第四讲 泡沫泥浆技术

泡沫泥浆技术

一、泡沫泥浆钻进的特点及应用范围

1、泡沫泥浆的特点

泡沫泥浆是在优质低固相泥浆基础上加入泡沫剂，进行充气发泡而配制成的一种新型低密度冲洗液。它是气体分散在泥浆中的气液固三相流体，其最大特点是密度≤1，液柱压力低，可实现负压平衡钻进提高机械钻速和台月效率，减少孔内事故，降低成本。在渗透裂隙地层、不稳定地层以及煤层、松散矿层等用合金、PDC、天然表镶金刚石钻头和绳索取心钻进，有防漏、护壁、保护岩心作用。

2、泡沫泥浆的主要功能：防漏堵漏作用；防塌护壁作用；润滑减阻作用；携屑作用。

3、泡沫泥浆的应用范围：

①在完整、孔壁稳定的地层，采用泡沫泥浆作冲洗液实现平衡钻进和负压钻进，可以提高钻进效率。

②在较完整，有轻度坍塌、漏失的地层，采用泡沫剂泥浆做冲洗液较其它任何冲洗液在防塌防漏方面有优越性。

③在破碎、裂隙发育、掉块、坍塌或中等程度漏失的地层，采用泡沫泥浆作冲洗液，可在配方中加2-3%的磺化沥青强化孔壁，起到抑制破碎岩层掉快、坍塌、并减少冲洗液的漏失。

④在胶结性很差的松散覆盖层，或第四系未固结不稳定地层中采用泡沫泥浆作冲洗液，由于其流变性为平板性层流，保持孔壁相对稳定，靠低返速高结构粘度有效地携带岩粉。

⑤对片岩、千枚岩、页岩、粘土等水敏性底层，遇水膨胀、剥落，引起缩径、掉块、坍塌、超径地层，采用泡沫泥浆作冲洗液，因失水量小，且泡沫的吸附能力又强，防塌能力可提高58%左右。

⑥岩盐、钾盐、芒硝等水溶性地层，孔壁易超径，泥浆性能受到破坏。在这类地层中钻进，在泡沫泥浆中加2‰XC，可提高抗盐、抗污染能力，代替饱和盐水泥浆，预防岩盐地层的溶蚀。

⑦在大裂隙和岩溶等洞隙性地层，冲洗液全部流失，必须先采用堵漏、充填、或套管封闭等措施后，才能使用泡沫泥浆。

二、泡沫泥浆的配制

在基浆内加入处理剂（稳泡剂CMC、PHP），高速搅拌约5分钟，再加入泡沫剂ADF-3，经过高速搅拌或喷射发泡，就制得泡沫泥浆。

附：发泡方式有两种：（1）有空压机时，由空压机引出压缩空气至高压管线的气液混合器，高压气流和高速液流在混合中形成泡沫进入孔内。（2）无空压机时，分为两种方式：一种使用专用气液混合器，该方法适用于地质钻探野外作业，对高山、缺电、缺水干旱地区施工容易实现；另一种方式用一种专用高速搅拌装置，转速3000r/min左右，该方法的优点是简单易行，使用方便，但发泡量有限，且不能连续作业，有一定的局限性。

三、泡沫钻进（充气钻进）设备

泡沫钻进是改善和提高潜孔锤钻进效果的重要配套工艺方法，因此在组合潜孔锤钻进设备时就要有所准备，应配备的主要有：泡沫剂、泡沫泵、泡沫液箱、管道、混合器及节门和测试仪表等。

图11 泡沫钻进设备布置

1、空压机；

2、阀；

3、放气管；

4、转子流量计

5、压力表

6、三通管；

7、泡沫剂液箱；8、泡沫泵；9、高压胶管；10、钻机；11、钻杆；12；孔口密封导流装置；13、井口管；14、排风管

四、泡沫剂的注入技术

注入技术是应用好泡沫剂钻进工艺的重要条件之一，在实际工作中，如何充分发挥泡沫钻进的作用，这不仅和泡沫剂本身的物化性能有关，而且和所采用的注入工艺有很大关系。目前基本采用以下二种方法：

1、间隙注入：把配制好的泡沫剂在每次加钻杆前从管内倒入，每钻进2m左右放喷一次，强排孔内岩屑清孔。这种方法具有不用设备投入，方便简单的优点。但存在以下几个问题：a、钻速不能保持稳定正常，严重影响钻速提高；b、孔内积沙（存留岩粉）太多，这样不仅回转阻力增大，还易产生卡钻事故；c、循环压力高；d、钻头工作环境恶化；e、岩屑重复破碎严重；f、不能充分发挥泡沫钻进技术的优越性。

2、连续注入：采用泡沫泵（小泵量泥浆泵10－15l/min）把配制好的泡沫剂通过空气管路三通连续注入。可有效的发挥泡沫钻进技术的优越性，克服间隙注入所存在的不足。泡沫泵见图12示意。

图12 PMB-40；PMB-50泡沫灌注泵 五、一种自行配制的泡沫泥浆

2006年11月至2007年4月，山西铝土矿勘查钻探施工过程中，我局西安地质勘查院与中国地质大学（北京）工程技术学院协作，进行泥浆试验，同时取得了较好的结果。

1、泥浆配方：水1立方米+膨润土50公斤+黄原胶1.5公斤+发泡剂1公斤+纤维素2公斤

发泡剂：十二烷基苯磺酸钠：十二烷基硫酸钠为2：1配制。

2、配置方法

①膨润土预水化16-20小时； ②均匀加入药剂；

③用水枪刺均匀；

④在孔内循环，达到微泡均匀，性能稳定。

3、泥浆使用情况

在施工过程中，采用此泥浆，钻孔孔内干净，携沙能力强，孔比稳定，钻探效率明显提高，未出现恶性孔内事故。现场微泡沫泥浆的常规性能（现场监控的性能）大致如下：

密度：0.8-1.1 g/cm3；漏斗粘度30-50 s ； 表观粘度32-45cp ； 动切力12-15Pa ；失水量（30min ）<10ml 。

SM植物胶无、低固相冲洗液

SM植物胶是一种土黄色粉末，其水溶液是粘弹性液体，可作为钻探冲洗液。应用范围包括砂卵砾石覆盖层、粘土层等所有未胶结地层及水敏性地层，软塑性破碎地层，具有较好的护壁效果和护胶作用，配合金刚石单动双管钻具可随钻取样，能提高复杂地层的采心率，具有粘弹性减振作用，可提高钻杆转速和金刚石钻头寿命。具有润滑性好，滑动性好，泵压低等特点。

一、SM无粘土冲洗液的配制

1、SM应用于砂卵石覆盖层的配方

SM的浓度以2%（重量比）为宜，加入纯碱5%或烧碱2—3%（碱与SM干粉重量的百分比）。

2、SM应用与基岩或水敏性地层的配方

根据岩层条件和目的不同，可选用1—2%的SM浓度，岩层越复杂，或要求取原状样，则SM浓度越高，碱的比例同上。当SM浓度较低时，可加入CMC降低失水量，改善SM浆液的性能

3、SM无黏土冲洗液的制备方法

制备SM无固相冲洗液可以用机器搅拌（要用立式搅拌机或软轴搅拌器），亦可人工手搅。

①首先将碱加入1/3罐的水中溶解，然后将SM粉均匀撒入碱水中高速搅拌，搅拌20～30分钟。

②搅拌完后，浸泡4～24小时，待胶粉充分溶解浆液稠化，2%浓度的新浆黏度达120秒以上，1%浓度的新浆黏度达60秒以上即可使用。浸泡时间根据气温和黏度变化而定，气温低，则浸泡时间长。

4、SM无黏土冲洗液的维护管理

①在气温较高的季节，搅拌好的SM浆液和机场使用的浆液要撒入少量甲醛防腐，每天一次，每次每米3浆液约0.5公升。

②使用中的SM浆液，由于胶体吸附岩粉、沙子而消耗，黏度逐渐下