空氣泡沫鉆進技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究

空氣泡沫鉆進作為一種增壓鉆進技術(shù)，可以通過泡沫液注入量、供風(fēng)量等鉆進要素的不斷增加，提高地質(zhì)鉆進過程中的鉆探速度、壓力。當前我國不同地區(qū)使用的空氣泡沫鉆進技術(shù)，能夠?qū)?000m以內(nèi)的地質(zhì)巖心進行鉆探，鉆進深孔地層的最大靜水位可達500m左右，鉆進時鉆柱內(nèi)部壓力較高、空氣泡沫沿內(nèi)壓流動，產(chǎn)生較強的負壓作用力，促使地層巖石發(fā)生爆裂或破碎，從而滿足不同煤田地質(zhì)流速的勘探與鉆進要求。
　　1   空氣泡沫鉆進技術(shù)的工藝及鉆進規(guī)程
　　1.1 空氣泡沫鉆進技術(shù)的工藝實現(xiàn)
　　泡沫鉆進主要采取繩索取芯硬質(zhì)合金的鉆頭鉆進工藝，對不同地質(zhì)地層狀況的煤田，進行地質(zhì)勘探、鉆進工作。相比于金剛石鉆進技術(shù)，泡沫鉆進技術(shù)的鉆頭外出刃、底出刃較大，為滿足深層鉆進的靜液流速要求，需對鉆進供風(fēng)量、泡沫液注入量等要素進行數(shù)值增大，以保證高速鉆進條件下的碎石壓力、排巖性能。根據(jù)煤田地質(zhì)勘探中不同的地層狀況，選擇泡沫液注入量、注入組分及氣液比：（1）對于膠結(jié)性較強粘土層地質(zhì)，要采用200∶1泡沫液氣液比，并在其中加入穩(wěn)泡劑、水解度50%交聯(lián)劑等，形成干性普通泡沫。（2）對于結(jié)構(gòu)松散、易破碎的水溶性地層，可以采用100∶1泡沫液氣液比，并加入穩(wěn)泡劑、交聯(lián)劑等泡沫溶液，進行碎裂、坍塌土層地質(zhì)的鉆進，鉆進時的供氣量為5～7m3/min，（3）對于地層巖石較硬、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的鉆進，則要采用300∶1泡沫液氣液比，并適當增大鉆進供風(fēng)量至7～10m3/min，鉆進壓力提高為3～5MPa，以避免鉆進過程中地層涌水、孔內(nèi)靜液柱高度增加等狀況的發(fā)生。
　　1.2 空氣泡沫鉆進技術(shù)的鉆進規(guī)程
　　在利用空氣泡沫鉆進技術(shù)，開展煤田地質(zhì)勘探、鉆進過程中，通常會用到空氣壓縮機、泡沫液注射泵等設(shè)備。其中對于空氣壓縮機參數(shù)配置的選擇，要依據(jù)鉆進孔徑、鉆進深度、地層涌水量等數(shù)據(jù)，選擇供風(fēng)量為5～10m3/h、供風(fēng)壓力為5MPa的空氣壓縮機，進行靜水位小于500m的深孔鉆進。而在泡沫液注射泵型號、規(guī)格的選擇方面，需要依據(jù)空氣壓縮機參數(shù)、泡沫鉆進工藝，確定泡沫液注射泵的泵壓、泵量等變量要素，如注射泵壓力為5MPa、泵量控制在30L/min之內(nèi)。當在鉆進地層涌水量較大、孔徑內(nèi)靜液柱高度增加時，尤其在鉆進孔徑深度大于300 m情況下，應(yīng)增大空氣壓縮機、泡沫液注射泵的功率，提高泡沫液注入量、供風(fēng)量，并增加穩(wěn)泡劑、交聯(lián)劑等泡沫溶液的含量，來滿足巖石地層高速鉆進、巖石排屑的工作需求。
　　2   煤田地質(zhì)勘探中采用空氣泡沫鉆進技術(shù)的優(yōu)勢
　　相比于復(fù)雜金屬礦層的金剛石鉆進，空氣泡沫鉆進技術(shù)主要采取泡沫作為沖洗介質(zhì)，使用硬質(zhì)合金、復(fù)合片等較大出刃鉆頭，進行粘土、亞粘土、砂巖等地質(zhì)的鉆進工作，沖洗鉆進過程中的含水量少、鉆柱壓力小，因此其不僅具有金剛石鉆進的優(yōu)勢，還具有以下幾方面優(yōu)勢。（1）適用的煤田地層環(huán)境更加廣泛?？諝馀菽@進的硬質(zhì)合金、復(fù)合片等大出刃鉆頭，可以被用于西北地區(qū)、盆地煤田地層等的鉆進作業(yè)，其在單位時間內(nèi)的泡沫柱壓力更小、鉆進時效更高，能夠完成煤礦采空區(qū)、溶洞地層等的鉆進。（2）緩解煤田地質(zhì)的水化膨脹。地層泡沫鉆進中的大部分泡沫為壓縮空氣，含水量只有空氣水含量的1/300，該結(jié)構(gòu)性流質(zhì)在煤田鉆進中的應(yīng)用，可以大大減少自由水含量，解決地層在鉆探過程中的涌水膨脹問題。（3）空氣泡沫鉆進的地層應(yīng)力釋放效果好。泡沫沖洗介質(zhì)相比于其他沖洗液，在鉆進工程中產(chǎn)生的壓力、沖刷力度更小，能夠更加容易鉆進煤田地層中心進行勘探。同時由于孔底鉆鉆頭出刃大、鉆頭外圍過流通道也較大，其可以在鉆進煤田地層面時，得到更加良好的應(yīng)力釋放，即使面對凝灰?guī)r、砂礫巖等堅硬巖石的鉆進作業(yè)，也能夠使用硬質(zhì)合金、復(fù)合片等鉆頭輕松完成鉆進。
　　3   空氣泡沫鉆進技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用
　　當前在煤田地質(zhì)勘探中，空氣泡沫鉆進技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，該文以云南昭通煤田地質(zhì)鉆進為例，研究空氣泡沫鉆進技術(shù)在地質(zhì)鉆探中具有的重要作用。云南昭通新近紀煤田為砂巖、礫巖及泥質(zhì)巖組成結(jié)構(gòu)，在對該地質(zhì)巖層進行鉆探試驗過程中，首先使用頂漏鉆進方式進行套管下入與鉆進，鉆進時不使用泡沫沖洗介質(zhì)、沖洗液等結(jié)構(gòu)流質(zhì)，鉆進至地層50m出現(xiàn)泥漿、水泥漿、完井液等的漏失問題，且經(jīng)由鉆進孔洞的地層漏失達多處，由此對鉆進泥漿消耗、鉆進速度等產(chǎn)生嚴重影響。
　　在這一情況下，使用空氣泡沫鉆進的灌注系統(tǒng)，對240m深、340m深兩處鉆孔進行鉆進試驗，其中泡沫鉆進進尺速度為1. 8m/h、轉(zhuǎn)速為577rpm，隨后提高空氣壓縮機供風(fēng)量、泡沫液注入量，等待泡沫上返進入巖層裂隙，具體孔深、孔徑與鉆進進尺如表1所示。以上兩個孔洞的空氣泡沫鉆進，存在著鉆進增加壓力損失過大的問題，由于鉆進孔徑變化，引起孔底鉆頭周圍泡沫流動的阻力也較大。因此，鉆進過程中要定時查看空壓機、泡沫液注射泵的壓力，不斷地對鉆進輸送管路的泡沫供應(yīng)量、泡沫組分等進行調(diào)整，并調(diào)整鉆頭等鉆進設(shè)備的規(guī)程參數(shù)，
　　根據(jù)以上空氣泡沫鉆進數(shù)據(jù)可以得出，在未進行供風(fēng)量、泡沫液注入量等參數(shù)增加情況下，泡沫鉆進進尺、鉆進實效性較低，無法發(fā)揮泡沫鉆進的真正優(yōu)勢。之后通過增大空氣壓縮機、泡沫液注射泵等設(shè)備功率，以及增加穩(wěn)泡劑、交聯(lián)劑等泡沫溶液的含量，對孔深為340m底層進行鉆進作業(yè)，會提高煤田鉆探孔徑、泡沫鉆進進尺等的數(shù)值，試驗表明在地層涌水量低于5m3/h情況下，空氣泡沫鉆進技術(shù)的動力損耗、設(shè)備成本損耗更低，對粘土、砂礫巖等地質(zhì)的鉆進優(yōu)勢明顯，能夠滿足普通煤田地層巖石的勘探、鉆進要求。
　　4   結(jié)語
　　在煤田地質(zhì)勘探、鉆進過程中，地層受到壓力而產(chǎn)生的泥漿、水泥漿、完井液等漏失狀況時常出現(xiàn)。而空氣泡沫鉆進具有泡沫低密度、孔壁侵蝕作用弱等特性，鉆孔泡沫能夠很容易進入凍結(jié)巖層、弱膠結(jié)巖層或漏失巖層，提高煤田地質(zhì)勘探的巖心鉆進率。由于空氣泡沫鉆進技術(shù)，采用繩索取芯硬質(zhì)合金的鉆進工藝，其可以在空氣壓縮機、泡沫液注射泵等裝置作用下，增大鉆進壓力值至5MPa，并能夠大量攜帶、包裹鉆孔周圍的碎裂巖粉，從而完成易破碎水溶性地層、漏失地層等的鉆進作業(yè)。