空气泡沫钻进在采空区域施工中的应用

董志鸣

（中国煤炭地质总局第三水文地质队，河北邯郸 056006）

·钻探·物探·

空气泡沫钻进在采空区域施工中的应用

董志鸣

（中国煤炭地质总局第三水文地质队，河北邯郸 056006）

钻探遇漏失地层、采空区，尤其在有多层采空区可能会引起的大漏，给施工带来诸多不便。使用空气泡沫作为冲洗介质进行钻探施工，以较小的设备改造投入有效解决了施工供水量大或堵漏时间长的问题，同时提高了钻进效率。在本次钻探施工中，针对钻遇3层采空区的情况，将普通牙轮钻进设备的泥浆泵更换为空压机后即可进行空气泡沫钻进，使用十二烷基硫酸钠作为发泡剂，羧甲基纤维素钠作为稳泡剂,液气比1/300；气液上返速度1.7m/s，最终取得了井深240 m、孔径Ø350 mm钻孔纯钻进效率达到了2.16 m/h，远高于普通泥浆循环钻进的施工效果。

多层采空区；大孔径；井漏；泡沫钻进

0 引言

钻探遇漏失地层、采空区施工时，材料消耗大，施工耗时长，尤其在有多层采空区域内施工钻孔，遇采空区大漏给施工带来多种不便。

我单位在山西某矿施工的一个采空区抽水孔需穿过三个采空区，其主要完成施工任务是探明采空区积水情况。本次钻探工程钻遇的地层由老至新有侏罗系大同组和第四系。侏罗系大同组由灰、灰白、深灰色砂质泥岩，泥岩，炭质泥岩，中、细粒砂岩及煤层组成，钻孔揭露厚度约230m。根据《岩土工程勘察规范》该地区岩性为硬、较硬岩层。第四系由包括上、中更新统和全新统，主要为土层，厚度约11 m。

钻孔设计为两级孔径结构，一开Φ394 mm下入Φ377 mm表套，二开Φ350 mm钻至终孔后下入Φ 273 mm护壁管。

1 施工方案选择

本工程主要难度在于揭露采空区遇大漏后孔底岩粉的排除问题，可供选择的方案有3个。

①常规冲洗液钻进。遇大漏后需要对采空区进行堵漏，采用最可靠的套管护壁堵漏法，开孔孔径须增加到Φ500 mm以上，且堵漏耗时长，材料消耗量大、钻进效率低；如果顶漏钻进则用水量大，供水成本大量增高，供水速度影响钻进效率，同时大量冲洗液涌入采空区不利于判断有空区是否存在积水。

②使用空气作为冲洗介质钻进。送风量计算：

Q=47.1K1K2（D2-d2）V

式中：Q——送风量，m3/min；

K1——孔深修正系数，取1～1.1；

K2——孔内涌水系数，取1～1.5；

D——钻孔直径，m；

d——钻杆外径，m；

V——排渣通道上返风速，m/s。

结合本工程设计要求取值K1=1、K2=1、D=0.35 m、d=0.089 m，按水文水井地质钻探规程取值V=16m/s，计算得Q=86.3 m3/min。

需要送风量过大，一般单台空压机不能满足要求，需要并联两到三台空压机才能满足施工要求，该方案设备投入量大，施工成本高。

③空气泡沫作为冲洗介质钻进。其优点是冲洗介质中含水量少，不影响对采空区积水情况判断，悬浮岩屑能力强，对风量要求较低，气液上返速度为常规空气钻进的1/15～1/20就可排渣。配备一台空压机足以满足施工要求，在含水地层中能正常钻进。

综合考虑3种方法的优缺点，本工程最终选择以空气泡沫作为冲洗介质进行钻探施工。

2 施工设备

施工设备是在普通水源钻机及配套设备的基础上添加一台空压机、注液泵及作为动力设备的发电机组，主要施工设备有：

①TSJ—2000E型水源钻机，配套动力为6135柴油机；

②BW850型泥浆泵，与钻机使用同一柴油机作为动力；

③WF-10/60型空压机，动力为132 kW电动机，由一台150 kW发电机组提供动力；

④注液泵，使用普通洗车泵，动力为3 kW电动机，与空压机使用同一发电机组供电；

⑤混合器，由Φ50 mm钢管加工，两端分别为进风口（连接空压机排气阀）和出风口（连接立轴高压胶管）；中间安装两个阀门，一个为进液阀（与注液泵出口连接）另一个为放空阀；

⑥钻具：Φ350 mm牙轮钻头、Φ203 mm钻挺、Φ 168 mm钻铤、Φ159 mm钻铤、Φ89 mm钻杆。

设备连接见图1。

3 钻进工艺

施工采用牙轮钻头回转钻进，空压机输出压缩空气与泡沫泵输送的泡沫液在混合器处混合为空气泡沫，空气泡沫经高压胶管——钻杆——钻头输送至孔底对钻头进行冷却同时携带岩屑进入采空区。

3.1 泡沫液的配制工艺

泡沫液的配制使用十二烷基硫酸钠作为发泡剂，羧甲基纤维素钠作为稳泡剂。发泡剂加入比例为0.5%，配制时先将发泡剂与水充分搅拌；稳泡剂添加比例为0.03%，为保证稳沫剂与水能充分混合应将羧甲基纤维素钠与水以1∶30比例充分搅拌，浸泡12 h后，按0.1%加入泡沫剂中。

3.2 钻进参数

送风量10 m3/min；泡沫液消耗量30 L/min；液气比1/300；气液上返速度1.7 m/s。

图1 泡沫钻进设备连接Figure 1 Foam drilling tool combination

钻压控制在5 t左右，转速控制60～80 r/min。

3.3 施工情况介绍

本次施工穿三个采空区，分别在50 m处（采空高1.2 m）、101.8 m处（采空高5.07 m）、199.4 m处（采空高4.03 m）。

开孔钻进使用泥浆循环钻进，下入表层套管后更换空气泡沫钻进。钻至50 m处遇第一层采空区，经测量水位确定采空区无积水后继续钻进。钻进至90 m时提钻遇轻微阻力，比正常提钻时拉力增加1.5 t，经提钻扫孔后阻力消失。继续钻进至101.8 m处遇第二层采空区经测量水位确定采空区无积水后继续钻进。钻至172 m加钻杆时发现提钻有阻力，准备提钻扫孔，钻头提至160 m处平生遇阻，增加15 t提升力仍不能上提，除此外钻具下放、回转皆正常，向孔内注入泡沫时空压机输出压力也没有明显变化。持续窜动钻具3 h每次都在160 m处遇阻，结合穿过第二层采空区后100 m以上孔段未发生提钻时提升力增大的情况，分析认为是“泥领”可能性较大，向孔内注入2 m3清水，浸泡半小时后提升阻力变小，成功提出钻具。

第三层采空区为积水采空区，经揭穿后测量，水位埋深187 m，揭穿该采空区后，加钻杆时孔底开始出现2～3 m的岩屑沉积，分析认为是钻进时空气泡沫将孔内积水压入采空区，停止输送泡沫时采空区积水回涌井底携带的岩屑，现场采取了延长回次终了时排屑时间的措施，使情况略有改善但仍不能做到彻底清除岩屑沉积，只好在每次停止输送泡沫时尽可能将钻具拉高以防止岩屑埋钻。好在对钻进影响不大，钻孔最终达到设计深度240 m。

4 施工效果

通过7天的施工完成了240 m、Φ350 mm抽水孔的施工。纯钻进效率2.16 m/h，比同地区泥浆循环钻进效率提高80%；由于加钻压较小，保证了钻孔的垂直度，全孔最大孔斜不足1.5°，使得240 m护壁套管下入工作一次性顺利完成。

采用泡沫钻进工艺钻孔内无积水，通过简单地测量水位就可以判断采空区内是否存在积水，使得施工更加简单。

另外由于使用泡沫钻进孔底清洁度好，Φ350 mm牙轮钻头在完成200多米钻进工作后并没有明显磨损，与泥浆钻进相比较钻头寿命延长一倍以上。

5 结语

①采用泡沫钻进工艺在含有多层采空区地层施工可以节约大量施工用水，同时保持较高的钻进效率并延长钻头使用寿命。

②空气泡沫钻进用水量很小，有利于对采空积水情况的判断。

③在穿过积水采空区后应先封堵采空区再继续钻进，否则穿过积水采空区后不宜再施工过多进尺，以免采空区积水回涌造成埋钻。

[1]中华人民共和国国土资源部DZ/T0148-2014，水文水井地质钻探规程[S].北京：中国标准出版社，2014.

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[4]吴友强.车载空气潜孔锤钻进技术在煤层气井施工中的应用[J].中国煤炭地质，2013，25（7）：59-61.

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[7]刘海波.空气泡沫潜孔锤钻进技术在大直径基岩深井中的应用试验[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（5）：31-34.

Application of Air-foam Drilling in Worked-out Area Operation

Dong Zhiming
(The Third Hydrogeological Exploration Team,CNACG,Handan,Hebei 056006)

If the drilling intersects leakage formation,worked-out area especially multileveled worked-out areas may cause large leakage and bring a lot of trouble in drilling operation.To use the air-foam as the circulation medium in drilling operation can solve issues of large water quantity supply or long water plugging time effectively with minor equipment modification investment,meanwhile promote drilling efficiency.In this drilling operation,in allusion to multileveled worked-out areas,has changed mud pump in common roller bit drilling into air compressor to carry out air-foam drilling with lauryl sodium sulfate as foaming agent and carboxymethylcellulose sodium as foam stabilizer,liquid-gas ratio 1/300,gas-liquid return velocity 1.7m/s.Finally,the completion depth is 240m,borehole diameter Φ350mm with net drilling efficiency 2.1m/h,thus far above common mud drilling efficiency.

multileveled worked-out areas;large borehole diameter;well leakage;foam drilling

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.13

1674-1803(2017)02-0062-03

P634.5

A

董志鸣（1980—），男，河北怀来人，钻探工程师，主要从事施工管理及技术工作。

2016-08-23

责任编辑：樊小舟