空气锤研制及应用技术中国石油勘探开发研究院机械所一、概况空气锤钻进方法是指用联接在钻头上的空气锤对钻具施加压力并同时回转，予钻头以高频冲击能量，进行孔底冲击回转钻井。

这种方法比一般回转钻进效率高，孔内事故少，工程成本低。

因此，空气锤钻进方法，在钻进中硬以上岩层的工程中正在扩大使用范围。

三十年代中期开始发展起来的空气锤，经过不断改进和完善，已经在一些发达国家广泛应用。

在上个世纪五十年代末已经开始用于深井钻进。

在此期间，美国在3000—3500m的深井中，成功地进行了空气锤的钻进。

在前苏联，1975年已有约30万米以上的工作量是用空气锤钻进完成的。

国产空气锤的使用，已有二十多年的历史。

1978年，在VIII~X级的凝灰岩和辉绿岩中钻成了三口水井，其深度分别为50.3、45.5和64m，这是我国用空气锤钻进最早的一次实践。

从这时起，国内在水文、地质、地面工程等领域开始广泛应用这一技术，并表现出该项技术具有强大的市场竞争力。

在石油钻进领域，我国在上世纪九十年代初，进行了一次探索性试验。

用英格索兰公司的空气锤，在井深1000米的井下钻进。

由于各方面技术条件限制，没有取得预期的效果。

由于石油钻探生产条件和技术条件与水文、地质勘探、地面工程不同。

因此，给空气锤在石油钻探领域的应用提出了新的要求。

本课题的目的就是根据石油钻探特点，研制出适合石油钻探的新型空气锤。

二、空气锤工作原理与性能参数1.空气锤的分类空气锤的结构形式很多。

按排气方式的不同，可分为中心排气式和旁侧排气式。

按配气装置的不同，可分为阀式和无阀式。

中心排气的阀式空气锤简称为阀式空气锤。

早期的空气锤均为阀式。

它具有结构简单，维修方便等优点，但功能特性不如无阀式空气锤。

特别是不能适应石油钻井要求的大排气量、高压力的条件。

中心排气的无阀式空气锤简称为无阀式空气锤。

它是一种结构简单而性能更为先进的空气锤。

其主要结构特点是利用空气锤本身结构的特点配气。

由于石油油井深，钻进时需要较大的气量携带岩屑。

无阀式空气锤更能适合大排气量工况。

2.空气锤的工作原理图1为本课题研制的无阀式空气锤示意图。

图1 无阀式空气锤示意图1-上接头 2-逆止塞 3-密封垫 4-外壳 5-环空气道6-下排气眼 7-空气锤下气道 8-下腔 9-限位阀 10-钻头 11-外壳接头 12-塞座 13-弹簧 14-节流塞 15-配气尾杆 16-上腔 17-空气锤下气道 18-上排气眼 19-中排气眼 20-上气槽21-活塞 22-下气槽 23-缸体 24-钻头尾管 25-弹簧圈 26-花键接头压缩空气到达上接头1，推开逆止塞2，进入空气锤外壳4与缸体23之间的环空气道5，然后经缸体的下排气眼6和活塞下气槽22及活塞下气道7进入空气锤下腔8，推动活塞21上行。

当活塞下端与钻头10的尾管24脱开时，下腔内的压缩空气经尾管及钻头的通孔排往孔底。

此时，活塞上气槽20对准缸体的中排气眼19，压缩空气经活塞上气道17进入空气锤上腔16。

由于处于上腔内的配气尾杆15已经进入活塞上端中心通孔，将上腔封闭，上腔内压力迅速上升。

当活塞行至上死点后即开始高速下行，冲击钻头上端。

在活塞冲击钻头之前，尾杆与活塞脱离，上腔内的压缩空气经活塞中心通孔泄向孔底。

在活塞冲击钻头时，活塞下气槽又与缸体下排气眼对准，压缩空气重新进入空气锤下腔，此过程周而复始，实现对钻头以一定频率的连续冲击。

在必要时，将空气锤提离孔底，钻头下伸而悬挂于限位圈9，活塞座在钻头上端而停止冲击。

处于这种悬吊状态，缸体的上排气眼18与上腔连通，压缩空气全部直送孔底，强力清除孔底岩屑或排除孔内积水。

3.空气锤性能参数(1) 冲击功计算空气锤的冲击功指的是单次冲击功，在某种程度上它能表明空气锤工作的能力。

图2为空气锤冲击功参数计算示意图。

图2 空气锤冲击功参数计算示意图工作行程时，作用在活塞左端面的力为0212011)(4p d D p F P −==π（公斤） （2-1）式中p 0——压气管路压力（公斤/厘米2）F 1——工作行程时活塞有效受压面积（厘米2）D ——活塞直径（厘米）d 1——活塞与配气座下端密封处直径（厘米）在工作行程接近终了时，活塞所具有的能量，即冲击功为S p K d D S P K A A A 02121)(4−==π（公斤·米） （2-2）式中S ——活塞的设计行程（米）K A ——冲击功修正系数，考虑气缸中压力变化和前腔反压力的影响以及活塞行程和机械损失的数值。

一般空气锤K A 值在0.45~0.55之间。

由上式看出，在压气压力一定的情况下，活塞的冲击功与活塞冲程时的有效面积、活塞行程成正比。

当增大活塞直径和行程时，冲击功增大，但也将使机器尺寸加大，重量增加。

因此在选定这些参数时，可类比国内外先进经验，做到恰当合理。

提高压气压力乃是目前的一种发展趋势。

(2) 冲击频率计算冲击频率是指活塞每分钟对钻头的冲击次数。

因此，冲击频率也是表明空气锤工作能力的重要性能参数之一。

在计算冲击频率时，除前述设定的参数外，还设定活塞在压气作用下，初速为零，然后以等加速度运动。

工作行程时，在力P 1作用下，活塞的加速度为m P a 1= （米/秒2） （2-3）式中m ——活塞的质量(公斤·秒2/米，1Kg ·s 2/m=9.81Kg)。

活塞工作行程时间1122P Sm a S t == （秒）活塞返回行程时间的计算比较复杂，因此通常用工作行程时间乘以系数来112t K t = （秒）国外还有人提出，在行程前活塞处于静态的时间也必须考虑。

同样，假定活塞静态时间为123t K t = （秒）活塞整个工作循环时间1211213212)1()1(P Sm K K t K K t t t T ++=++=++=（秒） （2-4） 因此，活塞每分钟的冲击次数，即冲击频率为Sm p d D K Sm P K K T f f 8)(2160600212121−=++==π（次/分） （2-5） 式中21160K K K f ++=，一般K f 值在19~25之间变化。

无阀空气锤的K f 值较高，可取K f =25。

由（2-5）式可以看出，在一定压气压力下，冲击频率大致与活塞直径成正比，与活塞行程的平方根成反比。

(3) 空气锤功率计算空气锤的功率指的是它的冲击功率，因此，当活塞冲击功A 和冲击频率f 算出后，即可用下式计算空气锤的功率7560×=Af N （马力） （2-6）(4) 空气锤钻头转角和转速计算空气锤钻头的回转速度对顺利钻进和延长钻头寿命起着决定的作用。

空气锤钻进时，回转的唯一目的是使钻头上的球齿在每经过一次冲击后落在新的岩层位置上。

在钻头外缘上的球齿对回转特别敏感。

假使回转速度过慢，钻头上的球齿将打入先前冲击过的坑穴中，从而引起钻头的不稳定，使回转受阻，并使钻进效率下降；如果回转速度过快，钻速并不会增加，而钻头的球齿由于较大的摩擦力将会引起过早磨损。

因此，应选择最佳的钻头回转速度，以获得有效的钻速，平衡的操作和经济的钻头寿命。

根据所钻进的地层不同，选择下列转速软岩层：30~50r/min中硬岩层：20~40r/min硬岩层：10~30r/min空气锤所用风压也影响钻头的回转速度，较高的风压使空气锤产生较高的冲击频率，因而可采用较高的转速。

已知转速，冲击频率，可以计算出钻头转角f n360=α（度）（2-7）式中n——转速（r/min）f——冲击频率（次/min）(5)三种型号空气锤性能参数列表产品型号KQC275 KQC180 KQC135 配用钻头（mm）311 217、254 152、165 空气锤外径(mm)275 180 135 风压(MPa)3 3 3耗风量(m3/min)120 90 50 重量(不含钻头)(Kg)618 277 106 联接方式7 5/8REG（外）API 4 1/2（外）API 3 1/2（外）4.空气锤的使用参数钻进效率的高低，不仅取决于所用的空气压缩机、空气锤及钻头的性能和质量，而且必须做到合理操作，正确选用钻进技术参数。

空气锤钻进的主要使用参数应包括下述几项内容。

(1) 轴向压力（钻压）从空气锤破碎岩石原理来看，岩石主要是在冲击动载作用下破碎的，因而空气锤钻进效率的高低，主要取决于冲击功的大小和冲击频率的多少。

钻压的作用是为了克服空气锤在促使活塞下行时在气缸内所产生向上推举力，以保证冲击功有效地传递给钻头，进行碎岩。

因此，钻压的大小，主要取决于所用空气锤在气缸内所产生的压力大小。

过大和过小都会影响空气锤钻进的正常工作。

过大会引起钻头的过早磨损，球齿掉落，回转困难；过小将影响冲击功的有效传递。

一般当钻压为每英寸钻头0.2~0.3吨时，钻进效率最佳。

(2)转速钻具的转速主要是根据岩石的性质、钻头直径、冲击功和冲击频率来确定。

因为空气锤主要是以冲击动能来破碎岩石的，回转速度仅是为了改变硬质合金刃破岩的位置，所以合理的回转速度应保证在最优的冲击间隔范围内破碎岩石。

最优冲击间隔的确定，国内外也不一样，有的以转角表示，有的以弧长表示。

如回转速度低，不仅会产生重复破碎，影响效率的提高，而且钻头球齿也易发生凿入碎岩坑穴中，造成回转困难和钻头的损坏。

如果回转速度过高，则不仅会使冲击碎岩的作用减弱，而且会造成钻头的强烈磨损，使冲击碎岩转化为切切削碎岩，造成效率低、钻头磨损严重。

在操作中，必须防止上述现象的发生。

一个柱齿钻头，如使用正常，在可钻性7-8级灰岩中可进尺l000m以上；如使用不当，很可能几十米就磨损，不能使用了。

钻头柱齿磨损后，使钻头齿与岩石的接触面积逐渐增大，而空气锤的单次冲击功是一定的，那么，作用在单位接触面积上的冲击功将逐渐减少。

因此，钻进效率也要逐渐下降。

当钻速下降20%左右时，即应考虑钻头的修磨。

此时进行钻头修磨，经济效益最佳。

经过修磨的钻头，恢复了齿的形状，因而可以保持原有的钻进能力。

柱齿钻头的磨损，一般表现为柱齿球面被磨平。

所以在修磨时，应磨去平面部分，恢复球形。

但球齿的高度以不低于8.5-9.5mm为好，如图3所示。

图3 空气锤钻头硬质合金柱齿磨损及修磨示意图(3)供风量空气锤钻进时，送入的压缩空气有两个作用，其一是提供空气锤活塞运动的能量；其二是携带岩屑、冷却钻头等。

因此，供风量多少的确定，一方面是根据所用的空气锤性能所需耗风量的大小；另一方面是要保证钻杆环状空间的上返风速。

利用空气的气流进行洗孔排除岩屑属于气力输送问题。

岩屑在空气流介质中，因本身的粒度、密度和形状的不同而具有不同的自由悬浮速度（如流体以等于球体自由沉降速度向上运动时，则球体将在一个水平面上呈摆动状态，既不上升，也不下降，此时流体的速度称为该物体的自由悬浮速度）。