应用于油田气体钻井中的空气锤 研制及现场应用 孟庆昆 王向东 于兴胜 （中国石油勘探开发研究院 勘探与生产工程监督中心） 摘要 空气锤钻进技术属气体钻井技术的一个分支，它是将压缩空气既作为洗井介质，又作为 破碎岩石的能量在油田气体钻井中应用空气锤钻进技术能显著提高机械钻速，并且随着钻 井深度的增加对钻速影响很小；空气锤钻进要求的扭矩和钻压较低，可以减少井内钻杆的磨 损和折损事故的发生；另外，井底清洗及冷却条件好，延长了钻头的使用寿命，因此，在许 多方面优于目前油田使用的常规气体钻进技术针对四川、塔里木、长庆等油（气）田对空气锤钻进技术应用的迫切需求，2004 年中 国石油勘探开发研究院研究人员应用计算机技术，通过反复计算，确定了空气锤的相关结构 参数，研制出KQC275、KQC180和KQC135三种型号空气锤及配套钻头，以适合不同井段的需 要研制成功的具备大气量、高承压能力的空气锤是具有独立知识产权、应用于油田气体钻 井中的专用钻井工具引言上世纪五十年代末，在一些发达国家中广泛应用的空气锤钻进技术，经过不断地改进和 完善，已经不仅应用于水文、地质勘探及地面工程等浅层钻井中此时，美国在 3000—3500 米的深井中，成功地进行了空气锤钻进技术的应用。
空气锤钻进技术在我国地质勘探工程的 正式应用开始于1978年但由于受到油田气体钻井生产条件和技术条件的限制，直至本世 纪初空气锤钻进技术在油田气体钻井中的应用仍是空白近年来，随着石油钻采技术的发展，设计与制造水平的提高，为应用于油田气体钻井中 的空气锤研制提供了技术保障；而国内油田气体钻井对新工艺、新设备的实际需求，为空气 锤技术提供了广阔的应用市场应用于油田气体钻井的空气锤的结构与工作原理1、 空气锤的结构由中国石油勘探开发研究院研制并应用于油田气体钻井中的空气锤采用了无阀式中心 排气结构中心排气结构可以保证有足够的气量直达井底，起到冷却钻头、清洗井底的作用； 无阀式结构的配气气路简单，减少了气体压力的损失，有效地提高了冲击效果2、 空气锤的工作原理图 1 为无阀式中心排气空气锤的结构示意图其工作原理为压缩空气经后接头1、逆止 阀2进入配气座3的腔体中，然后压缩气体分两路前进，一路通过逆止阀上的径向和轴向孔， 进入配气座、活塞和钻头的中心通孔，在井底冷却钻头和喷吹岩屑另一路经配气座上端的 径向孔，进入外套管5与气缸4之间的环形空间，此时，压缩空气进入上腔A的通道受阻， 只能经气缸下端的排气槽口、活塞与外套管之间的环形空间，进入空气锤下腔B,压缩空气 推动活塞6上行。
当活塞下端中心通孔与钻头9上端的尾管7脱开时，空气锤下腔内的压缩 空气经尾管、钻头的中心通孔排向井底，此时，压缩空气进入下腔的通道受阻，只能经气缸 与活塞之间的环形缝隙，进入空气锤上腔，由于处于上腔内的配气座的尾杆已插入活塞上端 中心通孔，将上腔封闭，腔内压力迅速上升当活塞行至上死点时，在压缩空气的作用下高 速下行，冲击钻头上端在活塞冲击钻头之前，配气座的尾杆与活塞上端中心通孔脱离，上 腔内的压缩空气经活塞及钻头的中心通孔泄向井底在活塞冲击钻头时，压缩空气进入下腔 的通道畅通，而进入上腔的通道受阻压缩空气重新进入下腔，推动活塞上行，上述过程周而复始，实现对钻头以一定频率的连续冲击在必要时，将空气锤提离井底，钻头向下伸出 而悬挂于保持环8 上，活塞跟随钻头下移而停止冲击此时，气缸上的排气孔与外套管和气 缸之间的环形空间、空气锤上腔连通，压缩空气全部直送井底，强力清除井底岩屑图 1 无阀式中心排气空气锤的结构示意图 空气锤的性能参数与钻进参数 反映空气锤性能的参数有单次冲击功、冲击频率由于空气锤内部压力变化复杂，加之 其他因素的影响，很难用理论公式精确地计算它们的数值工程上通常采用简化计算的方法， 在推导计算公式时做一些假定。
例如：把空气锤上、下腔的气体压力视为定值，忽略运动部 件的摩擦力，不考虑活塞重力对其运动的影响等，而在最后引入某些系数进行一定的修正空气锤钻进效率的高低，不仅取决于所用的空气压缩机、空气锤及钻头的性能和质量， 而且还需要做到合理操作，选用正确的钻进技术参数钻进技术参数主要有转速、钻压、供 风量和风压1、单次冲击功 空气锤的冲击功指的是单次冲击功，在某种程度上表明了空气锤工作的能力图 2为空 气锤冲击功计算示意图1,D工作行程时，作用在活塞左端面的力为兀P = Fp = (D2 一d2)p1 1 0 4 10 (kgf)式中：P0为风压(kgf/cimO；片为工作行程时活塞有效受压 面积(cm2)； ；D为活塞直径(cm)；⑴为活塞与配气座下端密封处 直径(cm)在工作行程接近终了时，活塞所具有的能量，即冲击功为兀A = K PS = (D2 — d2)K p SA 1 4 1 A 0 (kgf •m)图2冲击功计算示意图(1) 式中：S为活塞的设计行程(m)； KA为冲击功修正系数，KAA A值在0.45~0.55之间由(1)式看出，在风压一定的情况下，冲击功与活塞的有效面积、活塞行程成正比。
因此在选定尺寸参数时，除参考国内外已有的设计经验外，可根据实际需要，选择合理数值 在活塞有效面积和工作行程确定的情况下，提高风压是增大冲击功的有效手段和趋势KQC275KQC180KQC1351280焦耳550焦耳200焦耳2、冲击频率冲击频率是指活塞每分钟对钻头的冲击次数在计算冲击频率时，除前面设定的参数外 还需设定活塞在风压作用下，初速为零，然后以等加速度运动工作行程时，在力匚作用下，活塞的加速度为m/s2)式中：m为活塞的质量(kgf・s2/m, lKgf・s2/m=9.81Kg)活塞工作行程时间：t1 "S /a =、【2Sm/pi(s)；活塞返回行程时间：用工作行程时间乘以系数来表示，即：二Ki〔(s)；行程前活塞处于静态的时间：：广K21 (s)因此，活 塞整个工作循环时间为s)T = t +1 +1 = (1 + K + K )t = (1 + K + K \：2Sm / P1 2 3 1 2 1 1 2 1活塞每分钟的冲击次数，即冲击频率为f — 60 — 60 : P — K k(D2 -d2)p(次/min)八 厂 1 + K + K 2S^~ f 8Sm‘__"12(2) 一般Kf值在19〜25之间变化。
无阀空气锤的Kf值较高，可取Kf=25由(2)式可以看出，在风压一定的情况下，冲击频率大致与活塞直径成正比，与活塞 行程的平方根成反比在空气锤外形尺寸确定后，较高的风压使空气锤产生较高的冲击频率KQC275KQC180KQC1351500 次/min1500 次/min1500 次/min3、转速空气锤的转速对钻进速度和延长钻头寿命起着重要的作用空气锤钻进时，回转的目的 仅是为了改变钻头上的球齿破岩的位置如果回转速度过慢，不仅会产生重复破碎，影响钻 进效率的提高，而且钻头上的球齿也会打入先前冲击过的坑穴中，造成回转困难和钻头的损 坏；如果回转速度过快，不仅会使冲击碎岩的作用减弱，而且会造成钻头的强烈磨损，使冲 击碎岩转化为切削碎岩，钻进效率大大降低因此，应选择最佳的钻头回转速度，以获得有 效的钻速、平稳的操作和经济的钻头寿命根据空气锤钻进的地层不同，可选择如下转速作为计算或实际操作的参考软岩层：30~50r/min；中硬岩层：20~40r/min；硬岩层：10~30r/min4、 钻压空气锤钻进效率的高低主要取决于冲击功的大小和冲击频率的多少钻压的作用是为了 克服空气锤在促使活塞下行时在气缸内所产生的向上推举力，以保证冲击功有效地传递给钻 头，进行碎岩。
所以，钻压的大小由空气锤在气缸内所产生的压力大小决定钻压太大会引 起钻头的过早磨损，甚至球齿脱落，造成空气锤回转困难；太小会影响冲击功的有效传递 钻压的大小可参考如下数据：钻头外径每增加1英寸，钻压增大0.25〜0.4吨5、 供风量空气锤钻进时，送入的压缩空气有两个作用，一是提供空气锤活塞运动的能量，二是携 带岩屑和冷却钻头因此，供风量是空气锤性能决定的耗风量与保证钻杆环空上返风速的耗 风量总和岩屑在空气流介质中，因本身的粒度、密度和形状的不同而具有不同的自由悬浮速度 因此，钻井环形空间内的上返风速必须大于岩屑的悬浮速度兀Q > 60 K (D 2 — d 2)V4 (m3/min)(3)式中：Q为保持上返风速所需耗风量(m3/min)； V为气流的上返风速，一般取l5—25m/s；D为井眼直径(mm)； d为钻杆外径(mm)； K为孔深修正系数，一般孔深在100~200m时，K =1.05〜1.1；孔深在 500m 时，K=1.25〜1.3；孔深 1000 米时，K =1.5〜1.556、风压在钻进中密切观察风压变化，就能够掌握空气锤钻进情况与工作状态空气锤钻进时的风压变化规律如图3所示。
图中0 — t］为开始供气，风压上升至一定值 P］后稳定下来—一t2为吹孔状态，风压稳定在P］上t2 —t3为空气锤降至井底，风压 迅速上升到P ，空气锤进入正常工作状态t —t '为空气2锤正常工作状态的风压，这时井 2 3 4底排屑畅通，风压稳定在P上t —t将空气锤钻头提离井底，空气锤又进入吹孔状态，2 4 5扑岸起矣一彖L Fit "”风压降至卩］图3空气锤正常钻进时风压变化规律图当送风量较小、井底排屑不完全时，随着钻屑的积累，风压会逐渐升高, 如图4所示这时应将钻具上提，使空气锤由冲击工作状态突然转变为强吹 井底状态，依靠送气管路中所蓄储压力能量的突然释放，产生短时间高速气 流，将积存的钻屑喷出待气压下降后再放下钻具，继续钻进图4空气锤钻进时井内积存岩屑引起的气压变化图应用于油田气体钻井的空气锤研制与台架试验目前国内生产的气动潜孔锤承压能力低、耗气量小，主要应用于水文、地质勘探及地面 工程等浅层钻井中，无法满足油田气体钻井对空气锤大耗气量、高承压能力的要求为实现 空气锤在油田气体钻井中的应用，中国石油集团公司、国家科技部于2003年7月正式立项， 由中国石油勘探开发研究院负责组织研发及现场试验。
空气锤设计与制造的主要难点是(1)配气结构设计难度大；(2)关键零件(如活塞、 缸体)加工精度要求高；(3)加工工艺复杂在深入研究国内外气动潜孔锤技术文献的基础上，研究人员通过技术攻关，应用计算机 技术，结合空气动力学理论反复计算，确定了应用于油田气体钻井的空气锤在高承压能力 大耗气量工况条件下的结构参数与性能参数2004年研制出用于油田气体钻井的适合于不 同井段需要的空气锤它们的主要技术参数及联接形式见表1所示KQC系列的空气锤与外 形尺寸相近的国外同类产品相比，在技术性能上有很大提高，图5、图6和图7为风压与风 耗、油耗的关系曲线比对图表1 应用于油田气体钻井的三种型号空气锤技术性能表产品型号KQC275KQC180KQC135配用钻头（英寸）12 1/48 1/2、9 1/26空气锤外径（mm）275180135风压(MPa)333供风量(m3/min)90 〜12075〜9048 〜52转速(prm)30 〜8030 〜8030 〜80钻压（吨）3〜52〜32〜3重量（不含钻 头）（Kg）618277106联接方式7^8 REG (外)API 4匕（外）API 3^2 (外)使用寿命不小于50小时图5 KQC275空气锤的最大耗气量为120 ms/min, 比国外同类产品的最大耗气量提高2.2倍。
图7 KQC135型空气锤最大耗气量为50m3/min, 比国外同类产品的最大耗气量提高2.5倍」无；.if15J{h、> ii峯ri/ r1/ i 1ii I(/ri'1"4-1/ r/J/■1/\3灼%圧 ■>. •暑 圧图6 KQC180空气锤的最大耗气量为90米3/分, 比国外同类产品的最大耗气量提高3倍试验表明，研制出的空气锤的最大耗气量是国内外同类产 品的2〜3倍，有效地保证了油田气体钻井空气锤钻进的需求由于空气锤钻进技术应用于油田气体钻井中，在国内还属 首次，因此，进行台架试验，观察空气锤的工作状态，就显得 十分重要和必要2004年3月研究人员在河北涿县组织进行了 KQC275型空气锤的台架试验试验获得的钻井数据：钻压0.6-0.7吨、风压3MPa、供风量100m3/min、 转速 50 转/分试验结论：（1）KQC275空气锤结构设计合理，动作灵活、可靠；（2）试验数据符合空气锤现场应用的要求 图8空气锤台架试验空气锤钻进技术在油田气体钻井中的应用1、“七北101井”应用KQC275空气锤钻进的情况（一） 七北101 井基本情况（1） 设计情况：七北101 井是一口评价七里北含气构造飞仙关组气藏的评价井，设计 井深为4900米，目的层：飞仙关组。
660.4mm钻头钻至30米，下508mm套管；444.5mm钻头 钻至500米，下339.7mm套管上部疏松垮塌层；311.2mm钻 头钻至井深2730米（须家河顶部）封隔易垮塌的自流井组， 215.9钻头钻至井底4900米，下177.8套管完井2） 提速目标（采用常规钻井、泡沫钻井、空气钻井等 方法）：•钻井周期：188天；•平均机械钻速＞3米/小时；•平均月速782米/月3） 主要难点：侏罗系地层因井眼尺寸大、地层厚，泥 质含量高，岩石塑性大，可钻性差，机械钻速难以大幅度提高邻井“七里北1井”在444.5mm、311.2mm井眼段钻井中，因跳钻严重北】钻具承验现场矩 大，钻具疲劳，导致钻具事故频繁本井如钻遇产水或浅层气，则无法使用新型钻井技术二） 钻进数据使用井段675.52〜2056.35mm,进尺1380.83m,纯钻时间81小时16分，平均机械钻速 16.99米/小时，耗气量为100〜120米3/分，钻压3〜5吨，转速50〜80rpm，立管压力5.5〜 6.5MPa，钻进岩层以泥岩夹粉砂岩为主三）“七北101井”与邻井“七里北1井”同井段进度的比较井段（m）七北101井七北里1井节约时间（天）累计节约 时间（天）循环介质用时（天）循环介质用时（天）0 〜30.00无固相钻井液3300〜320.23空气泡沫51499〜472.00无固相钻井液5泥浆2-36〜675.5纯空气常规钻54-15〜2056.35纯空气空气锤 钻5777277表中数据说明： “七北101井”气体钻井中应用空气锤钻进技术与邻井“七里北1井”应用泥浆钻井相比，节约时间72天，节省了大量的人力和物力。
2、“龙岗1井” KQC275空气锤钻进与牙轮钻进的情况在“龙岗1井”气体钻进中应用的KQC275空气锤做了如下改进：（1） 增加了钻头的保径措施，钻头磨损量大大降低，单只钻头进尺明显增加（2） 改进了空气锤的压气室结构，提高了空气锤的能量，机械钻速加快龙岗1井施工井队：川钻21队（1）空气锤钻进层位：遂宁组，沙溪庙岩性：泥岩，夹沙岩井段：807.77—2520.59 米进尺：1712.82米纯钻时间：58.86小时平均机械钻速：29.09米/小时钻进参数：钻压：30—50KN立压：2MPa转速：50rpm排量：130米3/分 ⑴起钻后，钻头磨小10mm807.77mI I（3）牙轮钻头钻进井段：2520.59—3094.37 米进尺：573.78米纯钻时间：24. 1小时平均机械钻速：23.81米/小时 钻压：150—180KN立压：2MPa转速：70—90rpm （3）排量：130米3/分起钻后，牙轮钻头磨小10mm（2）下牙轮钻头划眼扩眼井段：2441.8—2520.59 米 扩眼长度：78.79米 时间：8:00—10:30 钻压：30KN 立压：1.6MPa 转速：50rpm 排量：130米3/分2441.80m -卜2520.59m 「 （2）3094.37m图12 “龙岗1井”空气锤钻进与牙轮钻进数据3、试验三：“东升1井” KQC275空气锤现场试验情况（空气锤纠斜举例）地点：东升1井，川钻24队；层位：沙溪庙；岩性：泥岩、砂岩纠斜井段：3064.52—3276.18 (m),进尺211.66 (m)；纯钻时间：27.58小时 钻进参数：钻压：0—1吨；立压：1.4—2(MPa)；转速：50—60转/分 钻进目的：用空气锤钻进进行纠斜工作纠斜结果：最大井斜角14.01度，纠斜后井斜角7.21度序号井深(米)井斜角(度)方位角(度)序号井深(米)井斜角(度)方位角(度)1306413.530.596317510.378.972307514.011.86732009.5310.43310013.003.18832258.0210.164312511.646.23932507.2614.935315011.66.081032757.2117.414、在气体钻井中应用空气锤钻进时应注意的几个问题(1) 加接钻杆后，空气锤距孔底应有0.5—1.0米的安全距离。
方钻杆应比一般钻杆长 l 米以上，以保证方入钻杆后，空气锤距孔底有一定安全距离2) 加接钻杆后，接上方钻杆应先送压气，慢慢给气，在不少于半分钟时间内将压气 送通，再慢慢下降钻具；同时保证钻头在触及井底引起冲击作用前使转盘旋转，带动空气锤 回转工作，以防止打出“键槽孔”造成卡钻事故下放空气锤时，严禁划眼3) 空气锤不允许在不回转的情况下冲击因故障被迫停止回转时，必须迅速将钻具 提升一段距离或立即刹紧绞车制带，使空气锤尽快由冲击工作状态转为吹孔状态4) 回次终了时，必须强吹井底数分钟，排除井底积存的岩屑提出方钻杆后，再慢 慢停气，至少不少于半分钟时间停气过快，会导致立管压力突然降低，井底含岩屑的水、 气倒灌空气锤中，造成空气锤内部的运动部件卡死，失去冲击能力而无法进行钻进工作5) 空气锤要经常润滑在无润滑油加注装置时，每回次加接钻杆时可从钻杆接头处 加入 0.5 公斤润滑油存在的问题与改进措施1、存在的问题 空气锤钻进技术在油田气体钻井中的初步应用，即表现出其优异的性能，得到了施工井 队的赞许但在应用中也存在着一些问题，如在操作不规范时出现的沙卡现象，造成了空气 锤无法正常工作；又如，空气锤进尺较深时，钻头的边齿磨损严重，造成井眼缩径。
因为钻 头的保径问题关系到空气锤的钻进质量，因此，它是目前要解决的首要问题2、改进措施 针对空气锤钻头的保径问题，研究人员提出的如下的措施：(1) 研制具有保径功能的空气锤新型钻头，即在钻头前端的锥面上镶嵌具切削能力的 “保径齿”新型钻头也已申请了实用新型专利发明2) 研制与空气锤配套的“滚子扶正装置”在空气锤与钻杆(或钻铤)之间加装此装 置，不仅具有保径效果，而且对工作的空气锤起到扶正纠斜的作用结论(1) 应用于油田气体钻井中的空气锤研制及应用已取得阶段性成功，其钻进性能优于 传统的泥浆钻进，具有可观的经济效益和社会效益2) 空气锤具有一定纠斜能力3) 为提高空气锤钻进质量，需要研制与空气锤配套的新型钻头及工具参考文献[1] 《多工艺空气钻探》，耿瑞伦等编著，北京地质出版社，1995[2] 《潜孔锤钻进技术》，杜祥麟等编著，北京地质出版社，1988。