空气泡沫钻进技术在煤田地质勘探中的应用研究

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，并适当增大钻进供风量至7～10m3/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底层进行钻进作业，会提高煤田钻探孔径、泡沫钻进进尺等的数值，试验表明在地层涌水量低于5m3/h情况下，空气泡沫钻进技术的动力损耗、设备成本损耗更低，对粘土、砂砾岩等地质的钻进优势明显，能够满足普通煤田地层岩石的勘探、钻进要求。
　　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。