多工藝空氣反循環鉆進中氣盒子的應用及改進

孔令滬，程林，滿國祥，王克虎

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081；2.河北石探機械制造有限責任公司，石家莊 050081)

0 引言

多工藝空氣反循環鉆進工藝以其鉆進速度快、排渣快捷干凈、能適應不穩定和復雜地層及節約成本等優點，在鉆探領域受到越來越多的青睞。多工藝空氣反循環鉆進主要包括空氣反循環鉆進和氣舉反循環鉆進，多工藝空氣反循環鉆進工藝的實施必須通過雙壁鉆具來實現，雙壁鉆具主要由水龍頭、氣盒子、雙壁鉆桿、氣水混合器及正反轉換裝置等組成。其中，氣盒子是多工藝空氣反循環鉆進用雙壁鉆具系統的重要組成鉆具，其使用效果在施工中也受到越來越多的重視，改進氣盒子結構，提高鉆進效率迫在眉睫。

1 氣盒子的應用

多工藝空氣反循環鉆進中，壓縮空氣通過氣盒子進入雙壁鉆桿的環狀間隙，沿環狀間隙到達孔底鉆具，通過孔底鉆具流向雙壁鉆桿內管中，并攜帶巖屑從內管上返至地面。氣盒子是多工藝空氣反循環鉆進重要連接部件，承擔了井下整套鉆具的重量和鉆進時的扭矩；同時，還為作為鉆井介質的高壓空氣提供進入雙壁鉆具環隙的進氣通道；此外，還是內管上返鉆渣的連接通道。由于當前使用的氣盒子大多存在著密封效果不好，主軸容易發生磨損等問題，難以滿足實際工作需要，因此，改進氣盒子的結構來保證施工勢在必行。

2 氣盒子改進后的結構

改進后的氣盒子結構如下圖1所示。

圖1 新型氣盒子結構圖

氣盒子空心結構的主軸側面設置有與外部進氣孔相通的進氣通道，另一端用于連通雙壁鉆桿的環狀間隙。內管位于主軸內部，內管外壁和主軸內壁與所圍成的環狀間隙形成進氣通道，內管內部形成出料通道，用于排出鉆井底部的廢料。耐磨套設置在主軸的外側，與主軸周向固定連接，耐磨套內壁與主軸外圓密封連接。氣室設置在耐磨套的外側，氣室內側的兩端與耐磨套外圓兩端通過密封圈分別密封連接，氣室的側面設置有與外部氣源相通的進氣孔，氣室內側沿周向設置有環形通道。密封圈軸向方向通過氣封支管固定，氣封支管上還設置有通氣孔，可以確保外部氣源通過氣封支管、耐磨套進入主軸內壁和內管外壁之間的環形空間。新型氣盒子實物照片見圖2。

圖2 新型氣盒子實物照片

3 改進后新型氣盒子的特點

主軸的外軸內部和內管外壁形成進氣通道，內管內部為出料通道，并且將內管置于外軸內部的一端與外軸內壁之間密封安裝，結構簡單，易于實現，增加了氣盒子的實用性。

利用對稱安裝的兩個密封圈對主軸和耐磨套之間進行密封，并且將氣封支管安裝在兩個密封圈之間，使氣封支管對密封圈起到支撐作用，從而使兩個密封圈不會發生偏移，保證良好的密封效果，進而提高氣盒子的可靠性。第一個密封圈遠離第二個密封圈的一側由氣室端蓋進行軸向定位，第二個密封圈遠離第一個密封圈的一側由氣室進行定位，兩個密封圈均實現了雙向的軸向定位，提高了密封圈定位的可靠性。利用氣室端蓋子口將第一個密封圈遠離第二個密封圈的一側擠緊，由于氣封支管在兩個密封圈之間起到了支撐作用，且第二個密封圈遠離第一個密封圈的一側有氣室對其進行支撐，使得兩個密封圈軸向被壓縮，使兩個密封圈徑向與耐磨套之間接觸的更為緊密，提高了密封效果。同時，通過調節氣室端蓋口壓緊程度可以使兩個密封圈即使在發生一定程度磨損后也能保證其密封效果，延長了氣盒子的使用壽命。

軸承座與氣室通過氈圈密封，與耐磨套通過一個密封圈密封，與主軸通過一個O形圈密封，使軸承中的潤滑油不會進入氣室中，保持氣室清潔，進而保證壓縮氣體可以順利通過氣室。

安裝時，先將耐磨套安裝在主軸上，主軸上安裝擋圈處凹槽的設置，為鍵提供了安裝空間，使鍵對主軸和耐磨套進行周向固定，使得主軸和耐磨套可同步轉動。擋圈和耐磨套之間通過螺栓緊固連接，利用彈性擋圈對鍵和耐磨套進行軸向定位，使得主軸和耐磨套轉動時，擋圈可以隨主軸和耐磨套同步轉動，主軸和擋圈之間不會發生相對轉動和松脫，從而保證主軸和耐磨套轉動時的軸向定位效果。

4 新型氣盒子使用優點及現場應用

使用時，氣盒子靠近軸承的一端連接動力源，氣盒子遠離軸承的一端連接雙壁鉆桿，利用外部氣源向氣室通入壓縮空氣。壓縮空氣經過氣室內部、氣封支管、耐磨套進入主軸內壁和內管外壁之間的環形空間，進而進入雙壁鉆桿的環狀間隙，并沿著雙壁鉆桿的環狀間隙到達孔底鉆具，通過孔底鉆具流向雙壁鉆桿的內部，并攜帶巖屑從雙壁鉆桿的內部上升至出料通道，進而上升至地面。

傳統的氣盒子的氣室和主軸之間直接進行密封連接，使得主軸在轉動時極易發生磨損，降低了主軸的使用壽命。改進后的氣盒子在內管和主軸之間安裝耐磨套，并使耐磨套和主軸在周向固定，使耐磨套與氣室之間密封連接。在主軸進行轉動時，使得摩擦發生在耐磨套與氣室之間，主軸不會被磨損，即使在耐磨套由于長時間工作發生磨損時，也可將耐磨套進行更換，增強了可靠性。在拆下擋圈之后即可直接拆卸、更換耐磨套，大大降低了維修難度。

2019年，貴煤新銳地勘公司使用雪姆130鉆機配套168 mm/80 mm 雙壁鉆具在重慶市南川區進行頁巖氣生產井施工，采用了我公司研制的新型氣盒子。在空氣反循環鉆井施工中，經多次對比試驗，最終選定的定制高耐磨、耐高溫密封圈達到了使用壽命長的設計要求，滿足了施工應用需求。

5 結語

在現場施工應用中，新型氣盒子使用效果反饋很好，整體密封性可靠，且不用更換主軸，只需視情況更換耐磨套和密封圈，節約了維修的時間與成本。改進后的新型氣盒子結構已得到客戶的認可，并獲得國家實用新型專利，將逐漸得到更廣泛的應用。同時，密封質量更好、使用壽命更長的密封圈正在設計試制中，這種新型氣盒子將更加適應市場的需求，現場施工也將更方便快捷。