空气锤钻井技术在哈深201井火成岩地层的应用

许军富 赵洪山 于海叶 徐永辉 李东昊

1.中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院；3.中国石化胜利油田分公司油气开发管理中心；4.西南石油大学

准噶尔盆地哈山区块钻遇地层主要以火成岩为主，针对火成岩岩性复杂、研磨性强、可钻性差等钻井难点［1-4］，“十二五”期间，胜利油田通过优化火成岩气体钻井参数、气体钻井井身结构，研制高效抗盐、抗油发泡剂，形成了火成岩空气/泡沫+牙轮钻井技术。在HS2井、HS3井开展了气体钻井试验，取得了良好的提速效果。现场实践表明，气体钻井是目前火成岩地层最有效的提速手段［5-7］，但是钻井期间仍然存在着牙轮钻头破岩效率低、单只钻头进尺少等技术难题。

受山前构造运动、外来推覆体等影响，哈山山前带地层倾角较大（25°以上），气体钻井期间通常采用塔式钻具组合、加密测斜以及吊打结合的方式进行施工，一旦井斜较大而必须使用小钻压钻进时，将会导致以“压碎”破岩为主的牙轮钻头破岩效率显著降低。例如，HS2井一开Ø444.5 mm井眼初期使用牙轮钻头钻进时钻压100～120 kN，平均机械钻速1.52 m/h；当钻进至井深412 m时，由于测斜时井斜达到了1.6°，为确保上部井眼打直，一直施加40～80 kN钻压、井斜保持在1°左右进行钻进，此时平均机械钻速为0.91 m/h，较之前降低了40%，破岩效率明显降低。

根据录井岩屑识别结果，哈山区块火成岩岩石类型较多，主要为凝灰岩、安山岩、玄武岩，局部夹杂有火山角砾岩、砂砾岩等岩性，加之实钻过程中蹩跳钻较为严重，牙轮钻头使用过程中容易造成牙齿崩齿和断齿，轴承、壳体及钻头外径严重磨损，从而造成频繁起下钻更换钻头。HS2井由于全井段钻遇石炭系火成岩地层，三个开次钻进期间分别使用了SKH517G、GJ515G、HJT537GK等多种型号高效牙轮钻头，均出现了牙轮钻头齿顶、外排齿等位置磨损严重现象，尤其是三开深部火成岩地层，牙轮钻头平均寿命37.81 h，平均单只钻头进尺仅26.78 m，严重影响了火成岩地层的气体钻井速度。

通过采集HS2、WC1井火成岩岩心，开展了岩石力学特性室内实验，实验表明，火成岩岩石硬度高达 2 504.23～2 905.45 MPa，抗压强度最高 333 MPa，塑性系数为1.10～1.33，表明准噶尔盆地火成岩硬度高、脆性强，属于硬脆性岩石，适宜采用冲击钻井破岩技术进行提速［8-13］；另外，由于其牙轮钻头可钻性级值普遍大于8级，表明火成岩地层可钻性较差，且使用牙轮钻头钻进时应用效果并不理想。

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（800～1 900 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［14-15］。当使用空气锤钻井时，在空气锤活塞高频冲击动载的作用下，位于钻头底部的复合球齿可使齿尖下面的岩石瞬时达到屈服极限，同时钻头低速回转通过不断改变球齿与岩石的接触位置，使得在接触点下面及周围进一步形成了相连的破碎区；加之气体钻井在井底形成的“负压”，不仅改善了井底岩石的应力状态，有利于岩石中裂纹的产生和扩展，而且减弱了井底岩屑的压持效应，从而使得井底岩石的“崩离”破碎充分发挥。因此与常规旋转钻井方式相比，空气锤钻井是一种以冲击加回转、静压（钻压）和动载联合破岩代替牙轮钻头静载压碎的高效气体钻井方式，能够使得快速钻进火成岩等硬脆性岩石成为现实。另外，由于空气锤钻进时所需要的钻压较低（一般在10～40 kN），并且空气锤活塞直接冲击钻头进行破岩，底部钻具不承受较大的轴向力，钻具变形较小，因此在火成岩地层中使用空气锤钻井，能够在提高机械钻速的同时，起到良好的防斜纠斜效果。

1 KQC型空气锤

KQC air hammer

KQC系列空气锤是一种无阀式空气锤，具有配气气路简单、气压损失小、冲击能量高的特点，同时采用中心排气结构设计，能够保证足够气量直达井底，起到冷却钻头和深井携岩的作用，近年来在四川、新疆等地区应用较为广泛。

1.1 空气锤结构和工作原理

Structure and working principle of air hammer

KQC180型空气锤主要由上接头、配气座、气缸、活塞及钻头等部件组成［16-17］，其中上接头通常与上部钻铤连接。空气锤钻井期间，高压气体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；当活塞上行过程中，由于配气座尾杆已经进入活塞上端中心通孔，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开始高速下行并冲击钻头顶端，此过程周而复始，从而可对钻头施加800～1 900 次/min高频冲击力实现高效破岩。

1.2 技术特点

Technical characteristics

（1）采用无阀式中心排气结构，配气气路简单，冲击能量高。

（2）低钻压、低转速特征有利于避免钻具磨损、疲劳断裂等情况发生。

（3）复合材料钻头齿及“三翼面”保径结构设计有效提高了坚硬地层空气锤钻头使用寿命。

（4）耗风量大，能够满足深井钻井的需要，并且随井深增加对钻速的影响较小。

（5）提离井底时能够自动停止冲击，同时可进行大风量吹气排屑。

（6）可以和其他钻具配合使用，实现多工艺钻进。

1.3 主要技术参数

Main technical parameters

目前，KQC型空气锤已经开发形成了适合不同井眼的产品系列，其中空气锤的主要技术参数如表1所示。

表1 KQC型空气锤的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of KQC air hammer

2 现场应用

Field application

针对前期哈山区块火成岩气体钻井采用牙轮钻头破岩效率低、单只钻头进尺少等问题，分别在哈深201井一开～三开井段开展了空气/雾化+空气锤钻井技术试验。以一开Ø444.5 mm井眼为例，空气锤钻井期间，采用的钻具组合为：Ø444.5 mm空气锤钻头+Ø275 mmKQC275空气锤体+Ø228.6 mm钻具止回阀+Ø228.6 mm钻铤×3根+Ø203.2 mm钻铤×6根+Ø127 mm加重钻杆×15根+Ø139.7 mm钻杆；钻井参数为：钻压10～40 kN，转速30～40 r/min，立压2.8～3.1 MPa；空气/雾化参数：空压机注气量 130.0～162.5 Nm3/min，雾化泵注液量 14～28 L/min，泡沫基液质量分数1.0%～4.0%。

钻进期间，通过加密测斜、加强扭矩监测，严格控制钻井参数，并根据井深和地层出水情况及时调整空气/雾化参数，保证了空气锤钻井的施工安全，最终哈深201井全井气体钻进井段51～3 322.64 m，气体钻井进尺2 369.53 m，其中使用空气锤13只，累计进尺2 106.99 m（占总进尺88.92%），平均机械钻速3.89 m/h，平均单趟钻进尺162.08 m，均较邻井HS2井气体钻井有了大幅提高，其中部分空气锤应用情况见表2。

表2 哈深201井部分空气锤应用情况Table 2 Application of air hammer in Well Hashen 201

空气锤钻井期间，哈山区块Ø444.5 mm井眼单趟钻机械钻速14.29 m/h，Ø311.2 mm井眼单趟钻进尺最高470.62 m，通过加强井斜监测，实时调整钻井参数，井斜始终控制在2°以内，起到了很好的防斜打快效果。

图1、图2分别给出了哈深201井不同开次牙轮钻头气体钻井和空气锤钻井的平均机械钻速和单趟钻进尺对比情况。可以看出，哈深201井一开Ø444.5 mm井眼应用空气/雾化+空气锤钻井，其平均机械钻速和单趟钻进尺分别为9.87 m/h和128.79 m，分别较同尺寸井眼牙轮钻头气体钻井提高了16.02倍和10.09倍；二开Ø311.2 mm井眼空气锤平均机械钻速和单趟钻进尺分别为6.15 m/h和235.82 m，分别较牙轮钻头气体钻井同比提高了4.21倍和6.42倍；三开Ø215.9 mm井眼空气锤平均机械钻速和单趟钻进尺分别为1.93 m/h和129.71 m，分别较牙轮钻头气体钻井同比提高2.45倍和6.63倍，表明空气锤钻井对于准噶尔盆地火成岩地层的钻井提速具有更加明显的应用效果。

图1 哈深201井不同开次牙轮和空气锤机械钻速对比Fig. 1 ROP comparison between cone bit and air hammer in different spuds of Well Hashen 201

图2 哈深201井不同开次牙轮和空气锤单趟钻进尺对比Fig. 2 Single-trip drilling footage comparison between cone bit and air hammer in different spuds of Well Hashen 201

另外，尽管哈深201井空气锤钻井取得了显著的提速效果，但是钻井期间仍然存在以下几个方面的技术问题：

（1）由于火成岩硬度高、可钻性差，多只空气锤使用寿命（纯钻时间）低于60 h，并且起出后出现保径齿和外排齿崩齿掉齿、严重磨损以及导气尾管损坏等现象，表明现有空气锤仍不能很好地适用于火成岩地层。哈深201井一开钻进至井深314.83 m时，由于钻压、立压、扭矩等钻井参数出现异常升高现象，同时发现排砂口失砂，决定起钻检查，发现空气锤导气尾管已经损坏。

（2）当地层出水量较大（≥30 m3/h）时，由于雾化钻井携水能力有限，并且较空气/泡沫钻井所需的气量更大，环空中主要以大段气液段塞形式存在，当到达地面排砂管线时，气液段塞交替返出将对地面设备产生较大冲蚀磨损，不利于气体钻井作业安全。哈深201井在二开钻井期间便因此多次发生排砂管弯头刺坏、录井捞砂挡板冲蚀磨损的现象，不得不提前结束空气锤钻井作业。

（3）由于空气锤钻井不能进行划眼、倒划眼作业，一旦钻遇出水较大地层或井壁失稳掉块时，将不得不起钻更换牙轮钻头处理复杂情况。哈深201井三开空气锤雾化钻进至井深3 322.64 m时，当接完单根下放期间发生遇阻，开转盘扭矩波动较大，且返砂量和掉块颗粒较大，将注气量由130 Nm3/min增至162 Nm3/min，情况仍没有明显改善，为保证井下安全而不得不起钻更换牙轮钻头进行划眼。

（4）当地层出水量较大时，由于每次起下钻、测斜、检修等静止作业时间过长，常常导致井底大量积水，从而需要关闭半封气举排液，一定程度上增加了作业时间、降低了钻井时效，同时气体介质中断循环后，地层水浸泡井壁及大颗粒岩屑、局部掉块不能及时携带，将进一步加剧井壁失稳和井下施工风险，因此，建议今后配套连续循环系统辅助气体钻井施工。

3 结论与认识

Conclusions and cognitions

（1）火成岩属于硬脆性岩石，岩石坚硬、研磨性强，且其牙轮钻头可钻性级值普遍大于8级，采用牙轮钻头破岩效率低、单只钻头进尺少，制约了准噶尔盆地火成岩气体钻井速度，空气锤钻井兼具气体钻井和冲击钻井二者优势，同时其具有低钻压、低转速、高频率的特点，与牙轮钻头气体钻井相比，能够在有效控制井斜的同时，显著提高硬脆性岩石钻井速度，是实现火成岩地层防斜打快的一种有效手段。

（2）建议进一步研制适用于火成岩的高效长寿命空气锤，同时配套连续循环系统辅助空气锤钻井施工，充分发挥其机械钻速快、使用寿命长的技术优势，进一步提升火成岩地层空气锤钻井的应用效果。

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