A空气泡沫水井钻进技术

空气-泡沫钻进技术及其应用实例

3

梁贵和1，，吕

蓉2，关洪军1，毛云3

210007；

呼和浩特010020；2.内蒙古自治区国土资源勘查开发院，

呼和浩特010051）3.中国人民66259，

摘要：本文介绍了空气-泡沫潜孔锤、空气-泡沫牙轮钻进技术的工作原理、适用范围。通过工程实例阐述了其在基岩水井钻探中的具体应用，给出了在不同地层条件下钻探所需的设备及各种技术参数，通过与泥浆钻进工艺的对比，分析了其钻进效果。最后总结了该技术的特点及其应用前景。关键词：空气-泡沫；钻进技术；钻进参数；井身结构中图分类号：P634.5

文献标识码：A

文章编号：1000-3665（2004）05-0101-03

（1.理工大学工程兵工程学院，南京

空气-泡沫钻进技术是当今世界各国解决基岩地层钻进最有效的方法之一，已被广泛地应用于工程勘察、地质勘察及水文水井钻井行业中。近年来的施工实践证明，在基岩地层中利用空气-泡沫工艺施工与以往采用单一的泥浆钻进相比，具有钻井进尺快、周期短、费用低的特点，为在基岩地区快速开辟水源地提供了强有力的技术保障。

1

1.1

技术介绍

空气-泡沫潜孔锤钻进技术

空气-泡沫潜孔锤钻进是向潜孔锤输入高压空气

的同时，通过泡沫泵向气流中注入少量泡沫液，使循环介质具有大量泡沫的钻进方法。潜孔锤工作时，从空压机输出的高压空气通过钻具（钻杆或钻铤进入冲击器的尾端，之后通过逆止阀进入气缸，通过气缸推动冲锤做功，冲锤再冲击钻头做功来破碎岩石。做功后的废气通过钻头的排气孔从孔底携带岩渣返上地面。

下面以瑞典阿特拉斯公司的DHD-360型冲击器为例说明其具体工作原理（图1）。该冲击器采用了逆止阀，冲击器与钻头采用花键卡环联接。

在活塞返程时，高压气由接头进入分配器的长孔气缸上的气孔2、外套管11上端的环状空间3、气缸1、

上的长孔4，再经活塞上端与外套管之间的空间6、活塞下端上的气槽7、外套管下端的环状空间8到达前气室，推动活塞上行返回。当活塞后退至其下端的气槽7

前气室停止供气。而8关闭时，

当活塞继续后退至其上端气槽11与气缸上的气槽10相通时，高压气体经1、2、3、4和5以及11、10到达后气室，后气室开始供气，推动活塞冲程作功。前后气室的废气，分别由钻头尾部排气管9和活塞中心孔，从钻头

收稿日期：2003-12-15；修订日期：2004-02-20作者简介：梁贵和（1974-），男，工程师，硕士研究生。

E-mail：herolgh@tom.com

［1］

底部排出，以清除岩粉。

1.2空气-泡沫牙轮钻进技术

空气-泡沫牙轮钻进工艺是指以空气-泡沫循环

・102・水文地质工程地质2004年第5期

介质代替传统泥浆的牙轮钻进工艺，在空压机把高压气流通过钻杆输入孔底的同时通过泡沫泵注入少量的泡沫溶液，然后通过钻头底部的水眼排出。在此过程中，空气-泡沫雾状介质既把钻头破碎出的岩屑带出孔外，同时又冷却了钻头。

空气-泡沫牙轮钻进较为合适在中硬—较软的沉积岩或固结的岩石中钻进（V-Ⅲ级）。这类地层涌水量一般较大，随着孔深的增加，孔内的涌水量会不断加大，用空气-泡沫牙轮工艺钻进能达到更大的深度。铤、φ205螺旋式扶正器；

钻塔高：功率：提升力：15.24m；712马力；432kg；ＸＲＶＳ９７６空压机2台；

压缩螺杆类型：二级压缩；排气量：2７.７m3/min额定排气压力：（2.５０MPa）；350PSI排气口尺寸：3inch；

７Ｔ－２７６－４１Ｂ－１０００增压机1台；进气口空气压力：2.41MPa/350PSI；为了提高空气悬浮岩渣的能力，可以把少量纤维素与泡沫剂混合溶液通过泡沫泵一起加入到高压空气中，这样一是有利于保护孔壁，二是可以减少空气在地层中的漏失，能把较大的岩屑带上地表。

实践证明，在中硬—软的固结性岩层时，空气-泡沫牙轮钻进速度比泥浆钻进快，钻头的使用寿命也长。但要特别注意防止孔斜。1.3

泡沫的作用

在空气-泡沫钻进时，能使岩屑颗粒外表被泡沫包裹，形成了一层保护膜，防止岩屑粘结，不致形成泥包现象。因此，泡沫携带岩屑的能力比纯空气和水都

强得多［2］。另外泡沫还具有润滑能力，可大大降低钻

具的振动并减少气流和岩屑对孔壁的冲刷破坏力，有利于保持孔壁稳定。

不同地层所适用的钻进方法如表1。

表1

不同地层所适用的钻进方法

Table1

Reasonabledrillingtechniquesindifferentformations

地层类型火成岩与变质岩沉积岩非固结地层地层岩样花岗岩、石英岩、石灰岩、玄武岩、片麻岩、片岩

砂岩、页岩粘土、砂砾硬度

硬—中硬

硬—软松软疏散（Ⅹ-Ⅺ级）

（V-Ⅲ级）

（Ⅱ-Ⅰ级）

钻进方法←

潜孔锤钻进→←

牙轮钻进

→←潜孔锤钻进

→←泥浆钻进→2工程应用

一九九九年，我部承担国家检察官学院供水井施

工任务，在该井施工过程中，空气-泡沫钻进工艺发挥了巨大的作用。2.1

设备及其参数

RD-20钻机1台；

配套泡沫泵、850/50泥浆泵、φ114钻杆、φ159钻

排气口空气压力：8.274MPa/1０00PSI；

空气排量：60m3/min（2100CFM）；潜孔锤：阿特拉斯．科普柯ＤＨＤ３８０冲击器、φ225锤头；

牙轮钻头：江汉钻头厂产φ215硬质合金镶齿钻头。2.2

地质条件及井身结构

该井设计井深1500m，取水目的层为1200m以下的奥陶系灰岩岩溶水；具体地层结构为：0～100m为第四系松散沉积层、100～650m为砂岩、650～1200m为煤系地层与泥页岩互层、1200～1500m为奥陶系灰岩；井孔结构为：0～100m段下入φ273钢管，水泥固井；100

～1217m段下入φ178钢管，水泥固井；1217m之下石灰岩地层采用φ152裸孔。2.3

钻进工艺

开孔采用传统的泥浆钻进工艺，进入基岩之后下入φ273钢管，固井后采用空气-泡沫潜孔锤钻进，钻

进至650m见到煤系地层，而后采用空气-泡沫牙轮工艺钻进到800m，因空压机风气压克服不了水的背压为止，最后采用泥浆钻进到终孔。2.3.1潜孔锤钻进参数

（1）钻头转速：n=fd/πD其中：n—

——转速；d—

——钻头上硬质合金柱直径；D—

——钻头直径；f—

——潜孔锤冲击频率，一般控制在10～30r/min。

（2）钻进压力：一般控制在907～1814kg；（3）空压机风量：最大51m3/min；

（4）泡沫液浓度：0.5%～0.8%，井深超过300m可增加到1.0%；

（5）为了在钻进中保持钻孔的清洁，推荐空气上返速度最低值为4500feet/min。

2.3.2牙轮钻进参数（φ215mm硬质合金镶齿钻头）

2004年第5期水文地质工程地质・103・

（1）钻头转速：65～85r/min；（2）钻压：110～150kN；（3）空压机风量：最大51m3/min；

（4）泡沫液浓度1.0%～1.5%，并加少许纤维素，用拇指、食指醮少许溶液对捏后有粘感为好；

（5）空气上返速度：从孔底上返到地面不低于500feet/min。

2.3.3钻进程序及其效果

在整个井孔的钻进过程中，100～800m段采用空气-泡沫钻进工艺。其中100～650m段为砂岩地层，硬度较大，采用了空气-泡沫潜孔锤钻进；650～1200m为煤系地层与泥页岩互层，改用空气-泡沫牙轮钻进工艺到800m。由于地层涌水量太大，孔内背压太高而钻进停止。800～1500m孔段采用泥浆牙轮钻进到终孔。在空气-泡沫钻进的过程中，100～200m段用两

表2

Table2

地层

台空压机并联供气，随着钻进深度的加大，水的背压逐渐增高，为了克服井孔内水的背压，采用2台空压机并联又经过增压机增压后送气入井孔，这样既保证了钻进所需的风量，又保证了潜孔锤与空气-泡沫牙轮工艺正常工作与排渣所需的风量。

泡沫液在水箱里调制均匀，而后由钻机配备的泡沫泵泵入钻机动力头，与高压空气一起通过钻杆送入孔底进行工作。采用空气-泡沫潜孔锤钻进工艺，既发挥了潜孔锤破碎硬岩效率高的特点，又充分体现了泡沫携带岩粉强、有利于井壁稳定、润滑钻具的特

［3］

点，而采用空气-泡沫牙轮钻进工艺又弥补了潜孔

锤钻进较软岩层效果差与由于受地下水的影响背压升高而致钻进深度相对不足的缺点。

由于采用了空气-泡沫潜孔锤与空气-泡沫牙轮钻进工艺，大大缩短了工期，提高了工作效率（表2）。

空气-泡沫钻进工艺与泥浆钻进工艺施工时效情况对比表

Drillingeffectcontrastingbetweenair-foamtechniquesandmudtechniques

工作量（m）550550150150

锤（钻）头直径（mm）225215215215

钻压（kN）10135120120

纯钻进时间（h）6133537.557.7

平均时效（m/h）9.021.4.02.6

钻进方法

空气-泡沫潜孔锤钻进

泥浆牙轮钻进

砂岩

煤系地层与泥页岩互层

空气-泡沫牙轮钻进

泥浆牙轮钻进

3空气-泡沫钻进特点分析

空气-泡沫钻进工艺的优点主要有：

（1）提高了返渣速度；

（2）在钻进的过程中，含水层不易被钻井液堵塞，水量观测直观；

（3）在钻进过程中，不需使用泥浆泵，无需花费大量的时间去保养泥浆泵；

（4）钻头寿命延长；钻进受气候影响小；（5）在固结的岩石中钻进速率快，在砂岩地层中空气-泡沫潜孔锤钻进比用传统的泥浆牙轮钻进工艺快在花岗岩、玄武岩等高硬度火成岩地层中钻进5.5倍，

比泥浆牙轮钻进进尺速率提高10倍左右；

（6）在煤系地层、泥页岩、粉细砂岩地层中用空气-泡沫牙轮钻进比泥浆牙轮钻进工艺快1.倍；（7）每米平均钻进费用降低，缩短成井周期。（8）钻进所需的压力较小（907～1814kg，具体要视所使用的钻头尺寸与地层硬度而定），不需要使用扶正器或钻铤，可保持钻孔垂直；

钻进用扭矩比回转钻进要小得多，回转转速也（9）

很低，一般为10～30r/min。

空气-泡沫钻进缺点主要有：仅局限于在固结性较好、硬度较大的岩层中钻进；需要大风量的空压机。

4结语

空气-泡沫钻进工艺是在固结性较好、硬度较大

的地层中钻进最理想的钻进工艺之一，既具有泡沫钻进的特点，又具有空气钻进效率高，钻井周期短，成井费用低的特点，在基岩地区水井施工中具有很好的应用前景。参考文献：

［1］屠厚泽.钻探工程学（上册）［M］中国地质大.武汉：

学出版社，1988.195.

［2］王哲，张勇，蒋荣庆.泡沫潜孔锤钻进技术的国内外

研究现状［J］，6）：.西部探矿工程，2001（95-96.［3］菅志军，张祖培，等.泡沫潜孔锤在水文水井钻探中

的应用前景［J］（5）：.地质与勘探，2001，3777-78.