元坝地区空气钻井钻头优选新研究

摘要：元坝地区空气钻井技术发展较快，但仍然存在部分地区提速效果差、井眼轨迹控制难、钻进中复杂情况频繁的问题，这几个问题本身又相互制约相互影响，使问题的解决更加困难。本文优选了适合元坝地区空气钻井的钻头-钻具组合，同时还优化了钻具下井顺序，达到了既能提高机械转速又能控制井身轨迹的效果，针对该地区钻井过程易出现的一些复杂情况,也相应提出了一系列的处理方法和技术措施。

关键词：空气钻、空气锤、机械钻速、井身轨迹、元坝地区

中图分类号：TE2文献标识码： A 文章编号：

前言

元坝地区空气钻技术得以广泛的应用，主要是在上部地层提高钻井速度，节约钻井周期，目前绝大多数的井在上沙溪庙底部以上的地层均采用空气钻井技术，实践证明较泥浆钻进技术提速效果明显，但在个别区块地层倾角较大，空气钻期间为确保井身轨迹不得不牺牲机械钻速，在空气钻井过程中，钻压是对机械钻速和井身质量控制是较为敏感的参数，普通牙轮钻头钻压大机械钻速高但难于控制井身质量。空气锤钻井是一种低钻压、低转速、高冲击破岩回转钻进技术, 空气锤钻井技术解决了不能在打快的前提下控制井斜的难题,是目前最可行最有效的技术。本文优选了适合元坝地区空气钻井的钻头-钻具组合，同时还优化了钻具下井顺序，达到了既能提高机械转速又能控制井身轨迹的效果，针对该地区钻井过程易出现的一些复杂情况,也相应提出了一系列的处理方法和技术措施[1] [2] [3]。

一、空气锤的结构及工作原理

空气锤破岩分为旋转破岩、冲击破岩、冲旋破岩和旋冲破岩。带空气锤的空气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高破岩效率的一种冲击旋转钻井技术，兼容了空气钻井和冲旋钻井的优点。井底岩石主要是在钻压、冲击力和旋转剪切力的共同作用下产生破碎的，它兼容了气体钻井和冲击回转钻井的优势,其机械钻速一般比回转钻井高,是当今解决硬岩钻井难题的一种有效方法[4]。

KQC系列空气锤采用无阀式中心排气结构，可以保证有足够的气量直达井底，起到冷却钻头和深井携屑的作用。无阀式结构的配气气路简单，减少了气体压力的损失，有效地提高了冲击效果，加快了钻进速度。其原理是钻机通过钻杆对井底空气锤施加钻压和转矩，空压机产生的高压气体驱动空气锤内的活塞，高速往复运动（800～1900次/分钟），敲击钻头顶端，并将活塞的冲击功传导到钻头端面，破碎岩层。同时，钻杆旋转，使钻头端面敲击孔底不同位置，分别破碎。由此可以看出，空气锤主要是冲击破碎，而非牙轮钻头的碾压破碎。这种破岩方式要求的钻压和转矩较低,有效地降低了井斜,减少井下事故的发生。

二、空气锤钻井技术参数的确定

1、钻压的确定

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。但是空气锤对钻压要求很高，如果施加钻压过大，空气锤钻头齿与岩石接触过于紧密，一方面不便于旋转，增加了钻具扭矩，增加了钻具事故的可能性；另一方面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，影响空气锤钻头使用寿命。如果施加钻压较小，就会出现空气锤钻头冲击时反弹，一方面浪费了部分冲击能，降低对岩石的破碎效果；另一方面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。如果钻压过小，严重时还会出现花键的冷焊现象，影响空气锤的使用寿命[5] [6] 。

因此，根据现场空气锤应用经验，一般钻压根据以下经验公式：

(1)

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；

当然上述公式不是绝对的，现场作业时只是作为推荐值。一般钻压维持在推荐值左右为好。311.2mm的空气锤钻头钻进时，加载钻压推荐值应为28KN。

2、 转速的计算

空气锤钻井主要以冲击动载来破碎岩石，旋转仅是为了改变钻头齿破岩的位置，所以合理的旋转速度应保证在最优的钻头牙齿冲击间隔范围内破碎岩石。

根据现场空气锤应用经验，一般转速根据以下经验公式：

(2 )

其中：

R：转速，r/h；

b：转速系数，r/m，一般取96；

：钻进机械钻速，m/h；

空气钻机械钻速为25m/h钻进时，推荐加载转速应为2400r/h，即为40r/min。

3、 最小气体排量的确定

注入气体的作用是为空气锤提供活塞运动的能量和井底携砂以及冷却钻头。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。若供气量不足，立压过低，将会导致空气锤的冲击频率和冲击能都较低，影响钻速。若供气过多，立压过高，对空压机的要求将提高，同时在接单根时注气时间较长，影响钻井周期。

根据空气钻井的经验,有效携岩所需要的最小环空速度在标准状态下为15.24 m/s,可利用动能计算公式求出空气有效携岩所需的最小动能。只要保证井眼任意位置的空气所具有的动能大于最小动能,就能确保空气钻井的正常进行[7]。钻铤顶部是空气能量最小的部位,也是岩屑易于积聚的部位,必须保证该部位空气的动能大于最小动能。由此可推导出最小气体流量的计算公式[8]。

(3)

需要说明的是，上式为隐函数,需要采用迭代法来求解。标准状态指国际标准状态,即压力101.325KPa,温度15摄氏度。利用公式（4）计算出的气体排量为标况下的排量,而实际井口条件下的排量还需要进一步的校正,校正公式为:

(4)

三、实际应用情况

元坝九龙山南鼻状构造带部署的两口井元陆8井、元陆25井在遂宁、上沙溪庙地层分别应用成都诺尔空气锤及江汉产HJT527GK牙轮钻头，两口井地理位置相距4KM，对比情况见表1。

表1 元陆8井、元陆25井空气钻对比情况

由上表分析，在相同的地区的两口邻井，相同的钻井队进行施工，空气锤在机械钻速和控制井身轨迹方面优势明显。根据元坝地区地层分析，在上沙溪庙上部以上地层应用空气锤进行空气钻进，在上沙溪庙下部地层为避免复杂应用牙轮钻进行空气钻进。

四、结论

1、元坝部分地区空气钻井存在部分地区提速效果差、井眼轨迹控制难、钻进中复杂情况频繁的问题，这几个问题本身又相互制约相互影响，通过对钻头选型以及钻井下放次序进行优化可同时解决这些问题。

2、根据空气锤结构及钻进工作原理，同时结合钻井现场实践，给出计算钻压、转速的经验公式，计算结果能满足现场工程需求。根据井深、井眼尺寸、携岩效果确定最优气体排量。

3、元坝地区由于下沙溪庙组底部地层容易垮塌,部分井还有出水情况发生, 建议在上沙溪庙上部以上地层应用空气锤进行空气钻进，在上沙溪庙下部地层为避免复杂应用牙轮钻进行空气钻进。

参考文献

[1] 魏强,杨万和,伊明等.空气锤钻井技术在滴北1井的应用[J]..新疆石油天然气.2009,5(02):40-42.

[2] 刘权萍,武友德,孟英峰等. 空气锤钻头应用研究[J]..石油矿场机械.2010,39(12):60-62.

[3] 肖新磊.空气钻井技术在元坝地区的应用[J]..石油钻探技术, 2010,38(04):35-37.

[4] 侯树刚,李铁成, 舒尚文.空气锤及空气钻头在普光气田的应用[J]..天然气工业.2007,09:65-67.

[5] 张勤.元坝地区钻井难题分析与技术对策探讨[J].石油钻探技术,2010,38(3):27-31.

[6] 王光磊,侯健,于承朋,等.元坝1井钻井设计与施工[J].石油钻探技术,2008,36(3):41-45.