反循環(huán)空氣錘及其在氣體鉆井中的應(yīng)用前景

劉建林

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，西安710077） ＊

反循環(huán)空氣錘及其在氣體鉆井中的應(yīng)用前景

劉建林

（中煤科工集團(tuán)西安研究院，西安710077）＊

在介紹常規(guī)空氣錘鉆井技術(shù)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研究了反循環(huán)空氣錘在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，分析總結(jié)了反循環(huán)空氣錘用于氣體鉆井所能發(fā)揮的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。反循環(huán)空氣錘在油氣勘探鉆井領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，研制開(kāi)發(fā)適合氣體鉆井用的反循環(huán)空氣錘具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

反循環(huán)；空氣錘；氣體鉆井；空氣錘鉆井

氣體鉆井技術(shù)因其在低壓、低滲、低產(chǎn)油氣藏的高效開(kāi)發(fā)和提高復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造鉆井速度等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，成為鉆井技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了深入研究并得到了廣泛應(yīng)用［1－5］。目前在氣體鉆井技術(shù)發(fā)展較快的國(guó)家，氣體鉆井進(jìn)尺比例約占到鉆井總進(jìn)尺的30%。隨著氣體鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，空氣錘鉆井技術(shù)也已得到較快的發(fā)展和廣泛應(yīng)用［6－12］，表現(xiàn)出常規(guī)氣體鉆井技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)，尤其是在大尺寸井眼、硬巖地層鉆進(jìn)中能夠大幅提高機(jī)械鉆井效率。

反循環(huán)空氣錘是一類具有特殊結(jié)構(gòu)形式的氣動(dòng)潛孔沖擊器，國(guó)內(nèi)外早已將其成功用于地質(zhì)勘探、水文水井鉆鑿及工程施工等領(lǐng)域。本文在研究國(guó)內(nèi)外反循環(huán)空氣錘發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)比常規(guī)空氣錘，系統(tǒng)地分析總結(jié)了反循環(huán)空氣錘用于氣體鉆井所能發(fā)揮的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為提高復(fù)雜地層、深井硬巖地層鉆井速度提供技術(shù)支持。

1 空氣錘鉆井技術(shù)

空氣錘鉆井技術(shù)是一種低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高頻沖擊碎巖的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，空氣錘是實(shí)施空氣錘鉆井技術(shù)的重要井下工具，它將壓縮空氣既作為洗井介質(zhì)又作為破碎巖石的能量來(lái)源。

空氣錘早已在礦山開(kāi)采、地質(zhì)勘探、水文水井鉆鑿、工程施工鉆探等領(lǐng)域被廣泛使用。空氣錘根據(jù)其配氣方式可分為閥式和無(wú)閥式2大類；按結(jié)構(gòu)形式和介質(zhì)循環(huán)方式又可分為常規(guī)正循環(huán)空氣錘和反循環(huán)空氣錘2類。目前，氣體鉆井中所使用的空氣錘全部屬于無(wú)閥、常規(guī)正循環(huán)結(jié)構(gòu)形式，該類型空氣錘利用布置在活塞和缸體內(nèi)壁上的配氣系統(tǒng)控制活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)閥式空氣錘結(jié)構(gòu)

空氣錘鉆井技術(shù)在油氣勘探開(kāi)發(fā)鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用受到氣體鉆井技術(shù)發(fā)展的限制。美國(guó)在用空氣錘鉆進(jìn)淺井（水井、監(jiān)測(cè)井，工程井和采礦井等）的同時(shí)增加了在石油和天然氣鉆井中的應(yīng)用，特別是磨蝕性硬巖層。近年來(lái)，國(guó)外已成功將空氣錘用于欠平衡鉆井，氣體鉆井中遇到硬巖層和卵礫石層時(shí)，約95%是采用空氣錘鉆井技術(shù)。國(guó)外已有多家鉆井工具制造商致力于空氣錘的研制開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品已形成系列化。

空氣錘鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)油氣勘探開(kāi)發(fā)鉆井領(lǐng)域發(fā)展較緩慢，21世紀(jì)初空氣錘鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)油田氣體鉆井中的應(yīng)用仍為空白。近幾年，隨著氣體鉆井技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，空氣錘鉆井技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)的重視，并得到了一定的發(fā)展和應(yīng)用［13－14］。

2 反循環(huán)空氣錘

常規(guī)空氣錘鉆井時(shí)全面破碎井底巖石，單壁鉆桿正循環(huán)排出巖屑。在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，以這種方式獲得的巖屑樣品其代表性、可靠性差。

20世紀(jì)70年代，國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家采用常規(guī)空氣錘雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術(shù)進(jìn)行礦產(chǎn)勘探，取得顯著效果，其鉆具系統(tǒng)如圖2所示。常規(guī)空氣錘雙壁鉆桿反循環(huán)鉆井技術(shù)雖比單壁鉆桿正循環(huán)前進(jìn)了一步，但還存在比較突出的問(wèn)題：流體介質(zhì)在空氣錘部分仍為正循環(huán)，當(dāng)鉆遇破碎復(fù)雜地層時(shí)，正循環(huán)流體介質(zhì)沖蝕孔壁造成超徑，巖樣混雜污染、漏失、層位顛倒等。

圖2 常規(guī)空氣錘雙壁鉆桿反循環(huán)鉆具系統(tǒng)

針對(duì)地質(zhì)勘探領(lǐng)域復(fù)雜地層空氣錘鉆井取樣（芯）難的問(wèn)題，世界鉆探界競(jìng)相研究反循環(huán)空氣錘及配套鉆井工藝技術(shù)。

在結(jié)構(gòu)上，反循環(huán)空氣錘與常規(guī)空氣錘最大的區(qū)別在于它有1個(gè)貫通的中心孔道，該中心孔道與雙壁鉆具系統(tǒng)中心孔構(gòu)成全孔反循環(huán)流體介質(zhì)排出通道。鉆進(jìn)時(shí)，井底破碎下來(lái)的巖屑經(jīng)鉆頭上的流道直接進(jìn)入鉆具系統(tǒng)中心通道上返到地表。

2.1 國(guó)外反循環(huán)空氣錘發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)外有多家空氣錘制造商供應(yīng)反循環(huán)空氣錘。其中，美國(guó)“NUMA”公司革新性地設(shè)計(jì)了Champion系列反循環(huán)空氣錘及鉆頭，如圖3所示。該系列反循環(huán)空氣錘及鉆頭能夠可靠地將孔底巖屑全部帶入空氣錘及鉆桿柱的中心通道并攜帶至地表。NUMA公司的反循環(huán)空氣錘能夠施工的孔徑為121～914mm，主要技術(shù)參數(shù)如表1。

圖3 NUMA公司反循環(huán)空氣錘及鉆頭

表1 NUMA系列反循環(huán)空氣錘主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

Atlas Copco公司也致力于反循環(huán)空氣錘的研發(fā)。該公司相關(guān)報(bào)告指出，在過(guò)去40多年里，反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的應(yīng)用證明它是一種高效的鉆進(jìn)方法，正是因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)性和高效性，高質(zhì)量反循環(huán)鉆井設(shè)備的市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)。Atlas Copco公司最新的反循環(huán)空氣錘產(chǎn)品是Atlas Copco Secoroc RC50，如圖4所示。它是一種適合于各種地層鉆進(jìn)的高頻反循環(huán)空氣錘，施工鉆孔直徑為140～152mm。Secoroc RC50型反循環(huán)空氣錘的中心管具有全新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，使整個(gè)空氣錘的維護(hù)及中心管的現(xiàn)場(chǎng)更換在不拆開(kāi)空氣錘的條件下就能進(jìn)行。

圖4 阿特拉斯公司Secoroc RC50型反循環(huán)空氣錘

Atlas Copco公司的反循環(huán)空氣錘主要用于深孔勘探鉆進(jìn)，Secoroc RC50與同尺寸其他品牌的反循環(huán)空氣錘相比，頻率最多高出34%，鉆井效率提高15%～20%。

2.2 國(guó)內(nèi)反循環(huán)空氣錘發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院（現(xiàn)為吉林大學(xué)）于“七五”期間，針對(duì)水文水井鉆鑿研究開(kāi)發(fā)了外徑為200mm的反循環(huán)空氣錘——GQ200型貫通式潛孔錘；“八五”期間針對(duì)復(fù)雜地層勘探研制開(kāi)發(fā)了外徑為100mm的貫通式潛孔錘。目前，貫通式潛孔錘已形成系列產(chǎn)品，如圖5所示，其主要技術(shù)參數(shù)如表2。

圖5 貫通式反循環(huán)潛孔錘及專用鉆頭

GQ系列貫通式潛孔錘、專用反循環(huán)鉆頭及雙壁鉆桿組成的鉆具系統(tǒng)，在鉆井中可同步實(shí)現(xiàn)潛孔錘沖擊碎巖、壓縮氣體全孔反循環(huán)、不停鉆連續(xù)取樣（芯）3種工藝方法，具有鉆井效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)、孔內(nèi)無(wú)漏失、孔內(nèi)事故少、鉆孔垂直度好、鉆探成本低等優(yōu)點(diǎn)。貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆井技術(shù)已成功用于地質(zhì)勘探與硬巖水文水井鉆鑿工程領(lǐng)域，獲得了顯著效果［13－14］。目前，該技術(shù)在反循環(huán)空氣錘鉆井領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

表2 GQ系列貫通式潛孔錘主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

3 反循環(huán)空氣錘氣體鉆井的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1） 壓縮氣體全孔反循環(huán)，鉆進(jìn)時(shí)孔底產(chǎn)生的巖屑被直接攜帶進(jìn)入反循環(huán)空氣錘和雙壁鉆桿的中心通道排至地表，避免了氣流攜帶巖屑正循環(huán)上返過(guò)程中對(duì)孔壁形成沖刷，有利于防止復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)程中孔壁擾動(dòng)性坍塌的發(fā)生，減少或避免孔內(nèi)事故。

2） 反循環(huán)空氣錘及雙壁鉆桿中心通道斷面積較孔壁與鉆桿柱之間環(huán)狀斷面積小得多，因此，在保證排屑斷面上具有某一相同的氣流速度以滿足排屑需要時(shí)，反循環(huán)空氣錘鉆井所需壓縮氣體體積流量小，特別是在大直徑井段和深井段鉆進(jìn)時(shí)，更為明顯，這有利于顯著降低空氣錘鉆井的成本。

3） 處理地層出水能力強(qiáng)。氣體鉆井和常規(guī)空氣錘鉆井處理地層出水能力差，如果地層出水量達(dá)到足以使巖屑粘結(jié)成團(tuán)，則在井內(nèi)環(huán)狀間隙內(nèi)聚集、沉降，形成濾餅環(huán)，導(dǎo)致井眼凈化效果變差，如不及時(shí)加以處理，最終將引發(fā)卡鉆事故，威脅井下安全。反循環(huán)空氣錘鉆井時(shí)巖屑沿鉆具中心通道上返，且中心通道過(guò)流斷面面積相對(duì)較小，上返氣流速度較高，進(jìn)而排除巖屑、凈化井眼效果好，處理地層出水能力強(qiáng)。

4） 反循環(huán)空氣錘鉆井時(shí)，壓縮氣體攜帶巖屑經(jīng)鉆具中心通道上返，能夠避免損害低壓產(chǎn)層；同時(shí)，巖屑上返滯后時(shí)間短，且不會(huì)因與孔壁地層接觸而被污染，利于及時(shí)、準(zhǔn)確掌握地層信息，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層。

5） 裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)時(shí)，能夠避免和減少嚴(yán)重漏失的發(fā)生。

目前，石油工業(yè)上游領(lǐng)域的重點(diǎn)放在中小型油氣田及復(fù)雜地質(zhì)條件、非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)和中后期油氣田的改造，開(kāi)采難度加大，鉆井成本增加。面對(duì)這種惡劣的勘探開(kāi)發(fā)條件，需要有新的勘探開(kāi)發(fā)思路和方法。此外，隨著淺層石油天然氣的不斷開(kāi)采，可開(kāi)采的越來(lái)越少，深井、超深井、易斜井、硬地層水平井及大位移井在石油鉆井中比例越來(lái)越大。常規(guī)空氣錘和反循環(huán)空氣錘鉆井技術(shù)將成為解決油氣深井硬巖鉆井和低壓、低滲、低產(chǎn)油氣田高效開(kāi)發(fā)難題的有效方法。

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)空氣錘鉆井技術(shù)在油氣勘探開(kāi)發(fā)鉆井領(lǐng)域推廣應(yīng)用已取得了很好的效果，其成功應(yīng)用為潛孔鑿巖鉆具的發(fā)展和使用提供了廣闊空間。國(guó)內(nèi)外的反循環(huán)空氣錘均已成功用于地質(zhì)勘探、水文水井鉆鑿、巖土工程施工等領(lǐng)域，技術(shù)與裝備不斷發(fā)展、完善，應(yīng)用日益廣泛。反循環(huán)空氣錘兼容了常規(guī)空氣錘鉆井和反循環(huán)鉆井的優(yōu)點(diǎn)，具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在低壓低滲油氣資源、深層油氣資源、復(fù)雜地層油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

建議加強(qiáng)反循環(huán)空氣錘鉆井技術(shù)及配套裝備的開(kāi)發(fā)研制，并通過(guò)實(shí)踐逐步改進(jìn)完善，將反循環(huán)空氣錘引入油氣勘探開(kāi)發(fā)鉆井領(lǐng)域，發(fā)揮其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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Reverse Circulation of Air Hammer and Its Application in Gas Drilling

LIU Jian－lin
（Xi’an Research Institute，China Coal Technology ＆Engineering Group Corp.，Xi’an710077，China）

Based on the introduction of the air hammer drilling and its applications，the reverse circulation air hammer and its development at home and abroad are studied emphatically.The advantages of reverse circulation air hammer used in gas drilling are analyzed and summarized systematically.According to comprehensive analysis，the conclusion that reverse circulation air hammer has application prospect in exploration and development of oil and gas.To research and develop reverse circulation air hammer fitted the conditions of petroleum drilling is meaningful.

reverse circulation；air hammer；gas drilling；air hammer drilling

1001－3482（2012）07－0011－04

TE921.2

A

2012－01－18

四川石油鉆井工藝技術(shù)研究院合作項(xiàng)目“空氣反循環(huán)鉆井系統(tǒng)可行性研究”（2006220100003435）

劉建林（1981－），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，博士，主要從事多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆井工藝技術(shù)、煤層氣開(kāi)發(fā)抽采井工藝技術(shù)方面的研究。