多工艺空气反循环钻进中气盒子的应用及改进

孔令沪，程林，满国祥，王克虎

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081；2.河北石探机械制造有限责任公司，石家庄 050081)

0 引言

多工艺空气反循环钻进工艺以其钻进速度快、排渣快捷干净、能适应不稳定和复杂地层及节约成本等优点，在钻探领域受到越来越多的青睐。多工艺空气反循环钻进主要包括空气反循环钻进和气举反循环钻进，多工艺空气反循环钻进工艺的实施必须通过双壁钻具来实现，双壁钻具主要由水龙头、气盒子、双壁钻杆、气水混合器及正反转换装置等组成。其中，气盒子是多工艺空气反循环钻进用双壁钻具系统的重要组成钻具，其使用效果在施工中也受到越来越多的重视，改进气盒子结构，提高钻进效率迫在眉睫。

1 气盒子的应用

多工艺空气反循环钻进中，压缩空气通过气盒子进入双壁钻杆的环状间隙，沿环状间隙到达孔底钻具，通过孔底钻具流向双壁钻杆内管中，并携带岩屑从内管上返至地面。气盒子是多工艺空气反循环钻进重要连接部件，承担了井下整套钻具的重量和钻进时的扭矩；同时，还为作为钻井介质的高压空气提供进入双壁钻具环隙的进气通道；此外，还是内管上返钻渣的连接通道。由于当前使用的气盒子大多存在着密封效果不好，主轴容易发生磨损等问题，难以满足实际工作需要，因此，改进气盒子的结构来保证施工势在必行。

2 气盒子改进后的结构

改进后的气盒子结构如下图1所示。

图1 新型气盒子结构图

气盒子空心结构的主轴侧面设置有与外部进气孔相通的进气通道，另一端用于连通双壁钻杆的环状间隙。内管位于主轴内部，内管外壁和主轴内壁与所围成的环状间隙形成进气通道，内管内部形成出料通道，用于排出钻井底部的废料。耐磨套设置在主轴的外侧，与主轴周向固定连接，耐磨套内壁与主轴外圆密封连接。气室设置在耐磨套的外侧，气室内侧的两端与耐磨套外圆两端通过密封圈分别密封连接，气室的侧面设置有与外部气源相通的进气孔，气室内侧沿周向设置有环形通道。密封圈轴向方向通过气封支管固定，气封支管上还设置有通气孔，可以确保外部气源通过气封支管、耐磨套进入主轴内壁和内管外壁之间的环形空间。新型气盒子实物照片见图2。

图2 新型气盒子实物照片

3 改进后新型气盒子的特点

主轴的外轴内部和内管外壁形成进气通道，内管内部为出料通道，并且将内管置于外轴内部的一端与外轴内壁之间密封安装，结构简单，易于实现，增加了气盒子的实用性。

利用对称安装的两个密封圈对主轴和耐磨套之间进行密封，并且将气封支管安装在两个密封圈之间，使气封支管对密封圈起到支撑作用，从而使两个密封圈不会发生偏移，保证良好的密封效果，进而提高气盒子的可靠性。第一个密封圈远离第二个密封圈的一侧由气室端盖进行轴向定位，第二个密封圈远离第一个密封圈的一侧由气室进行定位，两个密封圈均实现了双向的轴向定位，提高了密封圈定位的可靠性。利用气室端盖子口将第一个密封圈远离第二个密封圈的一侧挤紧，由于气封支管在两个密封圈之间起到了支撑作用，且第二个密封圈远离第一个密封圈的一侧有气室对其进行支撑，使得两个密封圈轴向被压缩，使两个密封圈径向与耐磨套之间接触的更为紧密，提高了密封效果。同时，通过调节气室端盖口压紧程度可以使两个密封圈即使在发生一定程度磨损后也能保证其密封效果，延长了气盒子的使用寿命。

轴承座与气室通过毡圈密封，与耐磨套通过一个密封圈密封，与主轴通过一个O形圈密封，使轴承中的润滑油不会进入气室中，保持气室清洁，进而保证压缩气体可以顺利通过气室。

安装时，先将耐磨套安装在主轴上，主轴上安装挡圈处凹槽的设置，为键提供了安装空间，使键对主轴和耐磨套进行周向固定，使得主轴和耐磨套可同步转动。挡圈和耐磨套之间通过螺栓紧固连接，利用弹性挡圈对键和耐磨套进行轴向定位，使得主轴和耐磨套转动时，挡圈可以随主轴和耐磨套同步转动，主轴和挡圈之间不会发生相对转动和松脱，从而保证主轴和耐磨套转动时的轴向定位效果。

4 新型气盒子使用优点及现场应用

使用时，气盒子靠近轴承的一端连接动力源，气盒子远离轴承的一端连接双壁钻杆，利用外部气源向气室通入压缩空气。压缩空气经过气室内部、气封支管、耐磨套进入主轴内壁和内管外壁之间的环形空间，进而进入双壁钻杆的环状间隙，并沿着双壁钻杆的环状间隙到达孔底钻具，通过孔底钻具流向双壁钻杆的内部，并携带岩屑从双壁钻杆的内部上升至出料通道，进而上升至地面。

传统的气盒子的气室和主轴之间直接进行密封连接，使得主轴在转动时极易发生磨损，降低了主轴的使用寿命。改进后的气盒子在内管和主轴之间安装耐磨套，并使耐磨套和主轴在周向固定，使耐磨套与气室之间密封连接。在主轴进行转动时，使得摩擦发生在耐磨套与气室之间，主轴不会被磨损，即使在耐磨套由于长时间工作发生磨损时，也可将耐磨套进行更换，增强了可靠性。在拆下挡圈之后即可直接拆卸、更换耐磨套，大大降低了维修难度。

2019年，贵煤新锐地勘公司使用雪姆130钻机配套168 mm/80 mm 双壁钻具在重庆市南川区进行页岩气生产井施工，采用了我公司研制的新型气盒子。在空气反循环钻井施工中，经多次对比试验，最终选定的定制高耐磨、耐高温密封圈达到了使用寿命长的设计要求，满足了施工应用需求。

5 结语

在现场施工应用中，新型气盒子使用效果反馈很好，整体密封性可靠，且不用更换主轴，只需视情况更换耐磨套和密封圈，节约了维修的时间与成本。改进后的新型气盒子结构已得到客户的认可，并获得国家实用新型专利，将逐渐得到更广泛的应用。同时，密封质量更好、使用寿命更长的密封圈正在设计试制中，这种新型气盒子将更加适应市场的需求，现场施工也将更方便快捷。