空压机钻井技术在钻探工程现代化中的应用

王 超

（1.河北省煤田地质局第四地质队， 河北 张家口 075100；2.河北省矿山生态修复与资源综合利用研究中心， 河北 张家口 075100）

0 引言

随着钻探工程技术现代化的飞速发展，空压机钻井技术得到了越来越广泛的应用。在钻探工程领域，技术人员纷纷关注空压机钻井技术的研发和应用。空气钻井技术在提高开采效率、降低成本及减少环境污染等方面具有重要意义。空压机作为一种重要的设备，被广泛应用于钻探工程各个方面。空压机主要提供动力源和压缩空气，为钻探设备提供所需的空气和动力，保障钻探工程工作的顺利进行[1-3]。

1 空压机结构组成

1）空气压缩设备是空气钻井技术的核心设备之一，其主要作用是将大气中的空气吸入，通过压缩机的压缩作用提高空气的压力，并将压缩后的空气输送到钻井中。在选择空气压缩设备时，需要综合考虑设备的功率、效率、可靠性以及维护成本等因素。常用的空气压缩设备包括螺杆式空气压缩机、往复式空气压缩机和离心式空气压缩机等[4-5]。

2）管道设备是将压缩空气从空气压缩设备输送到钻井的通道，包括高压管道、中压管道和低压管道等不同等级的管道。选择管道设备时，需要考虑管道的材质、直径和壁厚等因素，确保压缩空气的输送效率和安全性。

3）在空气钻井过程中，需要对钻井内的气体进行监测和控制。除尘设备通常包括过滤器、旋风分离器和袋式过滤器等，用于过滤和清除钻井内的大颗粒杂质和有害气体。监测设备包括气体分析仪、压力传感器和温度传感器等，用于实时监测钻井内的气体成分、压力和温度等参数。

4）在空气钻井过程中，需要不断地向钻井内注入新鲜空气以保持通风良好。同时，还需要将钻井内的废气和岩屑排出。通风设备通常包括轴流式通风机和离心式通风机等，用于向钻井内注入新鲜空气。排放设备包括排气管路和排放泵等，用于将废气和岩屑排出钻井。

2 空压机运行原理

2.1 吸气过程

空压机工作原理的第一环节是吸气过程，空气进入后随着转子的运动，阳转子的齿不断地从阴转子的齿槽中脱离出来，此时齿间容积也不断扩大，并与吸气口保持连通。随着转子的旋转，齿间容积达到了最大值，并在此位置齿间容积与吸气口断开，吸气过程结束。

2.2 压缩过程

随着转子的旋转，被密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减少，导致气体压力升高，从而实现了空压机工作原理的第二个环节，压缩过程。

2.3 排气过程

当齿间容积与排气口连通后，便开始了排气过程。排气过程一直持续到齿末端的型线完全啮合为止。齿间容积内的气体通过排气口被完全排出，封闭的齿间容积的体积将变为零，此时，空压机便完成了排气过程。

3 应用效果

3.1 提高钻井效率

钻井过程中，提供高压空气就可以得到正常的动力和工作效率，从而减少了工作时间和劳动力的浪费，提高了钻井效率。

3.2 提高钻井质量

使用空压机还可以提高钻井质量。例如，在清洁井底时，高压空气可以将岩层碎片冲出井底，从而减少井底残留物的影响。此外，空压机提供的高压空气还可以清洗井孔，保证井孔干净整洁。

3.3 降低钻井成本

使用空压机可以降低钻井成本。例如，在清洁井底时，高压空气可以减少井底残留物的影响，从而减少下一步操作的难度和时间。此外，空压机还可以提高工作效率，减少钻机的停机时间，从而减少生产成本。

使用钻探工程用空压机，能够提高钻井效率、提高钻井质量，并且能够降低钻井成本，具有显著的应用效果。因此，钻机用空压机成为石油、天然气和地热等领域中不可或缺的设备。

4 应用特点

在钻探工程中，空压机具备可靠性和稳定性的特点，应用广泛且效果良好，能够满足各种工程需求。

4.1 应用高效

钻机用空压机具有高效的钻进速度和效率，能够快速完成钻探工程任务。这主要得益于能够利用压缩空气来驱动钻头旋转。相比传统的液压钻机，空压机具有更高的能源利用效率和钻进速度。

4.2 绿色环保

空压机钻井方法使用压缩空气作为动力源，无需使用大量液体，不会对环境造成污染和水资源浪费，具有环保节能的特点。

4.3 类型多样

根据不同的需求和应用环境，钻探工程中使用的空压机有多种类型，如螺杆式、移动式、履带式和车载式等，可以满足不同工程项目的需求。

4.4 满足不同要求

钻探工程用空压机通常需要满足高压力、大流量和低噪音等要求，确保钻探工程顺利进行。例如，一些空压机要具备防爆功能，才能在易燃易爆的环境中安全使用。

4.5 可靠性高

钻探工程用空压机必须具有较高的可靠性和稳定性，能够在恶劣的环境条件下正常运行，并能够承受高强度的工作负载。

4.6 能耗较低

为了降低工程成本和资源消耗，钻探工程用空压机通常需要具备较高的能效比和较低的能耗，以确保工程的可持续性和经济性。

4.7 维护方便

钻探工程用空压机的零部件和保养组件应容易更换，便于维护人员进行保养和维修，确保设备正常运行，延长其使用寿命。

工程用空压机必须具备高效、绿色、可靠性和稳定性高的特点，能够满足各种工程需求。同时，设备的能耗和维护成本也需要考虑，以降低工程成本和资源消耗。

5 应用技术分析

5.1 钻进技术

在空气钻井中，钻进技术是关键技术之一。采用合理的钻进技术可以有效提高钻井效率，降低成本。常用的钻进技术有冲击回转钻进、喷风钻进和潜孔锤钻进等。冲击回转钻进是在压缩空气驱动下，通过冲击器和回转器实现快速破碎岩石的钻进方法。喷风钻进是通过向切削具喷出高速气流，实现破岩的钻进方法。潜孔锤钻进是利用潜孔锤对岩石进行冲击破碎的钻进方法。在选择钻进技术时，需要综合考虑地质条件、施工要求和经济性等因素。

5.2 气体循环技术

在空气钻井中，气体循环技术是实现高效开采的重要手段之一。气体循环技术是指将压缩空气通过管道设备输送到钻井内，利用高压气流的作用冲洗井底的岩屑，并将其携带至地面，同时，将废气排出钻井。为了实现高效的气体循环，需要合理控制压缩空气的压力、流量和方向，还需要保持钻井内气体成分稳定，岩屑排出顺畅。

6 常见故障分析

6.1 常见故障现象与原因

1）气压不足是空压机最常见的故障之一。其主要原因包括气缸、活塞和活塞环等部件磨损或损坏，导致密封性能下降，气体泄漏增加；空气滤清器堵塞，导致进气量减少；压缩机的负载过大，导致电机过载等。

2）空压机的温度过高也是常见的故障之一。其主要原因包括润滑不良、冷却系统故障和电机过载等。此外，环境温度过高、连续高负载运行也会导致空压机的温度过高。

3）异常噪音是空压机故障的另一种表现形式。其主要原因包括轴承损坏、皮带打滑、气缸松动和活塞损坏等。此外，压缩机内部的进气、排气阀损坏也会导致异常噪音。

6.2 可能造成的后果

气压不足、温度过高和异常噪音等故障对空压机的工作性能和使用寿命都会产生负面影响。首先，这些故障会导致压缩机的效率和功率下降，影响钻机的正常工作。其次，这些故障会导致压缩机的磨损加剧，缩短其使用寿命。此外，温度过高还可能引发火灾等安全事故。因此，及时排除这些故障，对于保证钻机的正常工作和安全性至关重要。

6.3 常见故障排除方法

1）对于已经磨损或损坏的部件，如气缸、活塞和活塞环等，需要进行更换。更换配件可以大大提高空压机的密封性能和工作效率。

2）对于出现松动的部件，如轴承、皮带轮等，需要进行加固和调整。维修受损部件可以消除异常噪音和震动，提高压缩机的稳定性和可靠性。

3）对于出现气压不足和温度过高的情况，可以通过调整参数来解决。例如，可以调整压缩机的负载和卸载时间来提高压缩机的效率。同时，可以检查冷却系统的运行状况，确保良好的散热效果。

6.4 预防性维护措施

采取预防性维护措施，可以避免和减少空压机故障发生。

1）定期对压缩机的各个部件进行检查，如气缸、活塞、活塞环和轴承等，检查冷却系统和润滑系统的工作状况，发现异常要及时处理。

2）定期对压缩机进行维护保养，包括更换空气滤清器、清洗冷却系统等。此外，要定期检查皮带、润滑系统和控制系统的工作状况，确保压缩机正常运行。

3）根据压缩机的使用情况和实际需求，制定合理的检修计划。检修计划应包括定期检查、保养维修和大修等环节，确保压缩机在使用过程中得到充分的维护和保养。

4）对操作和维护人员进行定期培训与教育，提高相关人员对压缩机维护保养的意识和技能水平。

7 应用趋势

7.1 向环保、高效的方向发展

随着环保意识的提高和能源消耗的降低，空气钻井技术正在向更加环保、高效的方向发展。因此，空压机也正在朝着更加环保、高效的方向发展。例如，一些新型的空压机采用了节能技术，能够提供更高效、更节能的压缩空气，从而降低了能源消耗和污染物排放。

7.2 应用范围不断扩大

随着技术的不断发展，空气钻井的应用范围也在不断扩大。例如，在天然气、地热等领域，空气钻井技术也得到广泛应用。

7.3 智能化、自动化水平不断提高

空压机的智能化、自动化水平也在不断提高。通过与传感器、计算机等技术的结合，可以实现自动化控制、远程监控等功能，从而提高空压机的运行效率和使用安全性。

空压机在空气钻井中的应用前景和趋势呈现出环保、高效、智能化、可靠性和耐久性等特点。这些特点不仅符合市场需求和行业发展趋势，也符合空压机技术发展的趋势。

8 结语

钻探工程是我国开发矿产能源领域的重点之一，对于社会经济发展具有重要意义。在钻探工程中，钻井是一项关键技术，而空压机钻井技术以其独特的优势被广泛应用于现代化工程中。本文通过对钻探工程中空压机钻井技术及应用进行深入研究和分析，得出了以下结论：空压机钻井技术在钻探工程中具有明显优势，安全、高效和经济地应用空气钻井技术，可以显著提高钻井效率、降低成本，并且对环境保护具有积极作用。同时，该技术还具有对地层适应性较强等特点，可以适应不同类型地层的钻井需求。随着科学技术的不断发展，相信空压机钻井技术在现代化钻探工程、矿产资源开发领域会发挥越来越重要的作用。