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1、空气锤钻井技术研究|小型空气锤 摘 要我国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、提升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。为了搞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，期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，因为含有大幅度提升机械钻速、有效保护储层的特点，加上各油气田为了加紧钻探开发的步伐，在中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。所以，有空气锤钻井的破岩机理、影响原因等理论值得深入探讨和研究。1.基础概念空气锤是将连续
2、性输入的高压气体能量转化为间歇性的脉冲力输出的一个机械。而空气锤钻井技术就是利用高压气体介质传输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法。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升破岩效率的一个冲击旋转钻井技术，兼容了空气钻井和冲旋钻井的优点。井底岩石关键是在钻压、冲击力和旋转剪切力的共同作用下产生破碎的，同时含有破岩关键有以下特点：动载和静载联合。接在钻头上的空气锤产生高频冲击经过钻头传输给岩石，牙齿和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，又快速降低到零。冲击点的作用力来不及重新分配，应力便很快靠近
3、或超出岩石的强度极限，产生裂纹并形成扩展，出现体积破碎。因为活塞作周期的往复运动，该冲击作用力是周期性交变载荷，随时间作波形改变。而钻压作为静载荷压持岩石能够降低其强度，同时也能对岩石产生一定的研磨。冲击和旋转联合。空气锤的冲击和钻头的旋转刮削协同作用，联合破岩。钻头旋转的关键目标是为了改变牙齿和岩石的接触位置，扩大岩石破碎体积，冲击才是岩石破碎的最关键原因。和常规钻井液钻井相比，因为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。所以，冲击破碎和旋转剪切破碎联合能够提升破岩效率。机理分析。工作时活塞在高压气体的作用下做高频往复
4、运动，不停地冲击钻头尾部。在冲击力的作用下，带动在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。以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。活塞不停地冲击钻头，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很多几何形状基础相同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、岩石性质等一系列原因。岩石的破碎形态。冲击是造成岩石破碎的关键原因，
5、因此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关键形态。冲击载荷下岩石的破碎形态关键有以下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能够概括为：防斜打快、“一保、二高、三低”，这里关键分析后者。一保保护油气层：采取气体作为钻井介质，降低了对地层的损害，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成/h，也就是“高钻速”；保径能力：空气锤钻头含有很好的井眼直径保持能力，具有了长井段井径保持能力。现在保径统计已达成单只钻头钻进时不缩径，也就是“高保径”。三低防斜纠斜：空气锤含有天生“打直”的功效，纠斜性能很好，尤其是在高陡结构中钻进就有绝
6、对优势，也就是“低井斜”；低钻压：空气锤所需要的钻井较低，通常在1-3 T之间，首先提升了机械钻速，另一方降低了钻具的弯曲折损事故，也就是“低钻压”；转速低：通常转速要求在20-50 r/min之间，转速低首先降低了钻具的扭矩，其次减小了钻杆的磨损，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，预防事故；注意气锤的工作期限，并作定时的检修，零件如有损坏，应立即拆换，不可让更多的零件破坏；在工作过程中，如发杂音，立刻停车检验修理；常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；常常注意各部分的润滑问题；砧体砧面和锤体导承之距离，及下砧面和
7、地面之距离应切实保持要求的距离，并随时检验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，应作定时检验，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；开车前应检验操纵杠杆在操纵上的灵活性；各补气通路应在定时检修中加以疏通，应使气锤能发挥其正常的效力；电动机应常常保持清洁，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；不许可锻打冷的或不够热的金属；锤在上方时间，不可超出一分钟，以免锤体发烧，浪费能力，影响机器正常运转及寿命长度；锻工应含有丰富经验，方可操纵气锤，尤其在作单下打击时，在操作技术上更需熟练；在停止使用时，应切断电源。
8、5.缺点分析潮湿出水地层无法钻进：潮湿地层轻易形成泥包或泥饼封堵钻头，造成立压增加，出水地层轻易造成空气锤内部进入大量水，从而无法正常工作。不易处理井下复杂：井下遇阻、遇卡、和钻进时严重蹩跳、井漏、井喷等问题，因为空气锤没有切屑功效，不宜进行划眼倒划眼，处理这些问题还存在一定的困难。通常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。不能进行气举作业：空气锤在悬吊状态下不工作，假如气举液体轻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，由采取泥浆钻进改成空气锤钻进时，因为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。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，造成储层速敏、出砂，甚至坍塌，尤其是钻遇高压、高产储层，井控安全性较差。所以空气锤钻井技术对井控设备的要求较高。
