回转速度过快，会使冲击碎岩的作用减弱，而且容易造 成钻头的强烈磨损，使冲击碎岩转为切削碎岩，钻进效 率也会大大降低
实际操作参考范围：软岩层：50～70rpm；中硬岩层：
40～60rpm；硬岩层：30～50rpm
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钻压
钻压是为了克服活塞下行时在气缸内向上的推举力，确 保冲击功有效地传递给钻头，进行冲击破岩
➢ 欠平衡气体钻井技术的发展，为空气锤技术在深井中的应 用提供了市场。
➢ 2003年中国石油勘探开发研究院开始了对油田气体钻井中
应用空气锤技术的研究工作。
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二、技术特点
➢ 空气锤钻进技术是气体钻井技术的一个分支。 ➢ 区别于牙轮空气钻进的切削破岩，空气锤钻进为
冲击破岩，机械钻速快。 ➢ 转速、扭矩和钻压较低，不易井斜，减少了井下
和行程成正比；在活塞有效面积和行程确定的情况下，提高风 压是增大冲击功的有效手段
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冲击频率
冲击频率是指活塞每分钟对钻头的冲击次数 在计算冲击频率时，设定活塞在风压作用下，初速为零、等加
速度运动
60
60
f
T 1 K1 K2
P1 2Sm
Kf
(D2 d12 ) p0 （次/min）
8Sm
式中：m为活塞的质量(kgf·s2/m，1Kgf·s2/m=9.81Kg) ； Kf是与活塞工作循环时间有关的系数，取值19～25之间。
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KQC系列空气锤的技术指标
产品型号 配用钻头（英寸） 空气锤外径(mm) 风压(MPa) 供风量(m3/min) 转速(rpm) 钻压（KN） 重量(不含钻头)(Kg) 联接方式 使用寿命
空气锤研制与应用技术
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目录
一、研究背景 二、技术特点 三、结构与工作原理 四、技术指标与试验曲线 五、现场试验与应用成果 六、问题及措施 七、进一步研究方向
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一、 研究背景
问题的提出
➢ 玉门油田“窿9井”遇到的问题：钻井速度慢、井 斜
➢ 为解决上述问题，中石油集团公司在“窿9井”实 施了空气钻井试验；并根据试验情况，提出了一 系列有针对性的研究课题
钻压太大会引起钻头的过早磨损，甚至球齿脱落，造成 空气锤回转困难
钻压太小会影响冲击功的有效传递 钻压的大小可参考如下数据：钻头外径每增加1英寸，钻
压增大0.25～0.4吨；如KQC275空气锤携带12¼”钻头时， 钻压一般为3～5吨
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供风量
空气锤钻进时，压缩空气有两个作用，一是提供空气锤活塞运动 的能量，二是携带岩屑和冷却钻头，因此，供风量是空气锤性能 决定的耗风量与保证钻杆环空上返风速的耗风量总和
事故。 ➢ 大耗风量和高承压能力，保证深井携屑，提供足
够的冲击能量，加快机械钻速。
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三、结构与工作原理
➢ 应用于油田气体钻井的空气锤采用无阀 式中心排气结构；中心排气结构确保有 足够的气量直通井底，冷却钻头及深井 携屑；无阀式结构配气气路简单，减少 了气体压力损失，提高了冲击效果。
➢ 工作原理：使用空气锤钻进时，用地面 钻机通过钻杆对井底施加压力和转矩， 用压缩空气驱动空气锤对岩石进行冲击 破岩，实现冲击回转（“冲旋”）钻进。
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，因此，钻井环形空间内的上返风速必须大 于岩屑的悬浮速度
Q 60K (D 2 d 2 )V 4
（m3/min）
式中： Q为保证岩屑上返风速需要的耗风量（m3/min）；V为气流
的上返风速，一般取l5～25m/s；D 为井眼直径（mm）；
d 为钻杆外径（mm）；K为孔深修正系数（一般孔深在100～
200m 时，K=1.05～1.1；孔深500m时，K =1.25～1.3；孔深
1000m时，K =1.5～1.55）
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风压
密切注意钻进中风压的变化，掌握空气锤钻进情况与工作
状态
空气锤钻进时的风压变化规律如下图：0－t1为开始供气， 风压上升至P1；t1— t2为吹孔状态，风压稳定在P1上；t2－ t3为空气锤降至井底，风压迅速上升到P2，空气锤进入正 常工作状态；t3— t4为空气锤正常工作状态，风压稳定在 P2上，井底排屑畅通；t4— t5将空气锤钻头提离井底，空 气锤又进入吹孔状态，风压降至P1
由上式得知，在风压一定的情况下，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。空气锤外形尺寸确定后， 较高的风压使空气锤产生较高的冲击频率。
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转速
转速对钻进速度和延长钻头寿命起着重要的作用
空气锤回转目的是为了改变钻头上球齿的破岩位置
回转速度过慢，会产生重复破碎，影响钻进效率的提高， 而且钻头上的球齿会打入之前冲击过的坑穴中，造成回 转困难
A
K AP1S
4
(D2
Байду номын сангаас
d12 )K A
p0S
(kgf·m)
式中： P1为作用在活塞上端的力（kgf） p0为风压(kgf/cm2) D为活塞直径(cm)
d1为活塞与配气座配合处直径(cm) S为活塞的设计行程(m)
冲击功计算示意图
KA为冲击功修正系数，为0.45～0.55 由上式得知，在风压一定的情况下，冲击功与活塞的有效面积
空气锤正常钻进时风压变化规律图
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风压
送风量较小或井底排屑不畅时，钻屑产生积累，风压 逐渐升高，如下图所示
这时应上提钻具，使空气锤由冲击工作状态转变为强 吹井底状态，依靠送气管路中能量的突然释放，产生 短时间高速气流，将积存的钻屑喷出
待气压下降后再放下钻具，继续钻进
空气锤钻进时井内积存岩屑引起的气压变化图
窿9
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一、 研究背景
空气锤技术在国内外的发展状况
➢ 上世纪30年代中期发展起来的空气锤，经过不断改进和完 善，已经在一些发达国家广泛应用。
➢ 上个世纪50年代末已经开始用于深井钻进。例如，美国在 3000—3500米的深井中，成功地进行了空气锤的钻进。
➢ 上世纪70年代，空气锤钻进技术引入我国；并不断发展和 完善，在水文、地质勘探及地面工程等浅井中广泛应用。
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空气锤动画模拟
空气锤钻进中的关键位置
下止点
上止点
停钻 7
四、技术指标与试验曲线
空气锤钻进效率的高低，不仅取决于空气锤及 钻头的性能参数，而且还需要做到合理操作， 选用正确的钻进参数 ➢ 性能参数——单次冲击功、冲击频率 ➢ 钻进参数——转速、钻压、供风量和风压
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单次冲击功
空气锤的单次冲击功表明了空气锤工作的能力 在工作行程接近终了时，活塞所具有的冲击功为