一种用于煤矿井的微泡钻孔液及其循环利用方法和系统与流程

1.本发明属于煤矿钻井技术领域，涉及一种用于煤矿井的微泡钻孔液及其循环利用方法和系统。


背景技术：

2.煤矿井下定向钻孔技术是通过利用螺杆马达使钻孔轨迹沿预定目标延伸，实现定向钻进过程，具有钻孔轨迹可控、延伸深度大、覆盖范围广等优势，在井下区域瓦斯抽采、顶板疏放水等领域得到广泛应用。目前，定向钻孔技术与装备在井下中硬煤层定向钻孔深度已达2311m、在顶板岩层中定向钻孔深度达到1026m，取得了煤矿井下定向钻孔技术和装备的重大突破。
3.微泡沫钻孔液的可循环方法是指将从井口返出的微泡沫钻孔液采用物理、化学、机械等方式进行消泡，经过固-液分离后，再向其中添加特殊的起泡剂，重新使其发泡。可循环微泡沫的应用，不但省略了不必要的存储设备，提高了起泡剂的使用效率，大幅度降低了钻孔液的成本，而且降低了泡沫对环境的污染，有利于环境保护。
4.目前常用的消泡法包括物理消泡法、机械消泡法、化学消泡法和自然消泡法四种，他们在消除泡沫的同时存在不足。物理消泡不能处理大量的泡沫，只适应于某些应急措施；机械消泡不仅需要附加设备，而且消泡率不高；化学消泡法需要添加消泡剂，添加的消泡剂会抑制后续循环利用中泡沫的再生，不利于微泡沫钻孔液的再利用；自然消泡法消泡慢，容易产生淤堵、外溢。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于煤矿井的微泡钻孔液及其循环利用方法，以实现微泡沫钻孔液的循环利用。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种用于煤矿井的微泡钻孔液，溶质按照如下质量比配制：起泡剂：稳泡剂：降滤试剂＝(0.3～1)：(0.1～1)：(0.1～0.3)。
8.可选地，按照如下质量百分比浓度配制：0.3～1％的起泡剂，0.1～1％的稳泡剂，0.1～0.3％的降滤试剂，其余为水。
9.可选地，起泡剂为阴阳离子起泡剂或由阴离子起泡剂与阴阳离子起泡剂复配而成。
10.可选地，阴阳离子起泡剂为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚或二者的复配物；阴离子起泡剂为烷基苯磺酸钠、脂肪酸钠、油酰甲基牛磺酸钠中的任一种或多种。
11.可选地，稳泡剂为纤维素cmc、聚丙烯酰胺、淀粉、多肽中的任一种或多种。
12.可选地，降滤试剂为羧甲基纤维素钠、黄原胶或二者的复配物。
13.一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用系统，包括沿流体流动方向顺次设置的除屑系统、助剂添加系统、基液补充罐、泡沫发生器、入井阀门，除屑系统用于从井下返回钻孔
液的除屑，基液补充罐连接有基液罐以补充钻孔液，泡沫发生器连接有泡沫参数监测系统以监测泡沫的发泡体积以及半衰期。
14.一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用方法，将微泡钻孔液进行发泡，待微泡钻孔液的泡沫半衰期满足在循环周期内完成自然消泡时，再将发泡后的微泡钻孔液注入井内，待微泡钻孔液返出井口，对其进行过滤以去除煤渣、岩屑，然后向过滤后的微泡沫钻孔液添加起泡剂以使微泡沫钻孔液恢复发泡能力，然后将恢复发泡能力的微泡沫钻孔液进行发泡，待微泡钻孔液的发泡体积和半衰期调整合适后，再注入井内进行循环利用。
15.可选地，当微泡钻孔液循环n次后发泡体积和半衰期下降时，补充新的微泡钻孔液以满足发泡体积和半衰期要求。
16.可选地，n的范围为6～8。
17.本发明的有益效果在于：
18.(1)实现了微泡钻孔液的循环利用，降低了钻孔液的成本，减少了对环境的污染；
19.(2)工艺简单、现场操作方便；
20.(3)十二烷基硫酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚是油田常用起泡剂，属大宗化工产品，发泡能力强，有利于降低环境污染；
21.(4)微泡钻孔液添加了适量的稳泡剂和降滤试剂调节泡沫性能，增强了泡沫的稳定性，提高了泡沫液柱静压力，满足了井壁保护的需要，兼顾了井壁保护与悬浮携屑的功能。
22.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
23.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
24.图1为本发明微泡钻孔液循环利用示意图。
25.附图标记：井口1、除屑系统2、助剂添加系统3、基液罐4、基液补充罐5、泡沫发生器6、泡沫参数监测系统7、入井阀门8。
具体实施方式
26.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
27.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不
代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
28.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
29.一种用于煤矿井的微泡钻孔液，溶质按照如下质量比配制：起泡剂：稳泡剂：降滤试剂＝(0.3～1)：(0.1～1)：(0.1～0.3)。微泡钻孔液可按照如下质量百分比浓度配制：0.3～1％的起泡剂，0.1～1％的稳泡剂，0.1～0.3％的降滤试剂，其余为水。优选0.5％起泡剂+0.3％稳泡剂+0.15％降滤试剂。
30.本发明的微泡钻孔液由起泡剂、稳泡剂、降滤试剂复配而成，起泡剂可为阴阳离子起泡剂或由阴离子起泡剂与阴阳离子起泡剂复配而成；阴阳离子起泡剂可为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚或二者的复配物；阴离子起泡剂可为烷基苯磺酸钠、脂肪酸钠、油酰甲基牛磺酸钠中的任一种或多种；稳泡剂可为纤维素cmc、聚丙烯酰胺、淀粉、多肽中的任一种或多种；降滤试剂可为羧甲基纤维素钠、黄原胶或二者的复配物。
31.本发明的技术思路是：阴阳离子表面活性剂的性质受疏水基团、介质ph值、浓度、配比等因素的影响；不同配比、浓度的表面活性剂，其性质差异较大，主要是由表面活性剂的化学性质决定的。
32.由于加和增效产生的概率随着两种起泡剂作用力的增加而增大，因此与阴离子表面活性剂产生加和增效可能性最大的是阴离子-阳离子和阴离子-两性型表面活性剂复配。通过改变浓度和配比使其在井口处返回时完成自然消泡。当两者表面活性剂产生复配效应时，其混合体系的临界胶束浓度(cmcm)并不等于二者临界胶束浓度(cmc1和cmc2)平均值，即
[0033][0034]
在混合单分子吸附层中，表面活性剂分子间的相互作用参数用β
σ
表示，基于非理想溶液理论和体系的热力学研究，在混合单分子层中存在如下关系。
[0035][0036][0037]
式中，α为混合起泡剂溶液中起泡剂1所占的摩尔分数，则起泡剂2的摩尔分数为(1-α)；x1为混合单分子吸附层(膜)中起泡剂1所占的摩尔分数，则混合单分子层中起泡剂2的摩尔分数(1-x1)；和c
12
分别为两种起泡剂及其混合物在溶液中的浓度。通过控制浓度和ph值来控制及起泡到消泡的时间，实现泡沫的循环利用。
[0038]
一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用系统，请参阅图1，包括沿流体流动方向顺次设置的除屑系统2、助剂添加系统3、基液补充罐5、泡沫发生器6、入井阀门8，除屑系统2用于从井下返回钻孔液的除屑，基液补充罐5连接有基液罐4以补充钻孔液，泡沫发生器6连接有泡沫参数监测系统7以监测泡沫的发泡体积以及半衰期。
[0039]
一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用方法，将微泡钻孔液进行发泡，待微泡钻孔液的泡沫半衰期满足在循环周期内完成自然消泡时，再将发泡后的微泡钻孔液注入井内，待微泡钻孔液返出井口，对其进行过滤以去除煤渣、岩屑，然后向过滤后的微泡沫钻孔液添加起泡剂以使微泡沫钻孔液恢复发泡能力，然后将恢复发泡能力的微泡沫钻孔液进行发泡，待微泡钻孔液的发泡体积和半衰期调整合适后，再注入井内进行循环利用。当微泡钻孔液循环n次后发泡体积和半衰期下降时，补充新的微泡钻孔液以满足发泡体积和半衰期要求；n的范围为6～8。
[0040]
实施例
[0041]
微泡钻孔液，按0.5％起泡剂+0.3％稳泡剂+0.15％降滤试剂配置，起泡剂采用十二烷基硫酸钠或脂肪醇聚氧乙烯醚或二者的复配物，降滤试剂采用羧甲基纤维素钠或黄原胶或该两者的复配物。配置的微泡钻孔液注入基液罐4和基液补充罐5，在地面分别调整基液罐4的微泡钻孔液量和助剂添加系统3的助剂添加量，通过泡沫参数监测系统7监测泡沫发生器6中产生的泡沫，待泡沫发生器6中的微泡钻孔液的发泡体积和半衰期满足要求器后，打开入井阀门8向井内注入微泡钻孔液，通过实时钻孔深度计算微泡沫钻孔液在井筒中的循环周期，微泡沫钻孔液在周期内发生自然消泡现象，即在返回井口处的时间内实现第一次消泡，携带岩屑的微泡钻孔液循环返出井口1处，通过除屑系统2除去煤渣与岩屑，通过助剂添加系统3添加质量为0.3～1.0％的起泡剂，恢复微泡钻孔液的发泡能力，此微泡钻孔液再次进入泡沫发生器6重新发泡，待发泡体积和半衰期满足要求后，泵入井口1重复下一次循环。循环6-8此以后，发泡体积和半衰期有所下降，通过基液补充罐5补充少量新的微泡钻孔液，实现下一次循环。这里采用waring-blender法测定泡沫发泡能力和泡沫的稳定性。在waring-blender搅拌器中加入150ml一定浓度的微泡钻孔液，搅拌成泡沫，记录发泡体积以及半衰期。
[0042]
本发明实现了微泡沫钻孔液的发泡-消泡-再发泡的循环利用，提高了起泡剂的使用效率，减少了对环境的污染，降低了钻孔液的成本，且微泡钻孔液兼顾了井壁保护与悬浮携屑的功能。
[0043]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种用于煤矿井的微泡钻孔液，其特征在于：溶质按照如下质量比配制：起泡剂：稳泡剂：降滤试剂＝(0.3～1)：(0.1～1)：(0.1～0.3)。2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井的微泡钻孔液，其特征在于：按照如下质量百分比浓度配制：0.3～1％的起泡剂，0.1～1％的稳泡剂，0.1～0.3％的降滤试剂，其余为水。3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井的微泡钻孔液，其特征在于：起泡剂为阴阳离子起泡剂或由阴离子起泡剂与阴阳离子起泡剂复配而成。4.根据权利要求3所述的一种用于煤矿井的微泡钻孔液，其特征在于：阴阳离子起泡剂为十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚或二者的复配物；阴离子起泡剂为烷基苯磺酸钠、脂肪酸钠、油酰甲基牛磺酸钠中的任一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井的微泡钻孔液，其特征在于：稳泡剂为纤维素cmc、聚丙烯酰胺、淀粉、多肽中的任一种或多种。6.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井的微泡钻孔液，其特征在于：降滤试剂为羧甲基纤维素钠、黄原胶或二者的复配物。7.一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用系统，其特征在于：包括沿流体流动方向顺次设置的除屑系统(2)、助剂添加系统(3)、基液补充罐(5)、泡沫发生器(6)、入井阀门(8)，除屑系统(2)用于从井下返回钻孔液的除屑，基液补充罐(5)连接有基液罐(4)以补充钻孔液，泡沫发生器(6)连接有泡沫参数监测系统(7)以监测泡沫的发泡体积以及半衰期。8.一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用方法，其特征在于：将微泡钻孔液进行发泡，待微泡钻孔液的泡沫半衰期满足在循环周期内完成自然消泡时，再将发泡后的微泡钻孔液注入井内，待微泡钻孔液返出井口，对其进行过滤以去除煤渣、岩屑，然后向过滤后的微泡沫钻孔液添加起泡剂以使微泡沫钻孔液恢复发泡能力，然后将恢复发泡能力的微泡沫钻孔液进行发泡，待微泡钻孔液的发泡体积和半衰期调整合适后，再注入井内进行循环利用。9.根据权利要求8所述的一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用方法，其特征在于：当微泡钻孔液循环n次后发泡体积和半衰期下降时，补充新的微泡钻孔液以满足发泡体积和半衰期要求。10.根据权利要求9所述的一种用于煤矿井的微泡钻孔液循环利用方法，其特征在于：n的范围为6～8。

技术总结
本发明涉及一种用于煤矿井的微泡钻孔液及其循环利用方法和系统，属于煤矿钻井技术领域。微泡钻孔液采用起泡剂、稳泡剂、降滤试剂复配的水溶液，起泡剂为阴阳离子起泡剂或由阴离子起泡剂与阴阳离子起泡剂复配而成，微泡钻孔液的泡沫半衰期满足在循环周期内完成自然消泡，微泡钻孔液返出井口后，对其进行过滤以去除煤渣、岩屑，然后向过滤后的微泡沫钻孔液添加起泡剂以使微泡沫钻孔液恢复发泡能力，然后将恢复发泡能力的微泡沫钻孔液进行发泡，待微泡钻孔液的发泡体积和半衰期调整合适后，注入井内进行循环利用，实现了微泡钻孔液的循环利用，降低了钻孔液的成本，减少了对环境的污染，且操作方便。且操作方便。且操作方便。


技术研发人员：李称心 李彦明 叶强波 徐树斌 郭昆明 李克松 孙利海 潘小叶 杜坤
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/23