牛洪波 馮光通 趙洪山 于海葉

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

哈山地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地北緣哈德構(gòu)造帶區(qū)塊的西端，近年來先后完鉆了哈深2、哈山3等多口深探井，均見到良好油氣顯示，勘探潛力巨大。哈山101井作為探區(qū)內(nèi)一口重點(diǎn)評(píng)價(jià)井，設(shè)計(jì)井深4500 m，鉆遇地層自上而下依次為白堊系、侏羅系、石炭系及二疊系佳木河組。地質(zhì)預(yù)計(jì)石炭系主要以火成巖為主，巖性為綠灰色玄武巖，灰色火山角礫巖、安山巖，灰色凝灰?guī)r、夾凝灰質(zhì)砂巖。根據(jù)鄰井火成巖室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果［1-3］，火成巖硬度高達(dá)2504.23～2905.45 MPa，可鉆性級(jí)值普遍大于等于8級(jí)，抗壓強(qiáng)度最高333 MPa，塑性系數(shù)為1.10～1.33，表明哈山地區(qū)火成巖巖石致密堅(jiān)硬、可鉆性差、研磨性強(qiáng)，屬于硬脆性巖石。盡管前期采用“空氣/泡沫+牙輪鉆井”技術(shù)取得了一定的提速效果［4-7］，但是仍然存在著牙輪鉆頭破巖效率低、單只鉆頭進(jìn)尺少、井斜增長較快等技術(shù)難題，制約了哈山地區(qū)的油氣勘探開發(fā)進(jìn)程。

空氣錘鉆井是一種利用高壓氣體介質(zhì)傳遞能量實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石高頻率（800～1900次/min）沖擊破巖的鉆井技術(shù)，兼具氣體鉆井和沖擊鉆井的優(yōu)勢，具有“低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高頻率”破巖特點(diǎn)，與常規(guī)鉆井方式相比，能夠在提高硬脆性、高研磨地層機(jī)械鉆速的同時(shí)，起到較好的防斜糾斜效果［8-10］。針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地哈山地區(qū)火成巖地層特點(diǎn)和鉆井難點(diǎn)，通過改進(jìn)空氣錘關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、優(yōu)化空氣錘氣體鉆井參數(shù)，形成了火成巖地層空氣/霧化+空氣錘鉆井技術(shù)。

1 KQC型空氣錘改進(jìn)

KQC型空氣錘是一種無閥式空氣錘，通過利用內(nèi)部活塞的運(yùn)動(dòng)開啟和關(guān)閉不同氣體通道，從而控制壓縮空氣的切換以完成不同配氣過程。與閥式空氣錘相比，具有配氣氣路簡單、氣流阻力小、沖擊能量高的特點(diǎn)，近年來在新疆、四川等地區(qū)應(yīng)用較為廣泛。

1.1 工作原理

KQC型空氣錘主要由上接頭、配氣座、活塞、尾管及鉆頭等部件組成［11-13］。空氣錘鉆井期間，空氣經(jīng)地面空壓機(jī)和增壓機(jī)加壓并經(jīng)上接頭進(jìn)入空氣錘內(nèi)部氣缸后，首先進(jìn)入下腔室推動(dòng)活塞上行，期間將會(huì)導(dǎo)致上腔內(nèi)壓力迅速上升；當(dāng)活塞行至上死點(diǎn)后，接著在高壓氣體推動(dòng)下即開始高速下行并沖擊鉆頭頂端，達(dá)到?jīng)_擊破巖目的；此過程周而復(fù)始，在上、下腔室壓力差作用下，高壓氣體不斷推動(dòng)活塞做高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而可對(duì)鉆頭施加800～1900次/min高頻沖擊力實(shí)現(xiàn)高效破巖。

作為一種特殊的破巖工具，空氣錘的破巖實(shí)質(zhì)是將沖擊鉆進(jìn)的單次破碎巖石作用和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的連續(xù)破碎巖石作用相結(jié)合的一種鉆井方法。空氣錘鉆井期間，空氣錘活塞高頻沖擊動(dòng)載首先使位于鉆頭底部復(fù)合球齒下面的巖石瞬時(shí)達(dá)到屈服極限并形成破碎坑，同時(shí)鉆頭低速回轉(zhuǎn)力矩通過不斷改變球齒與巖石的接觸位置，對(duì)不同破碎坑之間的扇形部分進(jìn)行有效的切削。由于火成巖屬于硬脆性巖石，抗沖擊能力較弱，加上其抗剪強(qiáng)度一般僅為抗壓強(qiáng)度的7%～15%，因此比較適合空氣錘鉆井以沖擊動(dòng)載為主、剪切破碎為輔的提速方式。

1.2 空氣錘結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于火成巖巖性復(fù)雜、巖石堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)，加之實(shí)鉆過程中鉆柱振動(dòng)較為劇烈，鄰井空氣錘鉆井試驗(yàn)期間，經(jīng)常出現(xiàn)鉆頭齒崩齒掉齒、嚴(yán)重磨損等現(xiàn)象，平均使用壽命（純鉆時(shí)間）低于60 h，仍不能很好適應(yīng)火成巖地層的需要。為了顯著提高哈山101井火成巖氣體鉆井應(yīng)用效果，針對(duì)空氣錘關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下改進(jìn)［14-15］。

（1）結(jié)合火成巖巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)特性，進(jìn)一步優(yōu)化了復(fù)合結(jié)構(gòu)鉆頭齒材料，并進(jìn)行了特殊工藝熱處理，使得空氣錘鉆頭的耐磨性、抗沖擊性及使用壽命得到顯著提高；

（2）在空氣錘氣流布局優(yōu)化基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)了空氣錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得相同氣體能量下空氣錘的沖擊功、排砂能力及工作效率得到顯著提升；

（3）采用“三翼面”保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過針對(duì)保徑齒齒形、數(shù)量及分布進(jìn)行優(yōu)化，有效減少了井底鉆柱振動(dòng)對(duì)保徑齒的破壞作用，使得空氣錘鉆頭的保徑能力得到顯著增強(qiáng)；

（4）針對(duì)空氣錘鉆頭在火成巖地層中因工作條件復(fù)雜而容易斷裂落井的問題，進(jìn)一步強(qiáng)化了空氣錘的整體結(jié)構(gòu)可靠性及防掉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效保證了空氣錘鉆井期間的井下安全；

（5）針對(duì)空氣錘鉆頭嚴(yán)重磨損后導(dǎo)致已鉆井眼縮徑的問題，優(yōu)選并采用了外徑?313 mm（設(shè)計(jì)井眼大小?311.2 mm）空氣錘進(jìn)行氣體鉆井，有效減少了后續(xù)鉆頭因下鉆不暢而導(dǎo)致的擴(kuò)劃眼時(shí)間。

2 空氣錘鉆井參數(shù)優(yōu)化

空氣錘鉆進(jìn)效率的高低，不僅取決于空氣錘自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如氣缸直徑、活塞尺寸等）和性能參數(shù)（如沖擊功、沖擊頻率等）設(shè)計(jì)，而且合理的鉆壓、轉(zhuǎn)速、耗風(fēng)量和風(fēng)壓等鉆井參數(shù)均會(huì)對(duì)巖石的破碎效率和空氣錘的應(yīng)用效果產(chǎn)生較大影響［16-18］。

2.1 鉆壓

空氣錘破巖是靜載鉆壓和沖擊動(dòng)載共同作用的結(jié)果，合理的鉆壓既有助于沖擊應(yīng)力波有效傳遞給鉆頭進(jìn)行破巖，同時(shí)可以防止鉆頭過早磨損、球齒脫落、回轉(zhuǎn)困難。由于火成巖屬于硬脆性巖石，當(dāng)沖擊功足以使巖石發(fā)生破壞時(shí)，施加鉆壓的目的則主要是為了保持鉆頭和巖石能夠充分接觸，進(jìn)而保證沖擊能量通過鉆頭最大程度地傳遞給巖石。

根據(jù)空氣錘現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，鉆壓一般根據(jù)下式施加

式中，W為鉆壓，kN；a為鉆壓系數(shù)，一般取0.09 kN/mm；D為鉆頭直徑，mm。

2.2 轉(zhuǎn)速

空氣錘的轉(zhuǎn)速對(duì)提高機(jī)械鉆速和延長鉆頭壽命具有重要的作用。空氣錘鉆進(jìn)期間，優(yōu)選合理的轉(zhuǎn)速主要是為了改變鉆頭齒的破巖位置，保證鉆頭齒每經(jīng)過一次沖擊后均能夠落在新的巖石位置上。如果轉(zhuǎn)速過慢，將會(huì)產(chǎn)生重復(fù)破碎，影響破巖效率的提高；而如果轉(zhuǎn)速過快，則不僅會(huì)減弱沖擊破巖的效果，而且會(huì)造成鉆頭的磨損加重。

考慮空氣錘的鉆頭齒直徑、沖擊頻率等因素影響，最優(yōu)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min；d為空氣錘鉆頭齒直徑，mm；k為巖石破碎坑直徑與鉆頭齒直徑之比；f為沖擊頻率，Hz。

2.3 耗風(fēng)量和風(fēng)壓

空氣錘鉆井期間，送入的壓縮空氣主要是提供空氣錘活塞運(yùn)動(dòng)的能量，同時(shí)起到攜帶巖屑和冷卻鉆頭的作用，因此合理的風(fēng)壓和耗風(fēng)量既要保證空氣錘具有足夠的能量用于破巖，又要保證把巖屑帶離井底，避免重復(fù)破碎。對(duì)于確定的空氣錘，耗風(fēng)量和風(fēng)壓二者之間大致呈線性關(guān)系，并且直接取決于環(huán)空上返風(fēng)速的大小，鉆井期間應(yīng)根據(jù)不同的地層巖性、井筒條件、出水量等情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

空氣流介質(zhì)中，巖屑因自身的粒度、密度和形狀不同而具有不同的自由懸浮速度，為滿足巖屑上返的要求，所需要的最低耗風(fēng)量可以根據(jù)下式計(jì)算

式中，Qmin為空氣錘鉆井的最低耗風(fēng)量，Nm3/min；K1為井深修正系數(shù)；K2為地層出水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù)，與地層出水量有關(guān)；ν為環(huán)空氣流的上返風(fēng)速，一般取l5～25 m/s；d1為鉆桿外徑，mm。

2.4 氣體鉆井參數(shù)優(yōu)化

目前KQC型空氣錘已形成適合直徑152.4～660.4 mm不同井眼的產(chǎn)品系列，以?311.2 mm井眼通常使用的KQC275型空氣錘為例，空氣錘氣體鉆井的主要參數(shù)見表1。

表1 KQC275型空氣錘氣體鉆井參數(shù)Table 1 Drilling parameters of KQC275 air hammer

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)哈山101井地質(zhì)設(shè)計(jì)，石炭系火成巖地層厚度大，井深預(yù)計(jì)為200～2400 m。為提高哈山101井的鉆井速度，二開石炭系井段開展了“空氣/霧化+空氣錘鉆井”現(xiàn)場應(yīng)用?？諝忮N鉆井期間，采用的鉆具組合為：?313 mmKQC275空氣錘+鉆具止回閥+?228.6 mm鉆鋌×3根+?203.2 mm鉆鋌×6根+?177.8 mm鉆鋌×9根+?127 mm加重鉆桿×15根+?127 mm鉆桿；鉆井參數(shù)為：鉆壓20～30 kN，轉(zhuǎn)速 25～30 r/min，立壓 2～2.8 MPa；空氣 /霧化參數(shù)：空壓機(jī)注氣量97.5～130 Nm3/min，霧化泵注液量0.25～0.75 L/s，泡沫基液濃度1%～4%。

現(xiàn)場鉆井期間，通過加強(qiáng)井壁穩(wěn)定預(yù)測、扭矩監(jiān)測，并根據(jù)井深和地層出水情況及時(shí)調(diào)整氣體鉆井參數(shù)，保證了空氣錘鉆井的施工安全，最終哈山101井二開石炭系井段累計(jì)實(shí)施了空氣/霧化+空氣錘鉆井6趟鉆，見表2。鉆遇巖性主要有火山角礫巖、凝灰?guī)r、安山巖、玄武巖等，鉆進(jìn)井段分別為266.53～2046 m 和 2068.78～2496.47 m，累計(jì)進(jìn)尺2207.16 m，平均機(jī)械鉆速5.36 m/h，平均單趟鉆進(jìn)尺達(dá)367.86 m，取得了顯著的應(yīng)用效果。

表2 哈山101井空氣錘鉆井施工統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of air hammer drilling in Well Hashan 101

圖1針對(duì)哈山區(qū)塊哈深2、哈深201及哈山101等3口井同開次空氣錘鉆井期間的施工情況進(jìn)行了對(duì)比。從圖中可以看出，通過不斷改進(jìn)空氣錘關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、優(yōu)化空氣錘氣體鉆井參數(shù)，哈山101井KQC275型空氣錘的平均使用壽命（純鉆時(shí)間）為68.66 h，且第3只空氣錘最高達(dá)到89.38 h，表明改進(jìn)后的空氣錘基本滿足了火成巖地層鉆井的需要；此外氣體鉆井期間，單只空氣錘平均進(jìn)尺達(dá)到367.86 m，分別較哈深2、哈深201井提高了75.17%和56%，尤其是第1只空氣錘進(jìn)尺高達(dá)560.4 m，有效減少了起下鉆次數(shù)、縮短了鉆井周期。

圖1 哈山區(qū)塊3口井空氣錘鉆井情況對(duì)比Fig. 1 Comparison of air hammer drilling between three wells in Hashan Block

圖2給出了哈山101井二開石炭系井段空氣錘鉆井期間的電測井斜變化情況。盡管山前帶或大傾角地層鉆進(jìn)期間，增大鉆壓將導(dǎo)致井斜存在明顯增大，但從圖中可以看出，由于空氣錘鉆井施加的鉆壓相對(duì)較小，同時(shí)鉆井期間通過加密測斜、加強(qiáng)井斜監(jiān)測，以及根據(jù)測斜結(jié)果及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，哈山101井二開井段井斜始終控制在1°以內(nèi)，井底水平位移僅2.35 m，滿足了井眼質(zhì)量設(shè)計(jì)要求，表明空氣錘鉆井能夠?qū)崿F(xiàn)提高火成巖地層機(jī)械鉆速的同時(shí)，起到良好的防斜糾斜效果。

圖2 哈山101井空氣錘鉆井井斜變化Fig. 2 Variation of well deviation during air hammer drilling in Well Hashan 101

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）火成巖屬于硬脆性巖石，抗沖擊能力弱且抗剪強(qiáng)度較低，采用以沖擊動(dòng)載為主、剪切破碎為輔的空氣錘鉆井技術(shù)，與常規(guī)鉆井方式相比，具有明顯的防斜打快技術(shù)優(yōu)勢。

（2）通過優(yōu)化空氣錘復(fù)合結(jié)構(gòu)鉆頭齒材料、空氣錘氣流布局及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)加強(qiáng)“三翼面”保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高了空氣錘鉆頭的耐磨性、抗沖擊性及使用壽命等整體性能。

（3）建立了空氣錘鉆井的鉆壓、轉(zhuǎn)速、耗風(fēng)量及風(fēng)壓等關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法，顯著提高了空氣錘氣體鉆井破巖效率和機(jī)械鉆速的同時(shí)，保證了空氣錘鉆井期間的井下安全。

（4）建議開展適用于空氣錘氣體鉆井專用扶正器的研制及應(yīng)用，通過顯著增強(qiáng)鉆井期間作用于空氣錘鉆頭上的側(cè)向力大小，更好發(fā)揮山前帶或大傾角地層空氣錘防斜打快的作用。

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