空气锤钻井技术研究|小型空气锤

摘 要国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面作了深入的研究，但对空气锤钻井技术理论方面还属于空白。为了弄清楚带空气锤的空气钻井破岩机理，本文做了一定的研究工作，希望能够为空气锤现场作业提供依据和帮助。

关键词空气钻井；空气锤；破岩机理

空气钻井是以空气作为循环介质的欠平衡钻井，由于具有大幅度提高机械钻速、有效保护储层的特点，加上各油气田为了加快钻探开发的步伐，在我国正得到大力的推广应用，同时空气锤钻井在空气钻井中的优越性日益显现。因此，有空气锤钻井的破岩机理、影响因素等理论值得进一步探讨和研究。

1.基本概念

空气锤是将持续性输入的高压气体能量转化为间歇性的脉冲力输出的一种机械。而空气锤钻井技术就是利用高压气体介质传递能量实现空气锤对岩石的高频率冲击做功而进行破岩的钻井方式。

2.破岩机理

空气锤钻井是在空气旋转破岩的基础上，利用空气锤的高频冲击提高破岩效率的一种冲击旋转钻井技术，兼容了空气钻井和冲旋钻井的优点。井底岩石主要是在钻压、冲击力和旋转剪切力的共同作用下产生破碎的，同时具有破岩主要有以下特点：

（1）动载与静载联合。接在钻头上的空气锤产生高频冲击通过钻头传递给岩石，牙齿与岩石的接触表面在极短时间内产生了很大的冲击作用力。通常在几十微秒，由零上升到几十千牛，又迅速降低到零。冲击点的作用力来不及重新分配，应力便很快接近或超过岩石的强度极限，产生裂纹并形成扩展，出现体积破碎。由于活塞作周期的往复运动，该冲击作用力是周期性交变载荷，随时间作波形变化。而钻压作为静载荷压持岩石可以降低其强度，同时也能对岩石产生一定的研磨。

（2）冲击与旋转联合。空气锤的冲击以及钻头的旋转刮削协同作用，联合破岩。钻头旋转的主要目的是为了改变牙齿与岩石的接触位置，扩大岩石破碎体积，冲击才是岩石破碎的最主要原因。与常规钻井液钻井相比，由于空气钻井井底的负压差，产生了沿轴向的拉应力，利于冲击破碎。同时沿井底平面方向，剪应力也要小得多，故也利于剪切破碎。因此，冲击破碎与旋转剪切破碎联合可以提高破岩效率。

（3）机理分析。工作时活塞在高压气体的作用下做高频往复运动，不断地冲击钻头尾部。在冲击力的作用下，带动位于钻头底部的复合球齿冲击井底岩石并压碎凿入一定深度，形成一道凹痕。活塞退回后钻头回转一定角度。之后活塞又开始向前运动，再次冲击钻头尾部，又形成一道新的凹痕。两凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钻头，并从钻头的中心孔连续释放高压空气，从而将岩屑携带出来。

凹痕通常称为，井底破碎坑。它由若干个同心的破碎圆环组成，而每个破碎圆环则是由许多几何形状基本相似的单个牙齿形成的破碎坑组成。每个破碎坑的几何形状和尺寸，决定于载荷、侵入深度、牙齿的形状及其分布、加载时间、岩石性质等一系列因素。

（4）岩石的破碎形态。冲击是造成岩石破碎的主要原因，所以冲击载荷下岩石的破碎形态就是空气锤钻井中岩石破碎的主要形态。冲击载荷下岩石的破碎形态主要有如下3种：破碎坑、断裂破碎区、无损区。

3.技术优点

空气锤钻井技术的优点可以概括为：防斜打快、“一保、二高、三低”，这里重点分析后者。

一保——保护油气层：采用气体作为钻井介质，减少了对地层的损害，保护了油气层，也就是“保护储层”。

二高——机械钻速；在硬质地层中的机械钻速达到32.56m/h，也就是“高钻速”；保径能力：空气锤钻头具有较好的井眼直径保持能力，具备了长井段井径保持能力。目前保径记录已达到单只钻头钻进1899.35m时不缩径，也就是“高保径”。

三低——防斜纠斜：空气锤具有天生“打直”的功能，纠斜性能较好，尤其是在高陡构造中钻进就有绝对优势，也就是“低井斜”；低钻压：空气锤所需要的钻井较低，一般在1-3 T之间，一方面提高了机械钻速，另一方降低了钻具的弯曲折损事故，也就是“低钻压”；转速低：一般转速要求在20-50 r/min之间，转速低一方面降低了钻具的扭矩，另一方面减小了钻杆的磨损，也就是“低转速”。

4.空气锤维护保养

气锤操作人员应明了气锤的结构和性能，作到合理使用，防止事故；注意气锤的工作期限，并作定期的检修，零件如有损坏，应及时拆换，不可让更多的零件破坏；在工作过程中，如发杂音，立即停车检查修理；经常注意油杯存油情况，并注意润滑油是否合乎规格，如燃点渣滓及浓度；经常注意各部分的润滑问题；砧体砧面与锤体导承之距离，及下砧面与地面之距离应切实保持规定的距离，并随时检查其距离是否有新改变，以免将机器打坏；缓冲机构内球形败凡耳是否完整，应作定期检查，以免锤体将工作缸上盖碰损；冬季应将油杯加以包裹，以免冷冻，使润滑受阻；开车前应检查操纵杠杆在操纵上的灵活性；各补气通路应在定期检修中加以疏通，应使气锤能发挥其正常的效力；电动机应经常保持清洁，一年拆开擦洗一次，但擦洗时注意在线圈上不要用煤油或气油，以免绝缘层脱落；不允许锻打冷的或不够热的金属；锤在上方时间，不可超过一分钟，以免锤体发热，浪费能力，影响机器正常运转及寿命长度；锻工应具有丰富经验，方可操纵气锤，特别在作单下打击时，在操作技术上更需熟练；在停止使用时，应切断电源。

5.缺点分析

（1）潮湿出水地层无法钻进：潮湿地层容易形成泥包或泥饼封堵钻头，导致立压增加，出水地层容易导致空气锤内部进入大量水，从而无法正常工作。

（2）不易处理井下复杂：井下遇阻、遇卡、以及钻进时严重蹩跳、井漏、井喷等问题，由于空气锤没有切屑功能，不宜进行划眼倒划眼，处理这些问题还存在一定的困难。一般在复杂地层或是地层易于出现井下复杂问题时换成气体牙轮钻头钻进。

（3）不能进行气举作业：空气锤在悬吊状态下不工作，如果气举液体容易进入空气锤内部而使得空气锤无法正常工作。在钻井过程中，由采用泥浆钻进改成空气锤钻进时，由于空气锤不能直接下入钻井液中气举，得换成牙轮钻头气举。相对费时费钻井成本。

（4）储层钻进安全性差：井底欠压值太大，处于无控制的欠平衡状态，导致储层速敏、出砂，甚至坍塌，尤其是钻遇高压、高产储层，井控安全性较差。因此空气锤钻井技术对井控设备的要求较高。

参考文献

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石油天然气钻井是一项多专业、多工种配合的野外流动作业，除钻井队自身的工作外，还有地质录井、测井、管具、注水泥等单位的配合。钻井队常年工作在野外，工作条件差、技术要求高，加之现场的交通不便，增加了作业的难度。综合上述特点，钻井作业过程中隐藏着多种不安全因素，如不切实注意和防范，很容易发生钻井事故，如井下工程事故、地面设备事故和钻井人身事故等。发生事故后会危害人的生命、设备和井筒的安全，给国家和人民造成巨大的损失。

钻井工人在高空作业石油天然气钻井的对象是地下的岩石，钻头在井底破碎岩石是一项隐蔽的地下工程。在钻井施工中会出现许多复杂情况和不确定因素，如地层中的岩石有软有硬、软硬交错，地下的压力有高有低（高压层和漏失层），地层的岩性变化也很大（有岩盐层、膨胀层、坍塌层和蠕变层等），地层中有时还会出现硫化氢、二氧化碳等气体，这一切都给钻井施工带来很多困难，并可引发多种井下工程事故。钻井过程中最容易发生的井下工程事故主要有：钻头事故（断刮刀片、掉牙轮和掉钻头等）、钻具事故（钻具刺坏、断钻具等）、套管事故（卡套管、断套管等）、井下落物事故（小工具等落入井内）、卡钻事故（钻具在井内不能上下活动或转动）、测井事故（测井电缆遇卡、遇阻或测井仪器落井等）、注水泥事故（固井时水泥浆在钻具内未替出、水泥浆返高不够，或将水泥浆全部替出环形空间等）和井喷失控事故（不能人为控制的钻井井喷）等。对钻井工作者来说，在钻井施工过程中必须时刻保持清醒的头脑，善于捕捉和利用各方面的信息，在复杂多变的钻井施工中及时做出有针对性的决策，把可能发生的事故损失降到最小或完全避免事故的发生。

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