空氣錘鉆井機械比能計算方法

李昌盛 楊傳書 馬英

1. 中國石化石油工程技術研究院；2. 中國石化西北油田分公司石油工程監督中心

空氣錘鉆井是指用聯接在鉆頭上的空氣錘對鉆具施加壓力并同時回轉，予鉆頭以高頻沖擊能量，進行沖擊回轉的鉆井方式。空氣錘鉆井具有低鉆壓、低轉速和扭矩平穩的特點，可以顯著提高鉆速和有效控制井斜，并兼顧了氣體鉆井對儲層傷害小的優點。因此，這種鉆井方式在鉆進高陡和硬質巖層的過程中得到了廣泛使用［1］。機械比能是采用鉆壓、鉆速、轉速、鉆頭扭矩和鉆頭直徑等參數計算得到的一項評估破巖效率的綜合指標，代表鉆頭破碎單位體積巖石所做的功，可以作為量化評價鉆井效率的關鍵依據。筆者基于機械比能理論，結合空氣錘鉆井工作原理，建立了空氣錘鉆井機械比能計算模型，并開發了相應軟件。現場實例證明，該模型的計算結果與現場工況相符，可以用于分析空氣錘鉆井效率和鉆頭工作情況，進而調整鉆井參數，優化空氣錘結構，達到優化鉆井的目的。

1 空氣錘鉆井破巖機理

空氣錘是將輸入的持續性的高壓氣體能量轉化為間歇性的脈沖力輸出的一種機械裝置，它主要由兩大部分組成：沖擊器部分(包括上接頭、逆止塞、配氣尾管、塞座、排氣眼、活塞、節流塞、保持環、花鍵接頭)和沖擊鉆頭，如圖1所示。

圖1 空氣錘結構Fig. 1 Structure of air hammer

空氣錘鉆進是以鉆頭沖擊破碎巖石取代了切削巖石，以動載沖擊代替了靜載研磨，以巖石的體積破碎代替了研磨剪切破碎。工作時空壓機通過壓縮空氣產生高壓氣體，高壓氣體達到上接頭，推開逆止塞，進入空氣錘外殼與缸體之間的環空氣道，然后經缸體的排氣眼進入空氣錘下腔，推動活塞上行并與保持環脫離，導致活塞的上氣槽對準缸體的排氣眼，高壓氣體經活塞上氣道進入空氣錘上腔。由于上腔內的配氣尾管已經進入活塞上端中心通孔，將上腔密封，上腔內壓力迅速上升。當活塞運動至上死點后就開始高速下行，進而沖擊鉆頭上端。在活塞沖擊鉆頭之前，尾管與活塞脫離，空氣錘上腔內的高壓氣體經活塞中心通孔泄向孔底。在活塞沖擊鉆頭時，活塞下氣槽又與缸體的下排氣眼對準，高壓氣體重新進入空氣錘下腔，這個過程周而復始，最終實現活塞在高壓氣體的作用下做高頻往復運動，不斷地沖擊鉆頭尾部［1］。在沖擊力的作用下，帶動位于鉆頭底部的復合球齒沖擊井底巖石并壓碎鑿入一定深度，形成一道凹痕。活塞返回后鉆頭回轉一定角度，之后活塞又開始向前運動，再次沖擊鉆頭尾部，又形成一道新的凹痕。兩凹痕之間的扇形巖塊被由釬頭上產生的水平分力剪碎。活塞不斷地沖擊鉆頭，并從鉆頭的中心孔連續釋放高壓空氣，從而將巖屑攜帶出井底。

2 空氣錘鉆井機械比能計算模型

2.1 常規機械比能理論分析

R. Teale通過對不同類型的巖石采用不同鉆頭進行大量鉆進實驗［2］，提出了機械比能理論，其物理意義為：破碎單位體積巖石所需的能量。機械比能的表達式為

該理論考慮了鉆壓、轉速、鉆頭直徑、機械鉆速、鉆頭扭矩等因素對鉆頭工作效率的影響，可以定量地反映出井下的鉆井破巖效率［3］。其中鉆頭扭矩只能通過室內微鉆頭實驗或是旋轉導向系統測量得到，一般鉆井現場地面測得的都是轉盤扭矩，而無法直接獲取鉆頭扭矩。因此，為了獲得鉆頭扭矩，特將鉆頭作簡化處理，并引入鉆頭特定滑動摩擦因數μ［4］，得到簡化后的鉆頭扭矩求解公式［5］

式中，Tb為鉆頭扭矩，kN · m；μ為鉆頭特定滑動摩擦因數，無量綱，其取值根據鉆頭類型不同而有所不同［2］，三牙輪鉆頭取0.25，PDC鉆頭取0.5。

2.2 機械比能模型修正

空氣錘鉆井的破巖方式主要是沖擊回轉，鉆進過程中用壓縮空氣作為動力推動空氣錘活塞對鉆頭和巖石產生動載碎巖，同時鉆具低速回轉，實現井底全面鉆進［4］。因此，空氣錘鉆井井下破碎巖石的能量主要來源于三個方面所做的功：空氣錘沖擊、鉆壓和扭矩。由于鉆頭旋轉的主要目的是改變牙齒與巖石的接觸位置，擴大巖石破碎體積，鉆頭沖擊才是巖石破碎的主要原因，因此空氣動力雖然對于井底攜巖非常重要，但是空氣沖擊井底對于破碎巖石的能量貢獻卻很小，因此在這里忽略不計。

基于R. Teale機械比能方程，分析空氣錘鉆井的破巖機理，建立每次沖擊的空氣錘鉆井機械比能方程

式中，Eh為空氣錘沖擊能，J；EW為鉆壓引起的軸向能，J；ET為鉆頭旋轉動能，J；Vuv為每分鐘破碎巖石單位體積，可以用井底面積A與機械鉆速vROP的乘積表示，m3。

將式(3)進一步細化

第二，深厚的民族文化資源。張家界地區共有33個少數民族、以土家族、白族、苗族為主。多民族的風土人情成為張家界旅游演藝產品的主要素材，激發了創作者對旅游演藝產品開發的思路，也為旅游演藝產品增添了特色的民族文化。

式中，A為井底面積

根據前人研究成果和現場實踐可知，空氣錘鉆井井底破巖能量的60%以上都來自于空氣錘的沖擊做功［6］。空氣錘在每個沖程沖擊鉆頭本體的過程中，一部分能量經過鉆頭傳至井底巖石用于破巖，剩余的部分能量使得空氣錘反彈回來。理論上可以把空氣錘視作一臺氣動引擎，則每分鐘該引擎傳遞的能量為

式中，Era為活塞向下沖程的初始動能，J；ηtr為能量傳遞效率。

Era的大小取決于高壓氣體能量有多少轉化為空氣錘內活塞的動能，由于空氣錘內腔體形狀和井底巖石力學性質的不同，一部分應力波將被井底巖石吸收導致破巖，而剩余應力波返還給空氣錘本體。

式中，νpA為活塞沖擊速度［6］，m/s；νpB為活塞反彈速度，m/s；e為恢復系數；F為沖擊頻率，指活塞每分鐘對鉆頭的沖擊次數，次/min；mp為活塞重力，N。

最終的空氣錘鉆井機械比能計算公式為

2.3 能量傳遞效率ηtr求取

能量傳遞效率ηtr是空氣錘設計中的一個重要指標，它代表傳遞給鉆頭的能量占初始活塞總動能的比例，返還給活塞的剩余能量大小直接影響了活塞沖程的長短和沖程的時間間隔，返還回活塞的能量越多代表轉換為鉆頭動能越少，能量損耗越多，活塞效率越低。根據動量守恒原理和能量守恒原理：

式中，mp為活塞重力，N；mb為沖擊鉆頭重力，N；νpA、νpB為活塞起始和終止的運動速度，m/s；νbB為鉆頭速度，m/s；ET為初始總能量，J；EP為返還給活塞的剩余能量，J；ER為通過鉆頭傳遞給巖石的能量，J。

由此得到

結合X. Li等的研究成果［7］，進一步推導，最終得到能量傳遞效率的計算方程。

β?0.5πα/(α?1)0.5

當α＞1且 時

β<0.5πα/(α?1)0.5

當α＞1且 時

其中

式中，α、β為系數；ρ為鉆頭鋼材密度，g/cm3；c為沖擊波一維方向上的速度，m/s；K為巖石沖擊阻抗系數，MN/m，根據巖石抗壓強度給定，高抗壓強度巖石(大于200 MPa)取250，中抗壓強度巖石(80～200 MPa)取90，低抗壓強度巖石(小于80 MPa)取50，巖石抗壓強度在缺少巖心實驗或測井解釋無法獲得情況下，可通過表1進行初步選定K值；τ為沖擊時間，s；Ap為活塞的橫截面積，mm2；c為軸向應力波傳播速度，m/s。

表1 常規巖石抗壓強度范圍Table 1 Compression strength of conventional rock

3 應用實例

元壩陸相地層為雙壓力體系，砂泥巖互層，巖石硬度變化大，存在較大地層傾角。上沙溪廟和下沙溪廟等地層多為泥巖或粉砂巖，井壁易坍塌，而自流井等地層礫巖發育，對鉆頭研磨嚴重，因此在元壩多口陸相井鉆井過程中都使用了空氣錘鉆井，在提速和防斜方面效果顯著。以元陸X井為例，空氣錘鉆進井段為3 700～4 800 m，所使用鉆具組合為：?311.2 mm空氣錘(RKQC275-II)×1.92 m+730×730接頭×0.82 m+731×730浮閥×0.80 m+?228.6 mm鉆鋌×52.59 m+731×630接頭×0.48 m+?203.2 mm鉆鋌×69.65 m+631×410接頭×0.48 m+?177.8 mm鉆鋌×53.73 m+411×410旁通閥×0.44 m+?127 mm 18°DP+411×410方保×0.99 m+411×410下旋塞×0.44 m+方鉆桿，穿越地層為蓬萊鎮組、遂寧組和上沙溪廟組，巖性以粉砂質泥巖和粉砂巖為主，進尺1 497 m，純鉆時間65 h，平均機械鉆速23.03 m/h，分別為鄰井元壩27井、元壩204井該層位空氣鉆井速度的2.20倍、2.90倍，其采用空氣錘的性能參數如表2所示，外觀見圖2。

表2 空氣錘規格及參數Table 2 Specifications and parameters of air hammer

利用上述模型研發相關軟件，根據該井的工程和地質參數，得到計算結果，由圖3可以看出，空氣錘鉆井的機械比能和能量傳遞效率ηtr基本呈相反變化趨勢，4 540～4 600 m井段顯示ηtr出現峰值，機械比能較小，證明該井段空氣錘鉆頭鉆井效果較高，實際鉆速也相對較高；4 750～4 800 m井段顯示機械比能出現峰值，ηtr較低，鉆速也相對降低，現場錄井顯示地層巖性沒有發生明顯變化，因此空氣錘鉆頭可能出現了損壞或者配置參數不合理的問題，經檢查調整空氣排量并循環，鉆速恢復到正常水平。

4 結論

(1)提出了一種適用于空氣錘鉆井的機械比能計算模型，考慮了空氣錘沖擊能、鉆壓引起的軸向能和鉆頭旋轉動能對鉆頭做功變化的影響，彌補了傳統機械比能模型的不足。

圖3 元陸X井使用空氣錘井段的機械比能監測情況Fig. 3 Monitored mechanical specific energy in the hole section with air hammer in Well Yuanlu X

(2)引出了能量傳遞效率ηtr，該參數是對空氣錘沖擊能的能量損耗評估，綜合考慮了巖石力學性質、空氣錘和鉆頭特性參數，使得空氣錘沖擊能計算更加合理。

(3)利用空氣錘鉆井機械比能評估目前空氣錘鉆頭鉆進效率，進而實現優化鉆壓、轉速等鉆井參數，可達到施工過程中優化鉆井的目的。