元壩地區(qū)空氣鉆井鉆頭優(yōu)選新研究

前言
　　元壩地區(qū)空氣鉆技術(shù)得以廣泛的應(yīng)用，主要是在上部地層提高鉆井速度，節(jié)約鉆井周期，目前絕大多數(shù)的井在上沙溪廟底部以上的地層均采用空氣鉆井技術(shù)，實踐證明較泥漿鉆進技術(shù)提速效果明顯，但在個別區(qū)塊地層傾角較大，空氣鉆期間為確保井身軌跡不得不犧牲機械鉆速，在空氣鉆井過程中，鉆壓是對機械鉆速和井身質(zhì)量控制是較為敏感的參數(shù)，普通牙輪鉆頭鉆壓大機械鉆速高但難于控制井身質(zhì)量?？諝忮N鉆井是一種低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高沖擊破巖回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù), 空氣錘鉆井技術(shù)解決了不能在打快的前提下控制井斜的難題,是目前最可行最有效的技術(shù)。本文優(yōu)選了適合元壩地區(qū)空氣鉆井的鉆頭-鉆具組合，同時還優(yōu)化了鉆具下井順序，達到了既能提高機械轉(zhuǎn)速又能控制井身軌跡的效果，針對該地區(qū)鉆井過程易出現(xiàn)的一些復(fù)雜情況,也相應(yīng)提出了一系列的處理方法和技術(shù)措施[1] [2] [3]。
　　一、空氣錘的結(jié)構(gòu)及工作原理
　　空氣錘破巖分為旋轉(zhuǎn)破巖、沖擊破巖、沖旋破巖和旋沖破巖。帶空氣錘的空氣鉆井是在空氣旋轉(zhuǎn)破巖的基礎(chǔ)上，利用空氣錘的高頻沖擊提高破巖效率的一種沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)，兼容了空氣鉆井和沖旋鉆井的優(yōu)點。井底巖石主要是在鉆壓、沖擊力和旋轉(zhuǎn)剪切力的共同作用下產(chǎn)生破碎的，它兼容了氣體鉆井和沖擊回轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)勢,其機械鉆速一般比回轉(zhuǎn)鉆井高,是當今解決硬巖鉆井難題的一種有效方法[4]。
　　KQC系列空氣錘采用無閥式中心排氣結(jié)構(gòu)，可以保證有足夠的氣量直達井底，起到冷卻鉆頭和深井攜屑的作用。無閥式結(jié)構(gòu)的配氣氣路簡單，減少了氣體壓力的損失，有效地提高了沖擊效果，加快了鉆進速度。其原理是鉆機通過鉆桿對井底空氣錘施加鉆壓和轉(zhuǎn)矩，空壓機產(chǎn)生的高壓氣體驅(qū)動空氣錘內(nèi)的活塞，高速往復(fù)運動（800～1900次/分鐘），敲擊鉆頭頂端，并將活塞的沖擊功傳導(dǎo)到鉆頭端面，破碎巖層。同時，鉆桿旋轉(zhuǎn)，使鉆頭端面敲擊孔底不同位置，分別破碎。由此可以看出，空氣錘主要是沖擊破碎，而非牙輪鉆頭的碾壓破碎。這種破巖方式要求的鉆壓和轉(zhuǎn)矩較低,有效地降低了井斜,減少井下事故的發(fā)生。
　　二、空氣錘鉆井技術(shù)參數(shù)的確定
　　1、鉆壓的確定
　　根據(jù)波動理論知道，空氣錘在沖擊鉆進時，空氣錘鉆頭單次沖擊結(jié)束后會反彈回來，為了防止空氣錘反彈離開井底巖石，需要在空氣錘上施加鉆壓。此外，施加鉆壓有助于沖擊應(yīng)力波有效傳遞到巖石上進行破巖。但是空氣錘對鉆壓要求很高，如果施加鉆壓過大，空氣錘鉆頭齒與巖石接觸過于緊密，一方面不便于旋轉(zhuǎn)，增加了鉆具扭矩，增加了鉆具事故的可能性；另一方面使得鉆頭齒處于高度研磨狀態(tài)，加重對空氣錘鉆頭齒的磨損，影響空氣錘鉆頭使用壽命。如果施加鉆壓較小，就會出現(xiàn)空氣錘鉆頭沖擊時反彈，一方面浪費了部分沖擊能，降低對巖石的破碎效果；另一方面反彈回來的沖擊能消耗在空氣錘零部件的振動上，加重零部件的振動破壞。如果鉆壓過小，嚴重時還會出現(xiàn)花鍵的冷焊現(xiàn)象，影響空氣錘的使用壽命[5] [6] 。
　　因此，根據(jù)現(xiàn)場空氣錘應(yīng)用經(jīng)驗，一般鉆壓根據(jù)以下經(jīng)驗公式：
　　(1)
　　其中：
　　F：鉆壓，KN；
　　A：鉆壓系數(shù)，KN/mm，一般取0.09；
　　D：鉆頭的尺寸，mm；
　　當然上述公式不是絕對的，現(xiàn)場作業(yè)時只是作為推薦值。一般鉆壓維持在推薦值左右為好。311.2mm的空氣錘鉆頭鉆進時，加載鉆壓推薦值應(yīng)為28KN。
　　2、 轉(zhuǎn)速的計算
　　空氣錘鉆井主要以沖擊動載來破碎巖石，旋轉(zhuǎn)僅是為了改變鉆頭齒破巖的位置，所以合理的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)保證在最優(yōu)的鉆頭牙齒沖擊間隔范圍內(nèi)破碎巖石。
　　根據(jù)現(xiàn)場空氣錘應(yīng)用經(jīng)驗，一般轉(zhuǎn)速根據(jù)以下經(jīng)驗公式：
　　(2 )
　　其中：
　　R：轉(zhuǎn)速，r/h；
　　b：轉(zhuǎn)速系數(shù)，r/m，一般取96；
　　：鉆進機械鉆速，m/h；
　　空氣鉆機械鉆速為25m/h鉆進時，推薦加載轉(zhuǎn)速應(yīng)為2400r/h，即為40r/min。
　　3、 最小氣體排量的確定
　　注入氣體的作用是為空氣錘提供活塞運動的能量和井底攜砂以及冷卻鉆頭。氣量的選取首先應(yīng)滿足所鉆井眼所需的氣量，其次根據(jù)所需氣量和井眼大小來選擇匹配，注氣量一般在80-270m3/min不等。若供氣量不足，立壓過低，將會導(dǎo)致空氣錘的沖擊頻率和沖擊能都較低，影響鉆速。若供氣過多，立壓過高，對空壓機的要求將提高，同時在接單根時注氣時間較長，影響鉆井周期。
　　根據(jù)空氣鉆井的經(jīng)驗,有效攜巖所需要的最小環(huán)空速度在標準狀態(tài)下為15.24 m/s,可利用動能計算公式求出空氣有效攜巖所需的最小動能。只要保證井眼任意位置的空氣所具有的動能大于最小動能,就能確?？諝忏@井的正常進行[7]。鉆鋌頂部是空氣能量最小的部位,也是巖屑易于積聚的部位,必須保證該部位空氣的動能大于最小動能。由此可推導(dǎo)出最小氣體流量的計算公式[8]。
　　 (3)
　　需要說明的是，上式為隱函數(shù),需要采用迭代法來求解。標準狀態(tài)指國際標準狀態(tài),即壓力101.325KPa,溫度15攝氏度。利用公式（4）計算出的氣體排量為標況下的排量,而實際井口條件下的排量還需要進一步的校正,校正公式為:
　　(4)
　　三、實際應(yīng)用情況
　　元壩九龍山南鼻狀構(gòu)造帶部署的兩口井元陸8井、元陸25井在遂寧、上沙溪廟地層分別應(yīng)用成都諾爾空氣錘及江漢產(chǎn)HJT527GK牙輪鉆頭，兩口井地理位置相距4KM。

　　由上表分析，在相同的地區(qū)的兩口鄰井，相同的鉆井隊進行施工，空氣錘在機械鉆速和控制井身軌跡方面優(yōu)勢明顯。根據(jù)元壩地區(qū)地層分析，在上沙溪廟上部以上地層應(yīng)用空氣錘進行空氣鉆進，在上沙溪廟下部地層為避免復(fù)雜應(yīng)用牙輪鉆進行空氣鉆進。
　　結(jié)論
　　1、元壩部分地區(qū)空氣鉆井存在部分地區(qū)提速效果差、井眼軌跡控制難、鉆進中復(fù)雜情況頻繁的問題，這幾個問題本身又相互制約相互影響，通過對鉆頭選型以及鉆井下放次序進行優(yōu)化可同時解決這些問題。
　　2、根據(jù)空氣錘結(jié)構(gòu)及鉆進工作原理，同時結(jié)合鉆井現(xiàn)場實踐，給出計算鉆壓、轉(zhuǎn)速的經(jīng)驗公式，計算結(jié)果能滿足現(xiàn)場工程需求。根據(jù)井深、井眼尺寸、攜巖效果確定最優(yōu)氣體排量。
　　3、元壩地區(qū)由于下沙溪廟組底部地層容易垮塌,部分井還有出水情況發(fā)生, 建議在上沙溪廟上部以上地層應(yīng)用空氣錘進行空氣鉆進，在上沙溪廟下部地層為避免復(fù)雜應(yīng)用牙輪鉆進行空氣鉆進。