空氣錘鉆井技術(shù)研究

【摘 要】國內(nèi)外對空氣鉆井的井壁穩(wěn)定性、最小體積流量、地層出水和井斜的控制、提高鉆速的機(jī)理等方面作了深入的研究，但對空氣錘鉆井技術(shù)理論方面還屬于空白。為了弄清楚帶空氣錘的空氣鉆井破巖機(jī)理，本文做了一定的研究工作，希望能夠為空氣錘現(xiàn)場作業(yè)提供依據(jù)和幫助。

【關(guān)鍵詞】空氣鉆井；空氣錘；破巖機(jī)理

空氣鉆井是以空氣作為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井，由于具有大幅度提高機(jī)械鉆速、有效保護(hù)儲層的特點，加上各油氣田為了加快鉆探開發(fā)的步伐，在我國正得到大力的推廣應(yīng)用，同時空氣錘鉆井在空氣鉆井中的優(yōu)越性日益顯現(xiàn)。因此，有空氣錘鉆井的破巖機(jī)理、影響因素等理論值得進(jìn)一步探討和研究。

1.基本概念

空氣錘是將持續(xù)性輸入的高壓氣體能量轉(zhuǎn)化為間歇性的脈沖力輸出的一種機(jī)械。而空氣錘鉆井技術(shù)就是利用高壓氣體介質(zhì)傳遞能量實現(xiàn)空氣錘對巖石的高頻率沖擊做功而進(jìn)行破巖的鉆井方式。

2.破巖機(jī)理

空氣錘鉆井是在空氣旋轉(zhuǎn)破巖的基礎(chǔ)上，利用空氣錘的高頻沖擊提高破巖效率的一種沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)，兼容了空氣鉆井和沖旋鉆井的優(yōu)點。井底巖石主要是在鉆壓、沖擊力和旋轉(zhuǎn)剪切力的共同作用下產(chǎn)生破碎的，同時具有破巖主要有以下特點：

（1）動載與靜載聯(lián)合。接在鉆頭上的空氣錘產(chǎn)生高頻沖擊通過鉆頭傳遞給巖石，牙齒與巖石的接觸表面在極短時間內(nèi)產(chǎn)生了很大的沖擊作用力。通常在幾十微秒，由零上升到幾十千牛，又迅速降低到零。沖擊點的作用力來不及重新分配，應(yīng)力便很快接近或超過巖石的強(qiáng)度極限，產(chǎn)生裂紋并形成擴(kuò)展，出現(xiàn)體積破碎。由于活塞作周期的往復(fù)運(yùn)動，該沖擊作用力是周期性交變載荷，隨時間作波形變化。而鉆壓作為靜載荷壓持巖石可以降低其強(qiáng)度，同時也能對巖石產(chǎn)生一定的研磨。

（2）沖擊與旋轉(zhuǎn)聯(lián)合?？諝忮N的沖擊以及鉆頭的旋轉(zhuǎn)刮削協(xié)同作用，聯(lián)合破巖。鉆頭旋轉(zhuǎn)的主要目的是為了改變牙齒與巖石的接觸位置，擴(kuò)大巖石破碎體積，沖擊才是巖石破碎的最主要原因。與常規(guī)鉆井液鉆井相比，由于空氣鉆井井底的負(fù)壓差，產(chǎn)生了沿軸向的拉應(yīng)力，利于沖擊破碎。同時沿井底平面方向，剪應(yīng)力也要小得多，故也利于剪切破碎。因此，沖擊破碎與旋轉(zhuǎn)剪切破碎聯(lián)合可以提高破巖效率。

（3）機(jī)理分析。工作時活塞在高壓氣體的作用下做高頻往復(fù)運(yùn)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(fù)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(zhuǎn)一定角度。之后活塞又開始向前運(yùn)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(chǎn)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。

凹痕通常稱為，井底破碎坑。它由若干個同心的破碎圓環(huán)組成，而每個破碎圓環(huán)則是由許多幾何形狀基本相似的單個牙齒形成的破碎坑組成。每個破碎坑的幾何形狀和尺寸，決定于載荷、侵入深度、牙齒的形狀及其分布、加載時間、巖石性質(zhì)等一系列因素。

（4）巖石的破碎形態(tài)。沖擊是造成巖石破碎的主要原因，所以沖擊載荷下巖石的破碎形態(tài)就是空氣錘鉆井中巖石破碎的主要形態(tài)。沖擊載荷下巖石的破碎形態(tài)主要有如下3種：破碎坑、斷裂破碎區(qū)、無損區(qū)。

3.技術(shù)優(yōu)點

空氣錘鉆井技術(shù)的優(yōu)點可以概括為：防斜打快、“一保、二高、三低”，這里重點分析后者。

一?！Ｗo(hù)油氣層：采用氣體作為鉆井介質(zhì)，減少了對地層的損害，保護(hù)了油氣層，也就是“保護(hù)儲層”。

二高——機(jī)械鉆速；在硬質(zhì)地層中的機(jī)械鉆速達(dá)到32.56m/h，也就是“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(dá)到單只鉆頭鉆進(jìn)1899.35m時不縮徑，也就是“高保徑”。

三低——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(gòu)造中鉆進(jìn)就有絕對優(yōu)勢，也就是“低井斜”；低鉆壓：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(jī)械鉆速，另一方降低了鉆具的彎曲折損事故，也就是“低鉆壓”；轉(zhuǎn)速低：一般轉(zhuǎn)速要求在20-50 r/min之間，轉(zhuǎn)速低一方面降低了鉆具的扭矩，另一方面減小了鉆桿的磨損，也就是“低轉(zhuǎn)速”。

4.空氣錘維護(hù)保養(yǎng)

氣錘操作人員應(yīng)明了氣錘的結(jié)構(gòu)和性能，作到合理使用，防止事故；注意氣錘的工作期限，并作定期的檢修，零件如有損壞，應(yīng)及時拆換，不可讓更多的零件破壞；在工作過程中，如發(fā)雜音，立即停車檢查修理；經(jīng)常注意油杯存油情況，并注意潤滑油是否合乎規(guī)格，如燃點渣滓及濃度；經(jīng)常注意各部分的潤滑問題；砧體砧面與錘體導(dǎo)承之距離，及下砧面與地面之距離應(yīng)切實保持規(guī)定的距離，并隨時檢查其距離是否有新改變，以免將機(jī)器打壞；緩沖機(jī)構(gòu)內(nèi)球形敗凡耳是否完整，應(yīng)作定期檢查，以免錘體將工作缸上蓋碰損；冬季應(yīng)將油杯加以包裹，以免冷凍，使?jié)櫥茏?；開車前應(yīng)檢查操縱杠桿在操縱上的靈活性；各補(bǔ)氣通路應(yīng)在定期檢修中加以疏通，應(yīng)使氣錘能發(fā)揮其正常的效力；電動機(jī)應(yīng)經(jīng)常保持清潔，一年拆開擦洗一次，但擦洗時注意在線圈上不要用煤油或氣油，以免絕緣層脫落；不允許鍛打冷的或不夠熱的金屬；錘在上方時間，不可超過一分鐘，以免錘體發(fā)熱，浪費(fèi)能力，影響機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)及壽命長度；鍛工應(yīng)具有豐富經(jīng)驗，方可操縱氣錘，特別在作單下打擊時，在操作技術(shù)上更需熟練；在停止使用時，應(yīng)切斷電源。

5.缺點分析

（1）潮濕出水地層無法鉆進(jìn)：潮濕地層容易形成泥包或泥餅封堵鉆頭，導(dǎo)致立壓增加，出水地層容易導(dǎo)致空氣錘內(nèi)部進(jìn)入大量水，從而無法正常工作。

（2）不易處理井下復(fù)雜：井下遇阻、遇卡、以及鉆進(jìn)時嚴(yán)重蹩跳、井漏、井噴等問題，由于空氣錘沒有切屑功能，不宜進(jìn)行劃眼倒劃眼，處理這些問題還存在一定的困難。一般在復(fù)雜地層或是地層易于出現(xiàn)井下復(fù)雜問題時換成氣體牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

（3）不能進(jìn)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(jìn)入空氣錘內(nèi)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(jìn)改成空氣錘鉆進(jìn)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(fèi)時費(fèi)鉆井成本。

（4）儲層鉆進(jìn)安全性差：井底欠壓值太大，處于無控制的欠平衡狀態(tài)，導(dǎo)致儲層速敏、出砂，甚至坍塌，尤其是鉆遇高壓、高產(chǎn)儲層，井控安全性較差。因此空氣錘鉆井技術(shù)對井控設(shè)備的要求較高。

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