哈山101井火成岩地层空气锤钻井技术

牛洪波 冯光通 赵洪山 于海叶

中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

哈山地区位于准噶尔盆地北缘哈德构造带区块的西端，近年来先后完钻了哈深2、哈山3等多口深探井，均见到良好油气显示，勘探潜力巨大。哈山101井作为探区内一口重点评价井，设计井深4500 m，钻遇地层自上而下依次为白垩系、侏罗系、石炭系及二叠系佳木河组。地质预计石炭系主要以火成岩为主，岩性为绿灰色玄武岩，灰色火山角砾岩、安山岩，灰色凝灰岩、夹凝灰质砂岩。根据邻井火成岩室内岩石力学实验结果［1-3］，火成岩硬度高达2504.23～2905.45 MPa，可钻性级值普遍大于等于8级，抗压强度最高333 MPa，塑性系数为1.10～1.33，表明哈山地区火成岩岩石致密坚硬、可钻性差、研磨性强，属于硬脆性岩石。尽管前期采用“空气/泡沫+牙轮钻井”技术取得了一定的提速效果［4-7］，但是仍然存在着牙轮钻头破岩效率低、单只钻头进尺少、井斜增长较快等技术难题，制约了哈山地区的油气勘探开发进程。

空气锤钻井是一种利用高压气体介质传递能量实现对岩石高频率（800～1900次/min）冲击破岩的钻井技术，兼具气体钻井和冲击钻井的优势，具有“低钻压、低转速、高频率”破岩特点，与常规钻井方式相比，能够在提高硬脆性、高研磨地层机械钻速的同时，起到较好的防斜纠斜效果［8-10］。针对准噶尔盆地哈山地区火成岩地层特点和钻井难点，通过改进空气锤关键结构、优化空气锤气体钻井参数，形成了火成岩地层空气/雾化+空气锤钻井技术。

1 KQC型空气锤改进

KQC型空气锤是一种无阀式空气锤，通过利用内部活塞的运动开启和关闭不同气体通道，从而控制压缩空气的切换以完成不同配气过程。与阀式空气锤相比，具有配气气路简单、气流阻力小、冲击能量高的特点，近年来在新疆、四川等地区应用较为广泛。

1.1 工作原理

KQC型空气锤主要由上接头、配气座、活塞、尾管及钻头等部件组成［11-13］。空气锤钻井期间，空气经地面空压机和增压机加压并经上接头进入空气锤内部气缸后，首先进入下腔室推动活塞上行，期间将会导致上腔内压力迅速上升；当活塞行至上死点后，接着在高压气体推动下即开始高速下行并冲击钻头顶端，达到冲击破岩目的；此过程周而复始，在上、下腔室压力差作用下，高压气体不断推动活塞做高频往复运动，从而可对钻头施加800～1900次/min高频冲击力实现高效破岩。

作为一种特殊的破岩工具，空气锤的破岩实质是将冲击钻进的单次破碎岩石作用和旋转钻进的连续破碎岩石作用相结合的一种钻井方法。空气锤钻井期间，空气锤活塞高频冲击动载首先使位于钻头底部复合球齿下面的岩石瞬时达到屈服极限并形成破碎坑，同时钻头低速回转力矩通过不断改变球齿与岩石的接触位置，对不同破碎坑之间的扇形部分进行有效的切削。由于火成岩属于硬脆性岩石，抗冲击能力较弱，加上其抗剪强度一般仅为抗压强度的7%～15%，因此比较适合空气锤钻井以冲击动载为主、剪切破碎为辅的提速方式。

1.2 空气锤结构改进

由于火成岩岩性复杂、岩石坚硬、研磨性强，加之实钻过程中钻柱振动较为剧烈，邻井空气锤钻井试验期间，经常出现钻头齿崩齿掉齿、严重磨损等现象，平均使用寿命（纯钻时间）低于60 h，仍不能很好适应火成岩地层的需要。为了显著提高哈山101井火成岩气体钻井应用效果，针对空气锤关键结构进行了以下改进［14-15］。

（1）结合火成岩岩石力学实验特性，进一步优化了复合结构钻头齿材料，并进行了特殊工艺热处理，使得空气锤钻头的耐磨性、抗冲击性及使用寿命得到显著提高；

（2）在空气锤气流布局优化基础上，进一步改进了空气锤内部结构，使得相同气体能量下空气锤的冲击功、排砂能力及工作效率得到显著提升；

（3）采用“三翼面”保径结构设计，通过针对保径齿齿形、数量及分布进行优化，有效减少了井底钻柱振动对保径齿的破坏作用，使得空气锤钻头的保径能力得到显著增强；

（4）针对空气锤钻头在火成岩地层中因工作条件复杂而容易断裂落井的问题，进一步强化了空气锤的整体结构可靠性及防掉机构设计，有效保证了空气锤钻井期间的井下安全；

（5）针对空气锤钻头严重磨损后导致已钻井眼缩径的问题，优选并采用了外径Ø313 mm（设计井眼大小Ø311.2 mm）空气锤进行气体钻井，有效减少了后续钻头因下钻不畅而导致的扩划眼时间。

2 空气锤钻井参数优化

空气锤钻进效率的高低，不仅取决于空气锤自身的结构参数（如气缸直径、活塞尺寸等）和性能参数（如冲击功、冲击频率等）设计，而且合理的钻压、转速、耗风量和风压等钻井参数均会对岩石的破碎效率和空气锤的应用效果产生较大影响［16-18］。

2.1 钻压

空气锤破岩是静载钻压和冲击动载共同作用的结果，合理的钻压既有助于冲击应力波有效传递给钻头进行破岩，同时可以防止钻头过早磨损、球齿脱落、回转困难。由于火成岩属于硬脆性岩石，当冲击功足以使岩石发生破坏时，施加钻压的目的则主要是为了保持钻头和岩石能够充分接触，进而保证冲击能量通过钻头最大程度地传递给岩石。

根据空气锤现场应用经验，钻压一般根据下式施加

式中，W为钻压，kN；a为钻压系数，一般取0.09 kN/mm；D为钻头直径，mm。

2.2 转速

空气锤的转速对提高机械钻速和延长钻头寿命具有重要的作用。空气锤钻进期间，优选合理的转速主要是为了改变钻头齿的破岩位置，保证钻头齿每经过一次冲击后均能够落在新的岩石位置上。如果转速过慢，将会产生重复破碎，影响破岩效率的提高；而如果转速过快，则不仅会减弱冲击破岩的效果，而且会造成钻头的磨损加重。

考虑空气锤的钻头齿直径、冲击频率等因素影响，最优转速的计算公式为

式中，n为转速，r/min；d为空气锤钻头齿直径，mm；k为岩石破碎坑直径与钻头齿直径之比；f为冲击频率，Hz。

2.3 耗风量和风压

空气锤钻井期间，送入的压缩空气主要是提供空气锤活塞运动的能量，同时起到携带岩屑和冷却钻头的作用，因此合理的风压和耗风量既要保证空气锤具有足够的能量用于破岩，又要保证把岩屑带离井底，避免重复破碎。对于确定的空气锤，耗风量和风压二者之间大致呈线性关系，并且直接取决于环空上返风速的大小，钻井期间应根据不同的地层岩性、井筒条件、出水量等情况及时进行调整。

空气流介质中，岩屑因自身的粒度、密度和形状不同而具有不同的自由悬浮速度，为满足岩屑上返的要求，所需要的最低耗风量可以根据下式计算

式中，Qmin为空气锤钻井的最低耗风量，Nm3/min；K1为井深修正系数；K2为地层出水时的风量增加系数，与地层出水量有关；ν为环空气流的上返风速，一般取l5～25 m/s；d1为钻杆外径，mm。

2.4 气体钻井参数优化

目前KQC型空气锤已形成适合直径152.4～660.4 mm不同井眼的产品系列，以Ø311.2 mm井眼通常使用的KQC275型空气锤为例，空气锤气体钻井的主要参数见表1。

表1 KQC275型空气锤气体钻井参数Table 1 Drilling parameters of KQC275 air hammer

3 现场应用

根据哈山101井地质设计，石炭系火成岩地层厚度大，井深预计为200～2400 m。为提高哈山101井的钻井速度，二开石炭系井段开展了“空气/雾化+空气锤钻井”现场应用。空气锤钻井期间，采用的钻具组合为：Ø313 mmKQC275空气锤+钻具止回阀+Ø228.6 mm钻铤×3根+Ø203.2 mm钻铤×6根+Ø177.8 mm钻铤×9根+Ø127 mm加重钻杆×15根+Ø127 mm钻杆；钻井参数为：钻压20～30 kN，转速 25～30 r/min，立压 2～2.8 MPa；空气 /雾化参数：空压机注气量97.5～130 Nm3/min，雾化泵注液量0.25～0.75 L/s，泡沫基液浓度1%～4%。

现场钻井期间，通过加强井壁稳定预测、扭矩监测，并根据井深和地层出水情况及时调整气体钻井参数，保证了空气锤钻井的施工安全，最终哈山101井二开石炭系井段累计实施了空气/雾化+空气锤钻井6趟钻，见表2。钻遇岩性主要有火山角砾岩、凝灰岩、安山岩、玄武岩等，钻进井段分别为266.53～2046 m 和 2068.78～2496.47 m，累计进尺2207.16 m，平均机械钻速5.36 m/h，平均单趟钻进尺达367.86 m，取得了显著的应用效果。

表2 哈山101井空气锤钻井施工统计Table 2 Statistics of air hammer drilling in Well Hashan 101

图1针对哈山区块哈深2、哈深201及哈山101等3口井同开次空气锤钻井期间的施工情况进行了对比。从图中可以看出，通过不断改进空气锤关键结构、优化空气锤气体钻井参数，哈山101井KQC275型空气锤的平均使用寿命（纯钻时间）为68.66 h，且第3只空气锤最高达到89.38 h，表明改进后的空气锤基本满足了火成岩地层钻井的需要；此外气体钻井期间，单只空气锤平均进尺达到367.86 m，分别较哈深2、哈深201井提高了75.17%和56%，尤其是第1只空气锤进尺高达560.4 m，有效减少了起下钻次数、缩短了钻井周期。

图1 哈山区块3口井空气锤钻井情况对比Fig. 1 Comparison of air hammer drilling between three wells in Hashan Block

图2给出了哈山101井二开石炭系井段空气锤钻井期间的电测井斜变化情况。尽管山前带或大倾角地层钻进期间，增大钻压将导致井斜存在明显增大，但从图中可以看出，由于空气锤钻井施加的钻压相对较小，同时钻井期间通过加密测斜、加强井斜监测，以及根据测斜结果及时调整钻井参数，哈山101井二开井段井斜始终控制在1°以内，井底水平位移仅2.35 m，满足了井眼质量设计要求，表明空气锤钻井能够实现提高火成岩地层机械钻速的同时，起到良好的防斜纠斜效果。

图2 哈山101井空气锤钻井井斜变化Fig. 2 Variation of well deviation during air hammer drilling in Well Hashan 101

4 结论与认识

（1）火成岩属于硬脆性岩石，抗冲击能力弱且抗剪强度较低，采用以冲击动载为主、剪切破碎为辅的空气锤钻井技术，与常规钻井方式相比，具有明显的防斜打快技术优势。

（2）通过优化空气锤复合结构钻头齿材料、空气锤气流布局及内部结构，同时加强“三翼面”保径结构设计，有效提高了空气锤钻头的耐磨性、抗冲击性及使用寿命等整体性能。

（3）建立了空气锤钻井的钻压、转速、耗风量及风压等关键参数计算方法，显著提高了空气锤气体钻井破岩效率和机械钻速的同时，保证了空气锤钻井期间的井下安全。

（4）建议开展适用于空气锤气体钻井专用扶正器的研制及应用，通过显著增强钻井期间作用于空气锤钻头上的侧向力大小，更好发挥山前带或大倾角地层空气锤防斜打快的作用。

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