反循环空气锤及其在气体钻井中的应用前景.pdf

2 0 1 2 年 第 4 1 卷 第 7期第 1 1 页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I ELD EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 0卜3 4 82 2 01 2 0 7 0 01 1 0 4 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 7 1 0 0 7 7 摘 要 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 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。 关 键词 反循 环 ； 空气锤 ； 气体 钻 井； 空 气锤 钻 井 中图分 类号 TE9 2 1 ． 2 文 献标识 码 A Re v e r s e Ci r c u l a t i o n o f Ai r Ha mme r a n d I t s Ap pl i c a t i o n i n Ga s] D r i l l i ng L I U J i a n - l i n xi ’ a n Re s e a r c h I n s t i t u t e。 C h i n a C o a l Te c h n o l o gy En g i n e e r i n g Gr o u p Co r p． ， Xi ’ a n 7 1 0 0 7 7， Ch i n a Abs t r a c t Ba s e d on t he i nt r o d uc t i o n o f t he a i r ha m me r d r i l l i ng a nd i t s a pp l i c a t i o ns ， t he r e ve r s e c i r c ul a t i o n a i r h a mme r a nd i t s d e v e l o p m e nt a t ho m e a nd a b r o a d a r e s t u d i e d e mph a t i c a l l y ． The a d v a n t a g e s of r e v e r s e c i r c u l a t i o n a i r h a m me r u s e d i n g a s dr i l l i n g a r e a n a l y z e d a nd s u mm a r i z e d s y s t e ma t i c a l l y ． Ac c o r d i n g t o c omp r e he n s i ve a n a l ys i s ， t he c o nc l us i o n t h a t r e v e r s e c i r c ul a t i on a i r h a mme r ha s a pp l i c a t i o n p r o s pe c t i n e xp l o r a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f o i l a nd g a s ．To r e s e a r c h a nd d e v e l o p r e ve r s e c i r c u l a t i o n a i r ha mme r f i t t e d t h e c o nd i t i ons o f pe t r ol e um d r i l l i ng i s m e a ni ng f u 1 ． Ke y wo r d s r e v e r s e c i r c ul a t i o n； a i r ha mme r ； ga s dr i l l i n g； a i r ha mme r dr i l l i n g 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 _ 】 ] 。 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 3 O 9 ／ 6 。 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 ， 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 潜孑 L 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 、 }也 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 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 1 8 基金项 目 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” 2 0 0 6 2 2 0 1 0 0 0 0 3 4 3 5 作者简 介 刘建林 1 9 8 1 一 ， 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 。 石油 矿 场机 械 2 0 1 2 年 7 月 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 接头 钻 头 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 9 5 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 ， 2 1 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 _ 1 。 。 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。 2 0世 纪 7 O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 。 I f ● f l 厂 、 、 麓 ／ { ＼ l l I I 1 f l l l l l l l l l I I l ＼ l l lJ I l l l I 一 一 一口 I I 双壁钻杆 交叉接头 常规空气锤 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 C h a mp i o n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o 1 2 1 o 9 1 4 mm， 主要 技术 参数 如表 1 。 图 3 NUMA公 司反循环空气锤及钻头 11 4 1 40 2 41 3 94 5 O8 71 1 47 9 2 35 3 1 3l 9 2 53 3 5 25 9 1 O 2 O 1 2 7O 1 5 2O 2 0 20 2 06 0 2 36 0 2 ． 04 2 ．O 4 1 ．7 0 1 ．3 6 l _ 3 6 1． 3 6 At l a s C o p c o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 4 0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 。At l a s C o p c o 公 司 最新 的反循 环空气 锤产 品是 At l a s C o p c o S e c o r o e R C5 0 ， 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 o 1 4 0 o l 5 2 mm。S e c o r o c RC 5 0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 S e c o r o c R C 5 0型反循环空气 锤 At l a s C o p c o公司的反循环空气锤 主要用于深 孔勘探钻进， S e c o r o c R C S 0与同尺寸其他品牌 的反 循环空气锤相 比， 频率最多高 出 3 4 ， 钻井效率提 高 1 5 9 ／ 5 ～ 2 O 9 ／ 6 。 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 1 21～ 1 4 O 14 6～ 1 5 2 25 4～ 38 1 4 06～ 50 8 53 3～ 6 6 0 76 2～ 9 1 4 “ 七 五” 期 问 ， 针对 水 文 水井 钻 凿 研 究 开发 了外 径 为 0 2 0 0 mm 的反循环空气锤一 一 GQ2 O O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 o 1 0 0 mm 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、 孑 L 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 果口 ] 。 目前 ， 该 技 犬 在 反循 环 空 气锤 钻井 领 域处 于 国际领先 水平 。 表 2 G Q 系列贯通式潜孔锤主要规格及技术参数 型号 外径 ／ mm 贯通孔直 径 ／ ram 长度／ 压力降／ mm M Pa 冲击频 室 ／ Hz 钻孔直 径 ／ mm GQ一 8 9 GQ一 1 0 8 GQ_ 1 2 7 GQ一 1 4 6 GQ- 1 6 0 GQ． 2 0 0 GQ_ 2 5 0 89 1 O8 1 27 1 46 l 6O 19 O 2 42 33 38 4 4 5 5 6 O 6 2 6 O 1 22 2 1 2 5 5 1 2 6 4 1 2 6 7 1 3 O 2 1 4 6 8 1 4 59 1 ． 40 1 ． 40 1 ． 4O 1 ．1 O 1 ． OO 1 ． OO 1 ． O5 1 9 ． 1 9 ． 1 8 ．{ 1 7 ． 1 6 ． 1 8 ． 1 6 ． 9 5～ 1 2 O 11 2 ～ 13 2 1 32～ 15 2 1 52 ～ 18 5 2 65 ～ 2 0O 2 OO～ 25 0 2 50～ 35 O _J lJ rJ 石油 矿 场机 械 2 0 1 2年 7月 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x ,t L 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 。 参考文献 [ 1 ] 周英操 ， 翟洪军． 欠平 衡钻井技 术与应用 E M] ． 北 京 石 油 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 肖新磊． 空气钻 井技术 在元坝地 区 的应用 E l i ． 石 油钻 探技术 ， 2 0 1 0 ， 3 8 4 3 5 3 7 ． [ 3 ] 陈颖洁 ， 房小松 ， 朱荣东 ， 等． 气体钻井钻具失效原 因与 预 防措施[ 阳． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 8 7 9 0 ． [ 4 ] 罗增 ， 林元华 ， 明传 中 ， 等． 基 于 Wa l k e r 模 型的 空气 钻井钻柱 疲 劳寿命 算 法 [ J ] ． 石 油 矿场 机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 4 57 - 60 ． [ 5 ] 朱 德武 ， 于会娟 ， 苟治平 ， 等． 空气钻井钻柱疲 劳计 算分 析E J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 8 5 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