空气锤钻井技术研究

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。
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空气锤钻井对钻压要求
根据现场空气锤应用对优势。“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”
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空气锤钻井过程
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空气锤钻井过程
井架
点火装置
排屑管线
防喷管线
高压注气管线
井口装置
空压机组
沉砂池
钻柱
空气锤及随钻装置
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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。
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1.外套筒 2.活塞 3.钻头 4.复合球齿 5.钻头底面
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空气锤钻井技术优点
应用空气锤钻井技术的优点
防斜 打快
保 护 储层
高机械钻速 高保径能力
低井斜 低钻压 低转速
“防斜打快”
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“一保护二高三低”
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空气锤钻井技术优点
应用空气锤钻井技术的优点（防斜打快）“一保护二高三低”
F=a*D
其中： Ｆ：钻压，kN; a:钻压系数， kN/mm,一般取0.09； 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。
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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。
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1.外套筒 2.活塞 3.钻头 4.复合球齿 5.钻头底面
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空气锤钻井对转速要求
不合适的转速的后果
转速过大
转速较小
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。
空气锤钻井技术研究
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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
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空气锤钻井对钻压要求
施加不合适的钻压的后果
钻压过大
钻压过大，空气锤钻头齿与岩石接 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。
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空气锤钻井缺点
潮潮湿出湿水出地水层无地法层钻钻进：进 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。
不不易处易理处井理下复井杂下：复杂 井下遇阻、遇卡、以及钻进时严重蹩跳、井漏、
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。
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
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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。
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空气锤钻井过程仿真 2
空气锤工作原理
空气锤工作原理
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空气锤工作原理
空气锤工作原理
上腔 低压
上腔 高压
上腔 大气压
下腔 高压
下腔 低压
下腔 大气压
下止点
上止点
停止钻 进
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空气锤钻井技术原理
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
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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，推荐加载转速应为2880r/h，即为： 48 r/min。