1、2018/12/4,1,空气锤钻井技术研究,2018/12/4,2,空气锤钻井技术定义,空气锤钻井技术：空气锤钻井技术是一种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空气锤：是将输入的持续性的高压气体能量转化为间歇性的脉冲力输出的一种机械。右图是空气锤钻井作业过程动画。关键词：高压气体做功、高频冲击破岩,空气锤钻井过程仿真,2018/12/4,3,空气锤工作原理,空气锤工作原理,2018/12/4,4,空气锤工作原理,下止点,上止点,停止钻进,上腔 低压,下腔 高压,上腔 高压,下腔 低压,上腔 大气压,下腔 大气压,空气锤工作原理,2018/12/4,5,空
2、气锤钻井技术原理,空气锤冲击破碎原理：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。,1.外套筒 2.活塞 3.钻头4.复合球齿 5.钻头底面,2018/12/4,6,空气锤钻井技术优点,应用空气锤钻井技术的优点,“一保护二高三低”,“防斜打快”,2018/12/4,7,空气锤
3、钻井技术优点,应用空气锤钻井技术的优点（防斜打快）“一保护二高三低” 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。“保护储层” 机械钻速：在硬质地层中的机械钻速达到32.56m/h；“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；“高保径” 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。“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。 “低钻压” 转速低：一般转速
4、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。“低转速”,2018/12/4,8,空气锤钻井过程,2018/12/4,9,空气锤钻井过程,井架,点火装置,排屑管线,钻柱,空气锤及随钻装置,井口装置,防喷管线,高压注气管线,空压机组,沉砂池,2018/12/4,10,空气锤钻井对钻压要求,根据波动理论知道，空气锤在冲击钻进时，空气锤钻头单次冲击结束后会反弹回来，为了防止空气锤反弹离开井底岩石，需要在空气锤上施加钻压。此外，施加钻压有助于冲击应力波有效传递到岩石上进行破岩。,2018/12/4,11,空气锤钻井对钻压要求,钻压过大 钻压过大，空气锤钻头齿
5、与岩石接触过于紧密，不便于旋转，增加了钻具的扭矩，增加钻具事故的可能性； 钻头齿与岩石接触过于紧密，使得钻头齿处于高度研磨状态，加重对空气锤钻头齿的磨损，影响空气锤钻头的使用寿命。,钻压较小 较小的钻压会出现空气锤钻头冲击时反弹，浪费了部分冲击能，降低对岩石的破碎效果； 反弹回来的冲击能消耗在空气锤零部件的振动上，加重零部件的振动破坏； 钻压过小时，严重时还会出现花键的冷焊现象，影响空气锤的使用寿命。,施加不合适的钻压的后果,2018/12/4,12,空气锤钻井对钻压要求,根据现场空气锤应用经验，一般钻压根据以下公式加载： F=a*D其中：钻压，kN;a:钻压系数， kN/mm,一般取0.09
6、；D：钻头的尺寸，mm；当然上述公式也不是绝对的，现场作业时只是作为推荐值。一般维持在推荐值左右为好。312mm的空气锤钻头钻进时，加载钻压推荐值应为312*0.09，即为：28KN，即为2.8T。,2018/12/4,13,空气锤钻井对转速要求,空气锤钻井主要以冲击动载来破碎岩石,回转仅是为了改变钻头齿破岩的位置,所以合理的回转速度应保证在最优的牙齿冲击间隔范围内破碎岩石。,1.外套筒 2.活塞 3.钻头4.复合球齿 5.钻头底面,2018/12/4,14,空气锤钻井对转速要求,转速过大 转速过大，空气锤钻头齿线速度增加，尤其是外排齿的线速度增加，空气锤磨损作用加强，影响其使用寿命； 两次冲
7、击的扇形区域增大，依靠回转剪切的扇形区域岩石增多，空气锤钻头的回转扭矩增加，载荷增大。加重对空气锤钻头齿的磨损，影响空气锤钻头的使用寿命。,转速较小 转速过小，空气锤两次冲击之间的扇形区域较小，容易导致空气锤钻头齿重复破碎，影响机械钻速； 空气锤钻头重复破碎容易导致空气锤钻头齿掉入已钻的凹坑内，导致钻头齿的埋齿，严重时导致断齿掉齿。,不合适的转速的后果,2018/12/4,15,空气锤钻井对转速要求,根据现场空气锤应用经验，一般转速根据以下公式加载： R=b*ROP其中：R：转速，r/h;b:转速系数， r/m,一般取96；ROP：钻进机械钻速，m/h；空气锤机械钻速为30 m/h 钻进时，推
8、荐加载转速应为2880r/h，即为：48 r/min。,2018/12/4,16,空气锤钻井对气量要求,立压与气量： 立压的主要作用是克服压缩空气在循环过程中的沿程损失和局部损失。 立压过低，空气锤的冲击频率和冲击能都较低，影响钻速。立压过高，对供风设备的要求将提高。同时在换单杆时注气的时间较长，影响钻井周期。一般立压大概在1.5-3Mpa之间最好。 气量的作用是为空气锤提供活塞运动的能量和井底携屑以及冷却钻头。气量的选取首先应满足所钻井眼所需的气量,其次根据所需气量和井眼大小来选择匹配。注气量一般在80-270m3/min不等。,2018/12/4,17,空气锤钻井缺点,潮湿出水地层无法钻进
9、： 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。 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。 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。 储层钻进安全性差： 井底欠压值太大，处于无控制
10、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。,潮湿出水地层钻进,不易处理井下复杂,不能进行气举作业,井控要求较高,2018/12/4,18,空气锤应用限制因素,2018/12/4,19,空气锤应用限制因素,?,?,?,2018/12/4,20,空气锤应用限制因素,空气锤钻头增添倒划眼功能，是否可以克服空气锤不易处理井下复杂的缺点,改进空气锤的密封结构以及空气锤的结构，以便空气锤可以应用于气举操作中，这样在深层钻井中可以节约一趟钻下钻作业,?,?,2018/12/4,21,KQC系列空气锤概况,KQC系列空气锤由中国石油勘探开发研究院研制，是国内第一种应用于石油钻井的空气锤，研究工作自2003年开始开展。主要用以解决研磨性地层机械钻速慢，高陡构造中钻进井斜不易控制问题。,2018/12/4,22,KQC系列空气锤研究成果,空气锤保径性能研究 对空气锤的磨损机理进行了研究； 加强材质的选择，对钻头齿材料选择复合结构材料； 加强了结构设计，采用具有保径功能的钻头，特别是“三翼面”保径结构，使得钻头的保径效果大大提高，同时提高了钻头的使用寿命。,
