空气泡沫增压钻探技术及应用-第二讲.pdf

第二讲：空气泡沫增压钻探技术及应用 主 要 内 容 一、 概 述 二、泡沫钻探的使用范围 三、泡沫及其主要性质 四、泡沫钻探的设备 五、水泵泡沫增压钻探工艺 六、固体矿产泡沫钻探应用 七、水文水井泡沫钻探应用 八、技术经济效益对比分析 一、 概述 n 早在五十年代中期，泡沫就开始应用于 钻井工程，当时美国为在干旱缺水地 区，以及稳定性又差的地层中钻井，首 次在内华达洲使用了泡沫。 n  1957年，加拿大为克服含水层钻进的困 难也采用了泡沫钻进。 n 六十年代初期，前苏联也开始了泡沫钻 进的试验研究，初期用于修井作业，后 逐渐推广到油井钻进中。 n 七十年代开始用于固体矿床钻探。 n 八十年代由于各种类型的增压装置研制 成功，使得泡沫钻进工作量急剧增长。 二、泡沫钻探的使用范围  1、在沙漠、高山和严冬等供水困难的条件 下钻进。由于泡沫大部分为压缩空气，含 水量很少，仅为空气的1/60～1/300，采 用泡沫钻进可以大大减少水的消耗量，用 水量可减少90%以上。  2、漏失地层中钻进。由于泡沫对岩层裂隙 和孔洞具有堵塞作用，加上泡沫柱的压力 比水柱小数十倍 （泡沫密度为0.032—  0.096kg/L），故可以在漏失地层中有效 地钻进。 3、在遇水膨胀、缩径和坍塌的地层中钻进。 由于泡沫具有疏水性和泡沫中含水量极 少，故可保证该类岩层孔壁的稳定，避免 遇水所造成的钻进难题。  4、在弱胶结怕冲刷的岩层中钻进。由于泡 沫上返速度小（0.5m/s左右），避免了空 气钻进和泥浆钻进中高速上升气流 （15m/s)和上升液流（1.0～2.0m/s） 对弱胶结岩层的冲刷作用。 5、在永冻地层中钻进。由于泡沫的导热性 和热容量小，可以防止永冻地层融化而造 成的钻进事故。  6、易产生钻头泥包的地层。由于泡沫的携 带岩粉能力强，悬浮能力大，以及泡沫的 疏水性，故钻进时不会产生钻头泥包现象 和卡钻现象。 三、泡沫及泡沫剂  1、气液混合体系： 在钻进过程中，使用最广的清洗介质是水、 泥浆、聚合物及其它溶液和压缩空气等。而泡沫 是一种由气体和液体组成的气液混合体系。根据 在孔内的流动状态，可以将气液混合体系分成下 述形态：充气液体、雾、泡沫，如图1所示：气 液混合体系中相的状态，常利用气液比X又来衡 量，即指在大气压条件下气体Q 和液体Q 体积比： g  L  X Q1/Q2  X 60,充气液体  X=60－300，泡沫  X300，雾 图1 单相和多相流中清洗介质流动状况示意图  1━空气 （气体）流；2━雾状物；3━气塞泡沫 ；4━稳定泡沫；5━充气液体；6━液体 充气液体——是分散多相体系，在该体系 中，液体是被分散的介质，而空气的气体 是分散相，气泡和气体彼此是不连续的。 雾——是多相分散体系，体系 中半径3～  10um的小液球 （表面活性物质的水溶液） 是分散相，而空气是被分散的介质。 泡沫——是多孔膜状的多相分散体系，由很 多被很薄的水膜分开的小气泡所形成。小 气泡具有多边形状。液体是泡沫体系中的 连续分散介质，而分散相是气体。 2、泡沫剂 泡沫剂一般是 由发泡剂、稳泡剂和其 它添加剂三部分组成，通常发泡剂 （是泡 沫剂的主要成份）含量在60—80%，稳泡 剂含量 为0.1～ 1.5%,其它添加剂不足  15%，余量为水。 发泡剂有：阴离子型，非离子型，复合 型和高聚物型。  (1)  阴离子型发泡剂 ：它在离解时形成带 负电的离子，因而其溶解在水中阳离子不