空氣錘鉆井技術研究

1、空氣錘鉆井技術研究 10/10/20221空氣錘鉆井技術定義 空氣錘鉆井技術：空氣錘鉆井技術是一種利用高壓氣體介質傳遞能量實現空氣錘對巖石的高頻率沖擊做功而進行破巖的鉆井方式 空氣錘：是將輸入的持續(xù)性的高壓氣體能量轉化為間歇性的脈沖力輸出的一種機械。 右圖是空氣錘鉆井作業(yè)過程動畫。 關鍵詞：高壓氣體做功、高頻沖擊破巖空氣錘鉆井過程仿真10/10/20222空氣錘工作原理空氣錘工作原理10/10/20223空氣錘工作原理下止點上止點停止鉆進上腔低壓下腔高壓上腔高壓下腔低壓上腔大氣壓下腔大氣壓空氣錘工作原理10/10/20224空氣錘鉆井技術原理空氣錘沖擊破碎原理： 工作時活塞在高壓氣體的作用下做

2、高頻往復運動，不斷地沖擊鉆頭尾部。在沖擊力的作用下，帶動位于鉆頭底部的復合球齒沖擊井底巖石并壓碎鑿入一定深度，形成一道凹痕?；钊嘶睾筱@頭回轉一定角度。之后活塞又開始向前運動，再次沖擊鉆頭尾部，又形成一道新的凹痕。兩凹痕之間的扇形巖塊被由釬頭上產生的水平分力剪碎?；钊粩嗟貨_擊鉆頭，并從鉆頭的中心孔連續(xù)釋放高壓空氣，從而將巖屑攜帶出來。1.外套筒 2.活塞 3.鉆頭 4.復合球齒 5.鉆頭底面10/10/20225空氣錘鉆井技術優(yōu)點打快防斜保護儲層高機械鉆速高保徑能力低井斜低鉆壓低轉速應用空氣錘鉆井技術的優(yōu)點“一保護二高三低”“防斜打快”10/10/20226空氣錘鉆井技術優(yōu)點應用空氣錘鉆井技

3、術的優(yōu)點（防斜打快）“一保護二高三低”保護油氣層：采用氣體作為鉆井介質，減少了對地層的損害，保護了油氣層?！氨Ｗo儲層”機械鉆速：在硬質地層中的機械鉆速達到；“高鉆速”保徑能力：空氣錘鉆頭具有較好的井眼直徑保持能力，具備了長井段井徑保持能力。目前保徑記錄已達到單只鉆頭鉆進時不縮徑；“高保徑”防斜糾斜：空氣錘具有天生“打直”的功能，糾斜性能較好，尤其是在高陡構造中鉆進就有絕對優(yōu)勢?！暗途薄钡豌@壓：空氣錘所需要的鉆井較低，一般在1-3 T之間，一方面提高了機械鉆速，另一方降低了鉆具的彎曲折損事故。 “低鉆壓”轉速低：一般轉速要求在20-50 r/min之間，轉速低一方面降低了鉆具的扭矩，另一方面減

4、小了鉆桿的磨損?！暗娃D速”10/10/20227空氣錘鉆井過程10/10/20228空氣錘鉆井過程10/10/20229空氣錘鉆井對鉆壓要求 根據波動理論知道，空氣錘在沖擊鉆進時，空氣錘鉆頭單次沖擊結束后會反彈回來，為了防止空氣錘反彈離開井底巖石，需要在空氣錘上施加鉆壓。此外，施加鉆壓有助于沖擊應力波有效傳遞到巖石上進行破巖。10/10/202210空氣錘鉆井對鉆壓要求 鉆壓過大鉆壓過大，空氣錘鉆頭齒與巖石接觸過于緊密，不便于旋轉，增加了鉆具的扭矩，增加鉆具事故的可能性；鉆頭齒與巖石接觸過于緊密，使得鉆頭齒處于高度研磨狀態(tài)，加重對空氣錘鉆頭齒的磨損，影響空氣錘鉆頭的使用壽命。鉆壓較小較小的鉆壓

5、會出現空氣錘鉆頭沖擊時反彈，浪費了部分沖擊能，降低對巖石的破碎效果；反彈回來的沖擊能消耗在空氣錘零部件的振動上，加重零部件的振動破壞；鉆壓過小時，嚴重時還會出現花鍵的冷焊現象，影響空氣錘的使用壽命。施加不合適的鉆壓的后果10/10/202211空氣錘鉆井對鉆壓要求 根據現場空氣錘應用經驗，一般鉆壓根據以下公式加載：F=a*D 其中： ：鉆壓，kN; a:鉆壓系數， kN/mm,一般取； D：鉆頭的尺寸，mm； 當然上述公式也不是絕對的，現場作業(yè)時只是作為推薦值。一般維持在推薦值左右為好。 312mm的空氣錘鉆頭鉆進時，加載鉆壓推薦值應為，即為：28KN，即為。10/10/202212空氣錘鉆井

6、對轉速要求 空氣錘鉆井主要以沖擊動載來破碎巖石,回轉僅是為了改變鉆頭齒破巖的位置,所以合理的回轉速度應保證在最優(yōu)的牙齒沖擊間隔范圍內破碎巖石。1.外套筒 2.活塞 3.鉆頭 4.復合球齒 5.鉆頭底面10/10/202213空氣錘鉆井對轉速要求 轉速過大轉速過大，空氣錘鉆頭齒線速度增加，尤其是外排齒的線速度增加，空氣錘磨損作用加強，影響其使用壽命；兩次沖擊的扇形區(qū)域增大，依靠回轉剪切的扇形區(qū)域巖石增多，空氣錘鉆頭的回轉扭矩增加，載荷增大。加重對空氣錘鉆頭齒的磨損，影響空氣錘鉆頭的使用壽命。轉速較小轉速過小，空氣錘兩次沖擊之間的扇形區(qū)域較小，容易導致空氣錘鉆頭齒重復破碎，影響機械鉆速；空氣錘鉆頭

7、重復破碎容易導致空氣錘鉆頭齒掉入已鉆的凹坑內，導致鉆頭齒的埋齒，嚴重時導致斷齒掉齒。不合適的轉速的后果10/10/202214空氣錘鉆井對轉速要求根據現場空氣錘應用經驗，一般轉速根據以下公式加載：R=b*ROP 其中： R：轉速，r/h; b:轉速系數， r/m,一般取96； ROP：鉆進機械鉆速，m/h；空氣錘機械鉆速為30 m/h 鉆進時，推薦加載轉速應為2880r/h，即為：48 r/min。10/10/202215空氣錘鉆井對氣量要求 立壓與氣量： 立壓的主要作用是克服壓縮空氣在循環(huán)過程中的沿程損失和局部損失。 立壓過低，空氣錘的沖擊頻率和沖擊能都較低，影響鉆速。立壓過高，對供風設備的

8、要求將提高。同時在換單桿時注氣的時間較長，影響鉆井周期。一般立壓大概在之間最好。 氣量的作用是為空氣錘提供活塞運動的能量和井底攜屑以及冷卻鉆頭。氣量的選取首先應滿足所鉆井眼所需的氣量,其次根據所需氣量和井眼大小來選擇匹配。注氣量一般在80-270m3/min不等。10/10/202216空氣錘鉆井缺點潮濕出水地層無法鉆進： 潮濕地層容易形成泥包或泥餅封堵鉆頭，導致立壓增加，出水地層容易導致空氣錘內部進入大量水，從而無法正常工作。不易處理井下復雜： 井下遇阻、遇卡、以及鉆進時嚴重蹩跳、井漏、井噴等問題，由于空氣錘沒有切屑功能，不宜進行劃眼倒劃眼，處理這些問題還存在一定的困難。一般在復雜地層或是地

9、層易于出現井下復雜問題時換成氣體牙輪鉆頭鉆進。不能進行氣舉作業(yè)：空 氣錘在懸吊狀態(tài)下不工作，如果氣舉液體容易進入空氣錘內部而使得空氣錘無法正常工作。在鉆井過程中，由采用泥漿鉆進改成空氣錘鉆進時，由于空氣錘不能直接下入鉆井液中氣舉，得換成牙輪鉆頭氣舉。相對費時費鉆井成本。儲層鉆進安全性差： 井底欠壓值太大，處于無控制的欠平衡狀態(tài)，導致儲層速敏、出砂，甚至坍塌，尤其是鉆遇高壓、高產儲層，井控安全性較差。因此空氣錘鉆井技術對井控設備的要求較高。10/10/202217空氣錘應用限制因素空氣錘鉆井技術限制因素地層出水或是地層潮濕井壁不穩(wěn)定，出現坍塌，卡鉆埋鉆等井下復雜問題鉆遇儲層，井控不易控制10/10/202218空氣錘應用限制因素泡沫空氣錘鉆井技術反循環(huán)空氣錘鉆井技術霧化空氣錘鉆井技術地層潮濕、地層出水?10/10/202219空氣錘應用限制因素空氣錘鉆頭增添倒劃眼功能，是否可以克服空氣錘不易處理井下復雜的缺點改進空氣錘的密封結構以及空氣錘的結構，以便空氣錘可以應用于氣舉操作中，這樣在深層鉆井中可以節(jié)約一趟鉆下鉆作業(yè)?10/10/202220KQC系列空氣錘概況 KQC系列空氣錘由中國石油勘探開發(fā)研究院研制，是國內第一種應用于石油鉆井的空氣錘，研究工作自2003年開始開展。主要用以解決研磨性地層機械鉆速慢，高陡構造中鉆進井斜不