岩层进行钻探试验过程中，首先使用顶漏钻进方式进行套管下入与钻进，钻进时不使用泡沫冲洗介质、冲洗液等结构流质，钻进至地层50m出现泥浆、水泥浆、完井液等的漏失问题，且经由钻进孔洞的地层漏失达多处，由此对钻进泥浆消耗、钻进速度等产生严重影响。

在这一情况下，使用空气泡沫钻进的灌注系统，对240m深、340m深两处钻孔进行钻进试验，其中泡沫钻进进尺速度为1.󰀁8m/h、转速为577rpm，随后提高空气压缩机供风量、泡沫液注入量，等待泡沫上返进入岩层裂隙，具体孔深、孔径与钻进进尺如表1所示。以上两个孔洞的空气泡沫钻进，存在着钻进增加压力损失过大的问题，由于钻进孔径变化，引起孔底钻头周围泡沫流动的阻力也较大。因此，钻进过程中要定时查看空压机、泡沫液注射泵的压力，不断地对钻进输送管路的泡沫供应量、泡沫组分等进行调整，并调整钻头等钻进设备的规程参数，

根据以上空气泡沫钻进数据可以得出，在未进行供风量、泡沫液注入量等参数增加情况下，泡沫钻进进尺、钻进实效性较低，无法发挥泡沫钻进的真正优势。之后通过增大空气压缩机、泡沫液注射泵等设备功率，以及增加稳泡剂、交联剂等泡沫溶液的含量，对孔深为340m底层进

4 结语

在煤田地质勘探、钻进过程中，地层受到压力而产生

的泥浆、水泥浆、完井液等漏失状况时常出现。而空气泡沫钻进具有泡沫低密度、孔壁侵蚀作用弱等特性，钻孔泡沫能够很容易进入冻结岩层、弱胶结岩层或漏失岩层，提高煤田地质勘探的岩心钻进率。由于空气泡沫钻进技术，采用绳索取芯硬质合金的钻进工艺，其可以在空气压缩机、泡沫液注射泵等装置作用下，增大钻进压力值至5MPa，并能够大量携带、包裹钻孔周围的碎裂岩粉，从而完成易破碎水溶性地层、漏失地层等的钻进作业。

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