、空气震击器、空气减震器研制与现场应用北京石油机械厂一、概述一、概述 近些年来，气体钻井和欠平衡钻井在国外获得了比较普遍的应用，取得了显著的技术 效益和重大经济效益。例如，在满足相应的前提下，气体钻井如空气钻井、天然气钻井、 氮气钻井、尾气钻井等，可成倍提高机械钻速，明显缩短钻井周期，降低钻井成本；欠平 衡钻井，则可对储层进行有效保护，有利于提高钻遇率和开发率。为推广和扩大空气钻井 的应用规模，美国能源部曾规定 2004 年的空气钻井口数不低于本土总钻井口数的 30%。 近些年来，我国也开始关注、尝试应用空气钻井技术，在一定规模上采用欠平衡钻井 技术，取得了可喜的进展。随着对这些技术在直井上应用经验的逐步积累和日渐成熟，在 定向井及其他特殊工艺井上应用这些技术，已成为必然的发展趋势，这将在很大程度上扩 展气体钻井与欠平衡钻井的应用领域。 空气螺杆钻具（或称气体螺杆钻具） 、空气震击器及空气减震器 3 种井下工具是用气体 钻井或欠平衡钻井技术钻定向井及各类特殊工艺井的必需工具。但在 2001 年底以前，此类 新型井下工具产品在国内尚属空白。 北京石油机械厂于 80 年代初期全面引进了原 Smith International 的螺杆钻具生产线。 在美方对我们进行技术培训时，我们就注意到了空气螺杆钻具在一些特殊工况使用的优势， 同时发现在 80 年代末期美国为了推进空气钻井技术由政府出资先后在 Mercury、Nevada 地 区成功进行了 50 英尺6000 英尺井段工业试验。于是从此我们一直跟踪该项技术的国际动 态以及目前拥有该技术的厂商，如：原 Smith International；Backer Hughes；Griffith；Spray-Sun；Robbins & Myers；Roper 等的空气螺杆钻具研发进展。 在钻井作业中，由于各种原因，常常发生卡钻的事故。当进行复杂井钻井设计或预知 某井段可能发生卡钻时，最好的办法就是预先在钻具组合中使用随钻震击器。当钻具遇卡 时，借助随钻震击器给卡点处施以向上或向下强烈地震击，使卡点松动，从而达到迅速解 卡的目的。减震器是钻井作业所需的井下工具之一，它利用工具内部的减震元件吸收或减 小钻井过程中钻头的冲击负荷、钻柱的震动负荷以及旋转破岩时的扭尽管转负荷，从而保 护钻头和钻具，达到降低钻井成本、提高钻井工作效率的目的。尽管国内外震击器、减震 器厂家很多，比如国外的 Anadrill、Cougar、Spray-Sun、Griffith、National 等公司， 国内的贵州高峰机械厂、牡丹江石油机械厂等，但中国石油集团经济技术研究中心所做的 编号为 20030162 的科技查新报告显示：国内外虽然有大量的关于油气田钻井用的震击 器、减震器的产品、专利和文献报道，但是关于专门针对空气钻井而设计研制的空气震击 器、空气减震器的文献报道很少，更没有相关产品的信息。 2001 年 CNPC 长城钻井公司在伊朗中标，由于中标井位在海平面之上 1000 多米的山上， 地层易塌、易漏。因此，必须用空气携屑钻井，甲方也要求配套相应工具。长城钻井公司 急需244（9 5/8）的空气螺杆钻具，经与外商询价，每台价格在 13 万美元以上，无法承 受，大批量的购买更无从谈起。鉴于随钻震击器在预防和处理卡钻事故以及减震器在保护 钻头和钻具，降低钻井成本方面的特殊作用，长 城钻井公司在钻井工艺设计中设计了随钻震击器 和液压减震器。但由于对空气钻井认识的局限， 空气介质毕竟也有它自身的特性，在空气钻井中配套常规震击器、减震器暴露出许多新的问题，如产品结构上在变径处存有死角，带粒高 速气流在死角处容易形成涡流，从而击伤工具关键的密封表面；常规工艺电镀的心轴由于 电镀表面与机体间有微孔穴，在遭受高密度氧气和盐雾的侵袭时，氧气易通过微孔穴氧化 机体，产生腐蚀、气蚀空洞，使电镀层从机体处提前起泡脱落，导致密封失效（图 1） ；由 于高温、气蚀工况恶劣，常规材料工具的使用寿命大幅度降低，伊朗项目组在工程进展中 已有多套国产工具发生断裂事故（图 2） ，造成巨大的经济和声誉损失，工具最长寿命也仅 有 60 小时左右，远远无法满足空气钻井的需要。与此同时，经文献查询和专家咨询，国外 也根本就没有适用于以空气作为钻井介质的空气震击器和空气减震器。 为了解决生产急需和节约外汇，集团公司科技发展部考虑利用国内技术力量解决伊朗 项目的现场急需，并为国内欠平衡钻井与空气钻井提供配套工具，决定委托北京石油机械 厂组织进行气体钻井专用装备及工具研制攻关。 在 2001 年 5 月2002 年 11 月一年半时间中，专家课题组克服了重重难关，终于完成 了 K7LZ120、K7LZ244 空气螺杆钻具和 QJ203A-、QJ229A-空气随钻震击器以及 JZ- H203-、JZ-H229-、JZ-H279-空气减震器样机的设计、制造、室内台架试验和空气钻 井的有关理论研究工作，并于 2002 年 7 月进行了 K7LZ120 样机的地面实钻试验和 2002 年 8 月在长 庆苏 3518 井的下井试验，均取得成功。在此基 础上，2 套 K7LZ244 样机、5 种规格 13 套空气震 击器、减震器于 2002 年 12 月运往伊朗，在 2003 年 10 月下井应用获得成功。2004 年 7 月在四川 白浅 111H 井上运用 K7LZ120 钻具钻天然气水平井， 取得了显著的技术效益。2004 年 11 月份在玉门 青西油田窿 14 井成功进行了空气螺杆钻具、空气 随钻震击器及空气减震器的现场钻井试验。 二、空气螺杆钻具现场试验和生产应用情况二、空气螺杆钻具现场试验和生产应用情况 介绍介绍 1.1. K7LZ1207.0K7LZ1207.0 空气螺杆钻具试验样机液相台架试验空气螺杆钻具试验样机液相台架试验 经优选线型的 K7LZ1207.0 空气螺杆钻具试验样机进行液相台架试验，取得了很好的 性能特性曲线，经与理论分析对比，结果非常满意。图 3 为试验现场（左）及马达的性能 曲线（右） ，在性能曲线中的离散点为试验点，图中的连续曲线为试验点的拟合曲线。经过 液相台架试验，得到了以下结论： 1) 马达启动压力低（仅为 0.80.9MPa） ，说明马达配合及密封良好； 2) 扭矩随压力变化线性度很好； 3) 马达高效区带宽长； 4) 密封传动轴在低压液态时也有很好的密封效果； 5) 液相性能与国外同类产品相比略优。图 1 图 2 2.2. K7LZ1207.0K7LZ1207.0 空气螺杆钻具地面实钻试验空气螺杆钻具地面实钻试验 2002 年 7 月 26 日，在北京中煤大地技术开发公司，利用 SCHRAMM ROTADRILL T685WS 型车载顶驱空压钻机进行了 K7LZ1207.0 空气螺杆钻具地面 实钻试验，图 4 为实钻现场（左） 及钻头和岩芯钻孔（右） 。试验 条件为空气压力 1.8MPa、排量 35m3/min。试验结果表明： 1）试验样机性能完全符合 设计要求； 2）通空气后螺杆钻具马上 正常旋转，启动容易，操纵控制 方便； 3）钻进速度较快，虽然使用的是旧钻头，在试验砂岩芯上 5 分钟进尺 0.5 米； 4）密封传动轴在低压时对气态工作介质也有很好的密封效果。 3.3. K7LZ1207.0K7LZ1207.0 空气螺杆钻具现场试验空气螺杆钻具现场试验 2002 年 8 月 2425 日，K7LZ1207.0 空气螺杆钻具在长庆油田 50628 钻井队承钻的苏 里格苏 3518 井上进行了现场试验。井深 32353361m，气源为天然气，压力 4MPa，空气 排量 40m3/min，钻井层为水泥塞、钢质扶圈、盖层，螺杆钻具共运转（含气举空运转） 8h，进尺 21m，工作正常。参加试验的中石油科技发展部领导、长庆油田领导以及课题组 成员一致认为试验是成功的。试验结论如下： 1）K7LZ120 空气螺杆钻具，在气源气量和压力不完全满足需要的情况下，在苏 3518 井中滑动和复合钻进打水泥塞 20m 和 1m 盖层，其中，在表现最佳的 6 吨工作钻压下滑动钻 进时，机械钻速高达 30m/h； 2）复合钻进（即开动转盘）时，由于转盘转速和螺杆钻具转子的转速叠加，有利于提 高机械钻速； 3）气量和气源压力不足，严重影响 K7LZ120 空气螺杆钻具的机械钻速和应用效果； 4）超过 K7LZ120 空气螺杆钻具的最大许可钻压，螺杆钻具将被压死，不但大大降低机 械钻速和应用效果，也将影响螺杆钻具的寿命，施工中一定要杜绝施加过大的钻压； 5）K7LZ120 空气螺杆钻具样机已达到工业应用水平，可批量生产，以满足不断增长的 现场钻进施工需要。 对完成现场试验的 K7LZ1207.0 空气螺杆钻具试验样机进行拆检，所有零部件无一损 坏，性能依旧正常。图 5 为拆检后的部分零、部件。图 4 K7LZ120 空气螺杆钻具地面实钻实验现场（左）及钻头和岩芯钻孔（右）图 3 K7LZ120 液相台架实验现场（左）及马达性能曲线（右）4.4. K7LZ2447.0K7LZ2447.0 空气螺杆钻具在伊朗项目中的应用空气螺杆钻具在伊朗项目中的应用 K7LZ2447.0 空气螺杆钻具（图 6）在长城钻井公司 伊朗项目组 RIG16 实施定向作业，井下工作 118.5h。并 用多种介质试验获得圆满成功，受到施工单位的一致好评。 以下是新疆 RIG16 井队使用记录及对该工具的评价： “我们对北石厂生产的 K7LZ2447.0 螺杆钻具进行 了使用，累计入井时间 118.5h，循环时间 97.85h。 使用过程分两个阶段，第一阶段使用泥浆作为介质， 钻井井段 618660m，入井时间 60.5h，循环时间 49.51h；第二阶段使用空气泡沫作为介质，入井时间 58h，循环时间 48.33h。因为实施侧钻作业，钻速特 加以控制（2m/h、1m/h、0.5m/h 不等） 。 总体感觉：该螺杆钻具工作状况较为平稳，特别是使用空气作为介质时，表现出功率 大，寿命较长。 ” 5.5. K7LZ1207.0K7LZ1207.0 空气螺杆钻具在白浅空气螺杆钻具在白浅 111H111H 水平井中的应用水平井中的应用 2004 年 7 月，K7LZ1207.0 空气螺杆钻具在中国石油天然气股份有限公司西南油气田 分公司所属的白马庙构造白浅 111H 水平井（国内第一口气体钻水平井）进行气相欠平衡钻 进获得成功应用。 白浅 111H 水平井按照最初的施工设计方案，在进入水平段后在井深 10801103m 井段 采用柴油机尾气驱动空气螺杆钻具带动 PDC 钻头的钻井试验，气量为 3340m3/min，钻进 正常，钻时为 45min/m，累计进尺 23m。后来因为试验中的尾气发生装置尚存在一些技术 问题而停止试验。后经西南油气田分公司领导决策从 1103m 改用天然气驱动空气螺杆钻具 带动 PDC 钻头钻进，天然气排量 42.363.6m3/min，平均 51m3/min，钻至井深 1325m 完钻， 天然气驱动累计进尺 222m，平均机械钻速 9.76m/h，最高达 20m/h。测试产量： 6.85104m3/d，无阻流量：10104m3/d。 K7LZ1207.0 空气螺杆钻具通过在白浅 111H 井水平段的施工应用，承钻该井的川钻 2002 队认为： 1）北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具填补了我国在水平井中进行气相欠平衡钻进井 下动力钻具的空白； 2）实用证明北京石油机械厂生产的空气螺杆钻具产品质量可靠； 3）K7LZ1207.0 空气螺杆钻具比常规螺杆钻具表现出更大的扭矩和现场使用有更大 的灵活性。 对所使用的空气螺杆钻具拉回制造厂经拆检，马达效率仅有 1的变化。其余零、部图 5 现场实验后的马达转子和万向轴图 6 发往伊朗的 K7LZ244 空