反循环空气锤及其在气体钻井中的应用前景

刘建林

（中煤科工集团西安研究院，西安710077） ＊

反循环空气锤及其在气体钻井中的应用前景

刘建林

（中煤科工集团西安研究院，西安710077）＊

在介绍常规空气锤钻井技术及其应用的基础上，研究了反循环空气锤在国内外的发展现状，分析总结了反循环空气锤用于气体钻井所能发挥的技术优势。反循环空气锤在油气勘探钻井领域具有广阔的应用前景，研制开发适合气体钻井用的反循环空气锤具有重要现实意义。

反循环；空气锤；气体钻井；空气锤钻井

气体钻井技术因其在低压、低渗、低产油气藏的高效开发和提高复杂地质构造钻井速度等方面有着广泛的应用前景，成为钻井技术发展的一个热点，国内也开展了深入研究并得到了广泛应用［1－5］。目前在气体钻井技术发展较快的国家，气体钻井进尺比例约占到钻井总进尺的30%。随着气体钻井技术的不断发展和完善，空气锤钻井技术也已得到较快的发展和广泛应用［6－12］，表现出常规气体钻井技术所不具备的优势，尤其是在大尺寸井眼、硬岩地层钻进中能够大幅提高机械钻井效率。

反循环空气锤是一类具有特殊结构形式的气动潜孔冲击器，国内外早已将其成功用于地质勘探、水文水井钻凿及工程施工等领域。本文在研究国内外反循环空气锤发展现状的基础上，对比常规空气锤，系统地分析总结了反循环空气锤用于气体钻井所能发挥的技术优势，为提高复杂地层、深井硬岩地层钻井速度提供技术支持。

1 空气锤钻井技术

空气锤钻井技术是一种低钻压、低转速、高频冲击碎岩的冲击回转钻进技术，空气锤是实施空气锤钻井技术的重要井下工具，它将压缩空气既作为洗井介质又作为破碎岩石的能量来源。

空气锤早已在矿山开采、地质勘探、水文水井钻凿、工程施工钻探等领域被广泛使用。空气锤根据其配气方式可分为阀式和无阀式2大类；按结构形式和介质循环方式又可分为常规正循环空气锤和反循环空气锤2类。目前，气体钻井中所使用的空气锤全部属于无阀、常规正循环结构形式，该类型空气锤利用布置在活塞和缸体内壁上的配气系统控制活塞的往复运动，其典型结构如图1所示。

图1 无阀式空气锤结构

空气锤钻井技术在油气勘探开发钻井领域的应用受到气体钻井技术发展的限制。美国在用空气锤钻进浅井（水井、监测井，工程井和采矿井等）的同时增加了在石油和天然气钻井中的应用，特别是磨蚀性硬岩层。近年来，国外已成功将空气锤用于欠平衡钻井，气体钻井中遇到硬岩层和卵砾石层时，约95%是采用空气锤钻井技术。国外已有多家钻井工具制造商致力于空气锤的研制开发，产品已形成系列化。

空气锤钻井技术在国内油气勘探开发钻井领域发展较缓慢，21世纪初空气锤钻井技术在国内油田气体钻井中的应用仍为空白。近几年，随着气体钻井技术的发展应用，空气锤钻井技术受到了国内各研究机构的重视，并得到了一定的发展和应用［13－14］。

2 反循环空气锤

常规空气锤钻井时全面破碎井底岩石，单壁钻杆正循环排出岩屑。在地质勘探领域，以这种方式获得的岩屑样品其代表性、可靠性差。

20世纪70年代，国外工业发达国家采用常规空气锤双壁钻杆反循环钻井技术进行矿产勘探，取得显著效果，其钻具系统如图2所示。常规空气锤双壁钻杆反循环钻井技术虽比单壁钻杆正循环前进了一步，但还存在比较突出的问题：流体介质在空气锤部分仍为正循环，当钻遇破碎复杂地层时，正循环流体介质冲蚀孔壁造成超径，岩样混杂污染、漏失、层位颠倒等。

图2 常规空气锤双壁钻杆反循环钻具系统

针对地质勘探领域复杂地层空气锤钻井取样（芯）难的问题，世界钻探界竞相研究反循环空气锤及配套钻井工艺技术。

在结构上，反循环空气锤与常规空气锤最大的区别在于它有1个贯通的中心孔道，该中心孔道与双壁钻具系统中心孔构成全孔反循环流体介质排出通道。钻进时，井底破碎下来的岩屑经钻头上的流道直接进入钻具系统中心通道上返到地表。

2.1 国外反循环空气锤发展现状

目前，国外有多家空气锤制造商供应反循环空气锤。其中，美国“NUMA”公司革新性地设计了Champion系列反循环空气锤及钻头，如图3所示。该系列反循环空气锤及钻头能够可靠地将孔底岩屑全部带入空气锤及钻杆柱的中心通道并携带至地表。NUMA公司的反循环空气锤能够施工的孔径为121～914mm，主要技术参数如表1。

图3 NUMA公司反循环空气锤及钻头

表1 NUMA系列反循环空气锤主要规格及技术参数

Atlas Copco公司也致力于反循环空气锤的研发。该公司相关报告指出，在过去40多年里，反循环钻进技术在地质勘探等领域的应用证明它是一种高效的钻进方法，正是因为其经济性和高效性，高质量反循环钻井设备的市场不断增长。Atlas Copco公司最新的反循环空气锤产品是Atlas Copco Secoroc RC50，如图4所示。它是一种适合于各种地层钻进的高频反循环空气锤，施工钻孔直径为140～152mm。Secoroc RC50型反循环空气锤的中心管具有全新设计的结构形式，使整个空气锤的维护及中心管的现场更换在不拆开空气锤的条件下就能进行。

图4 阿特拉斯公司Secoroc RC50型反循环空气锤

Atlas Copco公司的反循环空气锤主要用于深孔勘探钻进，Secoroc RC50与同尺寸其他品牌的反循环空气锤相比，频率最多高出34%，钻井效率提高15%～20%。

2.2 国内反循环空气锤发展现状

在国内，原长春地质学院（现为吉林大学）于“七五”期间，针对水文水井钻凿研究开发了外径为200mm的反循环空气锤——GQ200型贯通式潜孔锤；“八五”期间针对复杂地层勘探研制开发了外径为100mm的贯通式潜孔锤。目前，贯通式潜孔锤已形成系列产品，如图5所示，其主要技术参数如表2。

图5 贯通式反循环潜孔锤及专用钻头

GQ系列贯通式潜孔锤、专用反循环钻头及双壁钻杆组成的钻具系统，在钻井中可同步实现潜孔锤冲击碎岩、压缩气体全孔反循环、不停钻连续取样（芯）3种工艺方法，具有钻井效率高、钻头寿命长、孔内无漏失、孔内事故少、钻孔垂直度好、钻探成本低等优点。贯通式潜孔锤反循环钻井技术已成功用于地质勘探与硬岩水文水井钻凿工程领域，获得了显著效果［13－14］。目前，该技术在反循环空气锤钻井领域处于国际领先水平。

表2 GQ系列贯通式潜孔锤主要规格及技术参数

3 反循环空气锤气体钻井的技术优势

1） 压缩气体全孔反循环，钻进时孔底产生的岩屑被直接携带进入反循环空气锤和双壁钻杆的中心通道排至地表，避免了气流携带岩屑正循环上返过程中对孔壁形成冲刷，有利于防止复杂地层钻进过程中孔壁扰动性坍塌的发生，减少或避免孔内事故。

2） 反循环空气锤及双壁钻杆中心通道断面积较孔壁与钻杆柱之间环状断面积小得多，因此，在保证排屑断面上具有某一相同的气流速度以满足排屑需要时，反循环空气锤钻井所需压缩气体体积流量小，特别是在大直径井段和深井段钻进时，更为明显，这有利于显著降低空气锤钻井的成本。

3） 处理地层出水能力强。气体钻井和常规空气锤钻井处理地层出水能力差，如果地层出水量达到足以使岩屑粘结成团，则在井内环状间隙内聚集、沉降，形成滤饼环，导致井眼净化效果变差，如不及时加以处理，最终将引发卡钻事故，威胁井下安全。反循环空气锤钻井时岩屑沿钻具中心通道上返，且中心通道过流断面面积相对较小，上返气流速度较高，进而排除岩屑、净化井眼效果好，处理地层出水能力强。

4） 反循环空气锤钻井时，压缩气体携带岩屑经钻具中心通道上返，能够避免损害低压产层；同时，岩屑上返滞后时间短，且不会因与孔壁地层接触而被污染，利于及时、准确掌握地层信息，发现产层。

5） 裂隙发育地层钻进时，能够避免和减少严重漏失的发生。

目前，石油工业上游领域的重点放在中小型油气田及复杂地质条件、非常规油气资源勘探开发和中后期油气田的改造，开采难度加大，钻井成本增加。面对这种恶劣的勘探开发条件，需要有新的勘探开发思路和方法。此外，随着浅层石油天然气的不断开采，可开采的越来越少，深井、超深井、易斜井、硬地层水平井及大位移井在石油钻井中比例越来越大。常规空气锤和反循环空气锤钻井技术将成为解决油气深井硬岩钻井和低压、低渗、低产油气田高效开发难题的有效方法。

4 结语

常规空气锤钻井技术在油气勘探开发钻井领域推广应用已取得了很好的效果，其成功应用为潜孔凿岩钻具的发展和使用提供了广阔空间。国内外的反循环空气锤均已成功用于地质勘探、水文水井钻凿、岩土工程施工等领域，技术与装备不断发展、完善，应用日益广泛。反循环空气锤兼容了常规空气锤钻井和反循环钻井的优点，具有其他技术不可比拟的优势，在低压低渗油气资源、深层油气资源、复杂地层油气资源的勘探开发中具有广阔的应用前景。

建议加强反循环空气锤钻井技术及配套装备的开发研制，并通过实践逐步改进完善，将反循环空气锤引入油气勘探开发钻井领域，发挥其独特的技术优势。

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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

四川石油钻井工艺技术研究院合作项目“空气反循环钻井系统可行性研究”（2006220100003435）

刘建林（1981－），男，内蒙古赤峰人，工程师，博士，主要从事多工艺冲击回转钻井工艺技术、煤层气开发抽采井工艺技术方面的研究。