空氣錘鉆井技術(shù)應(yīng)用問題探討

1、空氣錘鉆井技術(shù)應(yīng)用問題探討 胡 貴 孟慶昆 王向東(中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083摘要:本世紀初,空氣錘鉆井技術(shù)在國內(nèi)各大油田得到了廣泛應(yīng)用,在提高機械鉆速、鉆井防斜糾斜、提 高油氣資源的勘探開發(fā)速度方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。 2004年,國產(chǎn) KQC 系列空氣錘開始進入國內(nèi)各大 油氣田,幾年的應(yīng)用中取得了一些佳績,但是在超硬地層、井壁坍塌、潮濕地層、出水地層、漏失地層等 中鉆進還存在一定的問題,空氣錘的 使 用 范圍和 應(yīng)用水 平受 到 影響 。本 文集 中探討了空氣錘鉆 遇這 些地層 時 出現(xiàn)的問題, 并 提出了問題的技術(shù) 難點和解決 方 案 , 以便 進一 步 提高空氣錘鉆井

2、技術(shù)的應(yīng)用 范圍和 應(yīng)用 水 平 。主題詞:空氣錘 空氣錘鉆井技術(shù) 空氣鉆井 KQC系列空氣錘 井壁坍塌 倒劃眼 出水地層 氣體漏失0. 前言空氣錘鉆井技術(shù)是一 種利 用高 壓可壓縮 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 行破巖 的鉆井方 式 ,是在空氣鉆井技術(shù) 基礎(chǔ)上 發(fā) 展起來 的 1-3。國產(chǎn) KQC 系列 空氣錘 研制 工 作 2003年在中國 石 油勘探開發(fā) 研究院 開始 研究 , 歷經(jīng) 6年, 目前 在油氣田鉆 井提速 和 防斜糾斜的應(yīng)用中 已經(jīng) 取得了 明顯效果 1。 在 “龍崗 39井 ” 中, KQC 系列空氣錘 單 只 鉆 頭最 高進 尺達 1

3、899.35 m , 日 進 尺最 高 達 680 m ,鉆 至目標 地層 后仍保持 了 良好 的井 徑 , 保徑效果非常明顯 , 這 大大 刷新 了鉆井 界 的進 尺和保徑記錄 。 盡 管如此 ,空氣錘在油氣田的 應(yīng)用中 也 存在一些提速 不 明顯 甚 至 空氣錘 無法正 常 鉆進的 情況 , 通 常這 些 情況有 以 下 幾 種 :鉆 遇 地層存在超硬 巖石 、 KQC 下 入井 段 存在 部分 縮徑而 需要劃眼 、井壁出現(xiàn)坍塌 時 的鉆進、 鉆 遇 出水地層 無法 鉆進、 漏失地層 或喀斯特溶洞 地層氣 體 漏失 嚴重 等。 本 文 著重 介 紹 了 以上 幾 種 情況 對 空氣錘 正

4、常 鉆進的 影響 , 并 提出 針 對 性的 建議 和解決 方 案 , 對 空氣錘的進一 步研 究 具有 一定的 參考價值 。1. 空氣錘基本結(jié)構(gòu)空氣錘的 基 本 結(jié)構(gòu)如圖 1所示 , 主要由 后 接 頭 、 配 氣 座 、 活塞 、 尾管 和 鉆 頭 組成 。 目前 空氣錘 主要 以 氣 體作 為驅(qū)動 介質(zhì) 進 行 工 作 , 氣 體 通過 后 接 頭 進入 配 氣 座 , 配 氣 座將 氣流 分為 為兩部分 , 一 部分通過 中 心通道直接 進入井 底攜 巖 , 一 部分 進入空氣錘 前 氣 室 , 并 與 后 氣 室 配合共同驅(qū)動活塞 上 下運動 。 運動 中的 活塞直接 沖擊 空氣錘鉆

5、 頭 , 鉆 頭 則將 沖擊能量傳遞 給基金項目:國 家 高技術(shù) 研究 發(fā) 展 計劃 (863計劃 課 題 “ 氣 體 鉆井技術(shù) 與裝備 ” (2006AA06A103 2. 空氣錘鉆井技術(shù)空氣錘鉆 頭 如圖 2所示 , 其 底部 采用內(nèi) 凹錐 面 結(jié)構(gòu) (如圖 2、 圖 3所示 , 底部 鉆 頭 齒采用 柱狀復(fù) 合 球齒 結(jié)構(gòu) 。 采用 這種 結(jié)構(gòu) 的空氣錘鉆 頭對 于 地層的 堅 硬 程 度 敏感 性 較差 , 適 合長 井 段 鉆進,但是 對 于 空氣錘 自身 的 沖擊 性 能 敏感 性 較 大 4 。 圖 2 空氣錘鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖 圖 3 空氣錘鉆頭三維立體圖與 傳 統(tǒng) 的 牙輪 鉆

6、頭和 PDC 鉆 頭 鉆進 相比 , 空氣錘鉆井技術(shù)是 利 用空氣錘的 沖擊作 用 來破碎 巖石 的。 沖擊破巖 是 將 持 續(xù) 的 作 用 力轉(zhuǎn) 化為 脈 沖 力 , 脈 沖 力 在 瞬間 提 供夠 高的應(yīng) 力幅 值 以破 碎所 作 用的 巖石 。 由 于 空氣錘采用 沖擊破巖作 為 破巖 方 式 , 相比于其他 鉆進方 式 , 明顯 具有 提高在中等 偏 硬 以上 地層中的機械鉆速 以 及 在高 陡 構(gòu) 造 中的防斜糾斜等 特 點 1-3, 5-8, 除 此之 外 ,空氣錘鉆井技術(shù) 作 為 一 種 嶄 新 的鉆進方 式 ,在鉆井工藝方面 具有 以 下 幾 個 特 點 :(1 空氣錘 對 于

7、 鉆 壓 要 求較低 鉆 壓 的 加載 是 為 了防 止 空氣錘鉆 頭 在 沖擊巖石時 被反彈回 來 , 確 保 空氣錘鉆 頭 較 好 地 與 巖石 接觸 , 從 而保 證 沖擊能傳遞 給 巖石 。 較 大的鉆 壓 會 使 得空氣錘鉆 頭 齒 與 巖石 接觸過 于緊密 , 一方面 增加 了鉆 具 的 扭矩; 另 一方面 使 得鉆 頭 齒處于 高度 研 磨狀態(tài) , 加 重 對 空氣錘鉆 頭 齒 的 磨損 。 較小 的鉆 壓 會出現(xiàn)空氣錘鉆 頭沖擊時 反彈 , 不 僅浪費 了 部分 沖擊能 , 而 且反彈回 來 的 沖擊能 消耗 在空氣錘 零 部 件 的 振 動 上 , 加 重 空氣錘 零 部件

8、的 振 動 破 壞 , 影響 空氣錘的 使 用 壽命 。 根據(jù) 現(xiàn) 場 經(jīng) 驗 , 一 般推薦 鉆 壓 值 可 根據(jù) 以 下 公 式 加載:aDF =其 中 :F:鉆 壓 , kN;a:鉆 壓 系 數(shù) , kN/mm,一 般 取 0.09;D :鉆 頭 的 尺 寸 , mm ;(2 長 井 段劃眼 操 作對 空氣錘 正 常 鉆進 影響 較 大 空氣錘 劃眼 是 指當 空氣錘 下 入 過 程 中 存在 部分 井 段 縮徑時 , 旋轉(zhuǎn) 空氣錘鉆 頭 或 是 啟 動 空氣錘工 作來達 到 擴 孔 的 目 的的 操 作 。 空氣 錘鉆 頭 齒 采用 柱狀復(fù) 合 球齒 , 這種 鉆 頭 齒 沒 有 切屑

9、 性 能 , 一 旦 旋轉(zhuǎn) 鉆 頭 擴 孔 時 , 只能 加 重 鉆 頭 邊 齒 的 研 磨 作 用, 長 井 段 擴 孔 后 會 導(dǎo)致邊 齒磨損 嚴重 (如圖 4所示 。 空氣錘 下 到井 底 后 , 由 于磨損 后 的鉆 頭 齒 的 球狀 面 成 了 平 面, 嚴重 影響沖擊 應(yīng) 力 波 的 破巖效果 , 因 此 機械鉆速 降 低 。 若 是 劃眼過 程啟 動 空氣錘 正 常 工 作 , 由 于 空氣錘 整 個 鉆 頭 底部 和巖石 沒 有 良好 的 接觸 , 沖擊 應(yīng) 力 波 在 傳遞 過 程 中的 反 射 量 增加 , 消耗 在空氣錘 自身 的 振 動 能量 百 分 含 量 增加 ,

10、一 則 加 重 空氣錘 零 部 件振 動 疲勞 破 壞 , 二 則 加 重 鉆 頭 邊 齒 的 斷 齒 或 是 磨損 。 從 而 會 影響 下 鉆 后 正 常 鉆進的機械鉆速。 圖 4 空氣錘鉆頭磨損后外觀圖(3 空氣錘 需要 一定的 轉(zhuǎn) 速 施 加轉(zhuǎn) 速的 目 的是 為 了 轉(zhuǎn) 換 空氣錘鉆 頭 的 沖擊 位置 , 以便 均勻 破 碎 巖石 。 轉(zhuǎn) 速 過 大,鉆 頭 齒 運動 的 線 速度 增 大,鉆 頭 齒 與 地層的 研 磨 作 用 加 強 , 而沖 擊作 用 減弱 , 同 時 也 增加 了 扭矩 。 轉(zhuǎn) 速 過 小 , 導(dǎo)致 鉆 頭 重 復(fù) 破 碎 巖石 、 形 成 較 大的 凹 坑

11、 而 出 現(xiàn) 埋 齒 等現(xiàn) 象 , 發(fā) 揮 不 了空氣錘的 沖擊破巖作 用。 一 般推薦轉(zhuǎn) 速 值 可 根據(jù) 以 下 經(jīng) 驗公 式 施 加: ROPbR *=R :轉(zhuǎn) 速, r/h;b:轉(zhuǎn) 速系 數(shù) , r/m,一 般 取 96;ROP :機械鉆速, m/h。(4 換 單 桿 具有嚴 格 的 操 作 要 求 對 于 空氣錘鉆進,在 接 單 桿 時 具有嚴 格 的 操 作 要 求 。首先 在 保持 鉆 具 的 正 常 旋轉(zhuǎn) 以 及 循環(huán) 狀態(tài) 下 上 提鉆 具 0.5-1 m 后 , 再停 止 鉆 具 旋轉(zhuǎn) , 同 時保 證 鉆 具 循環(huán) 狀態(tài) 2-3min 不 等, 再緩慢停 止 注 氣。 接

12、 好單 桿 后 , 先注 氣, 再循環(huán) 鉆 具 , 終 了 下 放 鉆 頭至 井 底 。停 氣 過 快 將 導(dǎo)致 空氣錘的 立 管 壓 力 突降 , 井 底 含 巖 屑 的水、 氣 倒灌 , 造 成 空氣錘內(nèi) 部運 動部 件 卡死 , 失 去 沖擊能 力 。 若 接 單 桿 時 先停 止 鉆 具 旋轉(zhuǎn) 再 上 提鉆 具或 者先 下 放 鉆 具 到井 底 再 旋轉(zhuǎn) 鉆 具 , 將 會 導(dǎo)致 空氣錘 重 復(fù) 破 碎 , 形 成 凹 坑 ,出現(xiàn) 埋 齒 , 甚 至“ 掰 齒 ” 現(xiàn) 象 。3. 空氣錘鉆井技術(shù)應(yīng)用問題及處理方法空氣錘在應(yīng)用中存在一些問題, 如 超硬地層中鉆進、 鉆進中 遇 井壁坍塌的

13、 處 理 、 地層出 水問題 和 漏失地層中 如 何 鉆進 或喀斯特溶洞 地層的氣 體 漏失等。 遇 到 這 些問題, 空氣錘 或?qū)?停 止 鉆進 或 是 降 低 鉆進 效率 。 為 了進一 步 擴 大空氣錘的 適 用 范圍 , 進一 步 降 低 石 油鉆井 成 本, 下 面 將 對這 些問題 作 初 步 探討。3.1 超硬質(zhì)地層鉆進在 不同 的地層中鉆進應(yīng) 選擇 不同 的鉆 頭 。 空氣錘 由 于 采用 沖擊破巖 鉆進, 適 用 于 大 多 數(shù) 地層。 根據(jù) 空氣錘鉆 頭 的 外 形 結(jié)構(gòu) 來 分 , 主要有 以 下 幾 種 :平 底 型 、 內(nèi) 凹錐 面 型 和 外 凸 錐 面 型 。一

14、般 來 說 這 三 種 鉆 頭 鉆 遇 地層的硬度 有 以 下關(guān) 系 9:平 底 型 鉆 頭可 鉆 遇 地層硬度 小于 內(nèi) 凹錐 面 型 鉆 頭 , 內(nèi) 凹錐 面 型 鉆 頭 又 小于外 凸 錐 面 型 鉆 頭 。 平 底 型 的空氣錘鉆 頭 適 用鉆 遇 全 部 軟 地層 和 中硬地層, 而 內(nèi) 凹錐 面 型 的空氣錘 適 用 于 鉆大 多 數(shù) 的中等 偏 硬 和 硬 質(zhì) 地層, 外 凸 錐 面 型 鉆 頭 適 用 于 超硬地層。 目前 空氣錘的鉆 頭 大 多 數(shù) 采用內(nèi) 凹錐 面 型 , 主要 原因 是 這種 鉆 頭 適 用大 多 數(shù) 中等 偏 硬 或 硬 質(zhì) 地層, 因 而 滿足 了油田

15、 對 空氣錘 長 井 段 鉆進的 要 求 ?；?于 空氣錘鉆 頭 的現(xiàn) 狀 , 目前 的大 多 數(shù) 的空氣錘鉆 頭 不 適 用 于 超硬地層鉆進。 在超硬地 層中 強 行 下 入空氣錘鉆 頭 的 后果 有 :加 重 空氣錘鉆 頭 邊 齒 的 破 壞 和 鉆 頭 齒 的 研 磨 性 磨損; 造 成 空氣錘鉆 頭 鋼 體 的 破 壞; 嚴重 影響 機械鉆速, 達 不 到提速的 效果 。為 了在現(xiàn) 場 施 工中防 止 此 現(xiàn) 象 的發(fā) 生 , 需要 加 強 對巖 性的 認識 , 鉆 遇 超硬地層 時 , 可以 轉(zhuǎn) 換 為 外 凸 錐 面空氣錘鉆 頭 進 行 鉆進。 這種 鉆 頭 凸形 表面 相 對

16、在 較小 巖 層 克 取面 積 下 能 產(chǎn) 生 較 大 沖擊功 , 并 獲 得高的鉆速, 但是 這種 鉆 頭 鉆進的防斜糾斜 能 力 要 略 差 與 平 底 性 和 內(nèi) 凹錐 面性鉆 頭 。3.2 井壁坍塌地層鉆進井壁坍塌是空氣錘鉆井技術(shù)中的一大 瓶頸 。 如 果 是 牙輪 鉆 頭 鉆進, 出現(xiàn)井壁坍塌 可以 大 力矩旋轉(zhuǎn) 鉆 具 , 加 大 注 氣 量 , 上 下 提 動 鉆 具 并 進 行 倒 劃眼 操 作 。 而 空氣錘 沒 有 倒 劃眼 功能 , 一 旦 出現(xiàn)井壁 垮 塌現(xiàn) 象 , 必須依靠 提 動 鉆 具 , 加 大 注 氣 量 , 依靠 氣 體 的 沖刷 性 把 坍塌的井壁巖石 攜

17、 帶 出井 眼 ,但是 這種 操 作可 處 理 的坍塌 事 故 復(fù) 雜 性 遠沒 有 牙輪 鉆 頭 的大。 因 此 , 在現(xiàn) 場 應(yīng)用中, 一 旦 井壁坍塌存在 不 易 處 理 的 跡象 , 為 了 保 證 鉆井 作 業(yè) 安全 , 通 常 的 處 理 意見 是 起 鉆, 換 用 其他 鉆井方 式 鉆進?？諝忏@井 作 為 一 種 欠 平 衡 鉆井技術(shù), 由 于 欠 壓 值過 大, 出現(xiàn)井壁坍塌是 不 可 避免 的, 而 空氣錘鉆井 處 理 井壁坍塌 事 故 的 能 力較低 , 限 制 了空氣錘 更 廣泛的 使 用。 為 了 擴 大空氣錘的 使 用 范圍 , 進一 步 發(fā) 揮 空氣錘鉆井技術(shù)的技術(shù)

18、優(yōu) 點 , 應(yīng) 該設(shè) 計 出 可以 處 理 井壁坍塌 事 故 的空 氣錘鉆井方 式 。中國 石 油勘探開發(fā) 研究院 提出了一 種 具有 倒 劃眼 功能 的空氣錘鉆 頭 結(jié)構(gòu) (如圖 5 , 即 在空氣錘鉆 頭 的 上 部 鑲 上 一定 量 的 切屑 齒 , 空氣錘 正 常 鉆進 時 , 這 些 切屑 齒 不 工 作 , 而 當 井 眼 存在 縮徑時 , 通過 上 提空氣錘, 此 時 空氣錘 由 工 作 狀態(tài)轉(zhuǎn) 換 為 循環(huán) 狀態(tài) , 并 旋轉(zhuǎn) 鉆 具 以對 鉆 頭上 方的 巖石 進 行 切屑 , 從 而達 到 倒 劃眼 操 作 的 目 的。這種 空氣錘鉆 頭 結(jié)構(gòu) 提 供 了一 種解決 了空氣

19、錘 處 理 復(fù) 雜 坍塌 事 故 的方 法 , 目前 此 項 技術(shù) 還在進一 步研究 中。 圖 5 具有倒劃眼結(jié)構(gòu)的空氣錘鉆頭示意圖3.3 潮濕地層和出水地層中鉆進空氣鉆井技術(shù)在潮濕地層 或 出水地層鉆進 時 , 由 于 破 碎 的 粉末 狀 巖石遇 潮 后 極 易 糊粘 在 一 起 ,在鉆 頭上 部 形 成 餅 狀 “ 泥領(lǐng) ” 包裹 鉆 頭 , 封堵 鉆 具 和 井壁 之 間 的 環(huán) 空, 加 大 上 返 氣 體 的 局 部 損 失, 從 而 導(dǎo)致立 管 壓 力增 大,氣 體 注 入 量 減 少 , 嚴重 時可 直接 封堵住 氣 體 通道 , 致 使 空氣鉆井 無法正 常 鉆進。 遇 到

20、這種 情況 ,一 般 起 鉆, 轉(zhuǎn) 換 鉆進工藝, 根據(jù) 出水 量 換 用 霧化 鉆井、 泡 沫 鉆井、 充 氣鉆井 或 泥漿 鉆進等。對 于 空氣錘鉆井工藝, 在潮濕地層 時 , 解決 鉆井 巖 屑 “ 糊 鉆 ” 的 辦 法通 常 是 注 入一定的 水 和 霧化 劑 對 空氣錘進 行 霧化 鉆進。 但是, 增加 注 水 量 , 返 出氣 柱 的 當 量 密 度 增加 , 使 得空空氣錘鉆井技術(shù)應(yīng)用問題探討（鉆采工藝技術(shù)交流會） 氣錘的背壓增加， 對空氣錘的內(nèi)部工作產(chǎn)生一定的影響， 嚴重時會導(dǎo)致空氣錘的沖擊能降低 甚至是空氣錘無沖擊作用 7，8 。此時無沖擊作用的空氣錘鉆頭處于研磨狀態(tài)，因此

21、會加速空 氣錘鉆頭的磨損，機械鉆速明顯降低。 出水地層鉆進時，也會發(fā)生上述問題；同時，在接單跟時，由于井底停止循環(huán)，空氣錘 前氣室與井底相通， 因此井底液體流入空氣錘內(nèi)部工作區(qū)域， 尤其是在后氣室進入了液體后， 空氣錘由于氣缸受污染而出現(xiàn)無法正常工作現(xiàn)象。 目前，解決空氣錘潮濕地層和出水地層的方案有三種：霧化空氣錘鉆井技術(shù)、泡沫空氣 錘鉆井技術(shù)和反循環(huán)空氣錘鉆井技術(shù)。對于前兩者，目前在現(xiàn)場中已經(jīng)做過了實驗，但是鉆 進效果不是很好，表現(xiàn)為以下幾種情況：空氣錘無法長井段鉆進；空氣錘鉆進相比正常鉆進 時機械鉆速大大降低。而反循環(huán)空氣錘鉆井技術(shù)，目前還正處于研究之中 10 。通過對空氣錘 內(nèi)部工作機理

22、的研究， 筆者認為霧化空氣錘鉆井技術(shù)和泡沫空氣錘鉆井技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是解 決如何保證空氣錘背壓增加之后的空氣錘沖擊能不大大減少的技術(shù)。 這項技術(shù)主要解決空氣 錘背壓增加之后， 空氣錘內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)能夠自動適應(yīng)以保證空氣錘的沖擊功的穩(wěn)定輸出，用 以確?？諝忮N以正常的機械鉆速鉆進。 反循環(huán)空氣錘鉆井技術(shù)， 是一種能解決出水地層鉆進問題方法。 反循環(huán)鉆進是指鉆井介 質(zhì)攜帶鉆井巖屑由鉆桿中心孔返出的一種鉆井方式 2,3,10 。此項技術(shù)目前在水文地質(zhì)、建筑 樁孔、 礦場勘探取芯等淺層鉆進中應(yīng)用較多， 而在石油鉆井應(yīng)用中還處于理論研究以及實驗 研究階段 10 。 反循環(huán)空氣錘鉆井技術(shù)由于采用鉆井介質(zhì)從鉆桿中

23、心攜帶巖屑， 具備了以下鉆 井優(yōu)點：返出氣體流速高，攜巖性能好，對空壓機的注氣量要求降低；出水地層攜水性 能較好，容易鉆進；攜巖干凈，避免了重復(fù)破碎，機械鉆速高；防止了氣體對井壁的沖 刷，保護井壁，減少了井斜復(fù)雜；空氣錘反循環(huán)鉆井技術(shù)容易實現(xiàn)取芯作業(yè)。但是由于反 循環(huán)鉆井技術(shù)采用了與傳統(tǒng)正循環(huán)截然不同的鉆井工藝， 對傳統(tǒng)的鉆井工具重復(fù)利用的可能 性較小，需要重新設(shè)計井口裝置、防噴器組、單閘板雙閘板、氣水龍頭等，尤其是需要大量 地更換傳統(tǒng)鉆桿為雙壁鉆桿， 投入成本較大， 因而在石油鉆井這種深層鉆井中應(yīng)用受到了制 約和限制。 3.4 漏失地層及喀斯特溶洞地層鉆進 在漏失性地層鉆進時， 由于存在漏失性裂縫或是喀斯特溶洞， 注入的氣體可能從這些地 方滲入，從而減