李建军，盛 益，陈 仁

(1.渤海钻探工程公司 第二钻井分公司，河北 廊坊 065007；2.中石化 华东石油工程公司技术装备部，南京 210019；3.塔里木油田 第二勘探公司，新疆 库尔勒 841000)①

BQ-190型闭式循环空气锤设计与研制

李建军1，盛 益2，陈 仁3

(1.渤海钻探工程公司 第二钻井分公司，河北 廊坊 065007；2.中石化 华东石油工程公司技术装备部，南京 210019；3.塔里木油田 第二勘探公司，新疆 库尔勒 841000)①

阐述了空气锤内部结构设计原则及工作原理。介绍了 BQ-190型闭式循环空气锤的进排气道截面积情况、配气行程大小以及防空打功能等主要性能指标。结合国内外空气锤在应用过程中出现的问题以及在防钻头掉落机构方面的设计原理，创新提出一种适用于闭式循环空气锤的防钻头掉落机构，并结合数值模拟分析说明其效果。

空气锤；闭式循环；防掉落机构；性能指标

随着我国油气资源勘探开发程度的不断深入，各种提速技术正逐步得到重视，而空气锤钻井工艺以机械钻速高和钻井质量好正在逐渐获得钻井界普遍共识，成为垂直深井及超深井提速的重要方式之一[1-4]。闭式循环空气锤作为整套钻具系统的关键组件，也是闭式循环空气锤钻井技术的核心环节，其工作性能好坏及故障率直接关系着机械钻速、钻井时间及钻井成本等重要钻井考核指标。

1 结构设计

1.1 设计原则

1) 内部各零部件有足够强度，外层管壁有足够抗拉、压、弯、扭的力学特性，并且与上下接头连接可靠。

2) 进气通道及排气通道内各自过流截面积之间相差不大，且必须保证排气通道内的过流截面积均大于进气通道过流截面积，以防止蹩压造成局部压力将过大。

3) 具有防止空气锤钻头在钻井过程中断裂落井的机构。

4) 具有足够的冲击能量及较低的故障率。

5) 具有良好的密封特性。

6) 在实现相同功能前提下，使各零部件结构合理、加工方便、节省材料、现场拆装检修方便。

1.2 工作原理及主要结构

BQ-190型闭式循环空气锤内部结构如图1 所示。压缩空气由上部钻杆经芯管接头与中间管接头的环状间隙进入闭式循环空气锤内部，经过内缸上的两排相互交错的径向通孔进入活塞工作的前后气室内，在气体压力能的作用下驱动活塞上下往复运动冲击钻头尾部，实现冲击能量传递，迫使井底岩石产生体积破碎。做功后的废气经由衬套下部排气环槽进入钻头与下隔套之间的环状空间内，再通过下隔套与外缸下部的径向通孔进入外套管与外缸之间的环状通道内并向上流动，而后再由支撑座上的径向通孔排至外管接头与中间管接头的环状排气通道排出空气锤外。

图1 BQ-190型闭式循环空气锤结构

1.3 主要结构尺寸

空气锤外径

190 mm

活塞长度

700 mm

钻头外径

中心贯通孔直径

60 mm

空气锤长度(不含钻头)

1 658 mm

活塞质量

21 kg

钻头质量

42 kg

空气锤质量

241.7 kg

2 性能指标

BQ-190型闭式循环空气锤性能指标主要包括：进、排气道截面积大小、配气行程大小、防空打功能等。

2.1 进、排气道截面积

BQ-190型闭式循环空气锤内部进、排气道截面积分布如图2所示，可以看出：任一处排气通道的截面积均大于进气通道的截面积，进气通道区域内的截面积均大于2 000 mm2，最小截面积为外缸与内缸之间的环状间隙，排气通道区域内的截面积均大于3 000 mm2，最小截面积为下隔套与外缸径向排气通孔及支撑座径向排气通孔。

从BQ-190型闭式循环空气锤防空打状态下的压力分布云图(如图3所示)可以看出：空气锤进气道区域明显处于高压区，而排气道区域明显处于低压区，有利于做功后的废气排出并减小流动阻力。从速度分布云图(如图4所示)可以看出：压缩空气只在活塞与芯管之间的环状通道内流速较高，而在进气道和排气道区域内的流速变化均较为平稳，基本无明显流速突变现象。综合压力和流速的分析结果，该闭式循环空气锤的进、排气道的设计方案合理。

图2 空气锤内部进、排气道截面积分布

图3 防空打状态下的压力分布云图

图4 防空打状态下的速度分布云图

2.2 配气机构设计与行程大小

配气机构是空气锤内部结构设计核心环节之一，采用配气机构进行进、排气方向的切换，进而实现活塞在前、后气室内的往复运动。在气体流入前气室之后，将对活塞产生一个向上加速度，驱动活塞向上运动。在气体流入后气室之后，将对活塞产生向下加速度，并最终驱动活塞向下加速运动，冲击钻头。

配气机构设计的关键任务就是确定各配气行程段长度，而各配气行程段长度的大小直接关系着空气锤的工作性能。BQ-190型闭式循环空气锤配气结构如图5所示，图中：L1表示前气室的膨胀或压缩行程+进气行程；L2表示前气室进气行程；L3表示后气室排气行程；L4表示后气室压缩或膨胀行程+排气行程；L5表示活塞结构行程。由图5可知：活塞的回程和冲程运动均经历5个状态，分别为前气室进气+后气室排气状态、前气室进气+后气室压缩或膨胀状态、前气室膨胀或压缩+后气室压缩或膨胀状态、前气室膨胀或压缩状态+后气室进气状态、前气室排气+后气室进气状态。

图5 配气结构

BQ-190 型闭式循环空气锤配气状态如图6所示：活塞与钻头尾部接触面即为原点O，空气锤中心轴线方向作为x轴，活塞向上做回程运动为正方向，向下冲程运动为负方向，L表示活塞实际最大行程。

图6 配气状态

2.3 防空打功能

防空打功能切换的快速灵活性是空气锤的一项主要性能检验指标。防空打通过上提钻具来实现，如图7所示。当整个钻具系统提离井底一定高度后，钻头由于失去了井底岩石的支撑，在自身重力作用下沿花键轴向下伸出，并挂靠在半圆卡上，钻头伸出空气锤的长度为55 mm。活塞也随之向下移动，并挂靠在衬套上端面上，而活塞伸出长度为45 mm，活塞与钻头之间有10 mm的间隙，因此活塞的下端面无法敲击到钻头尾部，而且活塞上端面此时已经位于内缸径向进气孔以下，原有正常钻进工作时的配气行程被打破，前气室进气道将处于关闭状态。压缩空气直接经由后气室并沿活塞和芯管间环状通道排入空气锤下部排气区域中。防空打功能成功避免了空打产生冲击力对空气锤、钻头及钻杆结构强度的破坏，有效保护整个钻具系统的安全。

图7 防空打状态

3 防掉落机构设计

3.1 结构原理

BQ-190型闭式循环空气锤防钻头掉落机构由花键套、防掉落罩和钻头3部分组成。花键套下端外侧设计有一处台阶；防掉落罩内侧上部也设计有一处内凸台，下部采用普通螺纹牙型与钻头连接。在装配时，首先将花键套套在钻头的花键轴上，然后再将防掉落罩套入花键套内并与钻头连接紧固。在拆卸时，先将花键套从外套管上拆下，而后再将防掉落罩与钻头连接螺纹松开并取出。

在正常钻进的工作状态时，钻进过程所需要的钻压和扭矩由外套管经过花键套传递给钻头，而防掉落罩在钻进过程中只随着钻头一起回转，但不承受上部钻具传递来的钻压和转矩，从而提高防掉落罩的使用寿命及防掉落机构的可靠性。此外，由于外套管外径大于防掉落罩内孔直径，因此即使在防掉落罩与钻头连接的螺纹发生松动时也不会出现脱开钻头造成防掉落机构失效的事故。

图8为防掉落机构在空气锤处于“防空打”时的工作状态，防掉落罩随着钻头向外伸出和缩回。防掉落罩与花键套配合表面的间隙控制在 0.5 mm之内，在保证防掉落罩伸出和缩回顺畅自如的同时，又防止井底细小颗粒岩粉进入防掉落罩和花键套的配合区域内沉积。

图8 防空打工作状态

图9为防掉落机构在钻头发生断裂时的工作状态。图中显示当钻头的3处易发生断裂面中任一处发生断裂时，防掉落罩下部通过螺纹连接着钻头冠部，而内凸台挂靠在花键套下部外台阶上，从而实现防止钻头冠部掉落井底。

图9 钻头断裂工作状态

3.2 数值模拟分析

BQ-190 型闭式循环空气锤钻头在钻进过程中的应力分布云图如图10所示。由图10可知：钻头尾部及颈部段的应力值明显高于钻头冠部及底唇面的应力值，其中在花键槽顶部附近应力值最大，达到571 MPa，在安全范围内。 钻头该截面采取与防掉落罩连接的方式能够有效地起到防止钻头尾部和颈部发生断裂落井的事故。

图10 钻头在钻进过程中应力分布云图

3.3 功能特点

BQ-190 型闭式循环空气锤防钻头掉落机构具有以下优点：

1) 不改变空气锤内部结构。

2) 不影响钻头已有的整体强度。

3) 防掉落罩整体强度高，连接可靠，钻进过程中不易发生失效。

4) 当钻头上任一处发生断裂时，均可实现防掉落功能。

5) 各零件结构简单，便于加工及安装、拆卸。

4 结语

BQ-190 型闭式循环空气锤可以实现高效碎岩旋冲钻井及压缩空气和钻井泥浆2种流体独立循环的多工艺、多介质复合式钻井新技术，该钻井技术既兼合了常规空气锤钻井技术以及常规泥浆钻井工艺的优点[5]，又同时弥补了各自存在的不足和缺陷，是一项具备一定应用前景的油气资源勘探钻井提速新技术。为解决目前我国在钻井工程中所面临的钻进效率低、井下复杂事故多、周期长以及成本高等突出难题，提高我国在复杂条件下的油气藏以及品质较差储层的单井产量和采收率，推动我国油气资源勘探钻井提速关键技术的发展，提供了一种创新的钻井技术及配套钻具支持。

[1] 何高全.深井钻井技术发展的难点及对策[J].中国石油和化工标准与质量，2014，(6)：75.

[2] 唐俊，刘权萍，严辉容，等.空气锤发展和应用研究[J].石油矿场机械，2013，42(11)：16-19.

[3] 刘建林.反循环空气锤及其在气体钻井中的应用前景[J].石油矿场机械，2012，41(7)：11-14.

[4] 罗整，徐中祥，李晓慧，等.空气锤钻井技术在气体钻井中的应用[J].钻采工艺，2007，30(6)：9-10.

[5] 刘建林，殷琨.SGQ-320型气体钻井用贯通式潜孔锤的研制[J].石油钻探技术，2012，40(1)：114-118.

Research and Design of BQ-190 Closed-circulation Air Hammer

LI Jianjun1，SHENG Yi2，CHEN Ren

(1.No.2 Drilling Branch，BHDC，Langfang 065007，China；2.EastChinaPetroleumEngineeringCompany，SINOPEC，Nanjing210019，China；3.No.2DrillingCompany，TarimOilfield，Korla841000，China)

The internal structure design and working principles are introduced，and BQ-190 closed loop inlet section area of exhaust duct in air hammer，charging stroke，and anti-slip are introduced as well.Combined with air hammer in practical application and the problems appeared in use both at home and abroad，such as a prevention mechanic for bit dropping，a new mechanic is designed for closed-circulation air hammer，and an illustration for its effective application with the numerical simulation analysis is shown.

air hammer；closed circulation；dropping preventer；performance index

1001-3482(2016)12-0083-04

2016-07-21

李建军(1982-)，男，河北任丘人，工程师，主要从事石油设备技术管理工作。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.022