空气锤研制及应用技术
空气锤
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。
空气锤钻井技术应用问题探讨
空气锤钻井技术应用问题探讨∗胡贵孟庆昆王向东（中国石油勘探开发研究院北京 100083）摘要：本世纪初，空气锤钻井技术在国内各大油田得到了广泛应用，在提高机械钻速、钻井防斜纠斜、提高油气资源的勘探开发速度方面表现出了极大的优越性。
2004年，国产KQC系列空气锤开始进入国内各大油气田，几年的应用中取得了一些佳绩，但是在超硬地层、井壁坍塌、潮湿地层、出水地层、漏失地层等中钻进还存在一定的问题，空气锤的使用范围和应用水平受到影响。
本文集中探讨了空气锤钻遇这些地层时出现的问题，并提出了问题的技术难点和解决方案，以便进一步提高空气锤钻井技术的应用范围和应用水平。
主题词：空气锤空气锤钻井技术空气钻井 KQC系列空气锤井壁坍塌倒划眼出水地层气体漏失0.前言空气锤钻井技术是一种利用高压可压缩气体介质传递能量实现空气锤对岩石的高频率冲击做功而进行破岩的钻井方式，是在空气钻井技术基础上发展起来的[1-3]。
国产KQC系列空气锤研制工作2003年在中国石油勘探开发研究院开始研究，历经6年，目前在油气田钻井提速和防斜纠斜的应用中已经取得了明显效果[1]。
在“龙岗39井”中，KQC系列空气锤单只钻头最高进尺达1899.35 m，日进尺最高达680 m，钻至目标地层后仍保持了良好的井径，保径效果非常明显,这大大刷新了钻井界的进尺和保径记录。
尽管如此，空气锤在油气田的应用中也存在一些提速不明显甚至空气锤无法正常钻进的情况，通常这些情况有以下几种:钻遇地层存在超硬岩石、KQC下入井段存在部分缩径而需要划眼、井壁出现坍塌时的钻进、钻遇出水地层无法钻进、漏失地层或喀斯特溶洞地层气体漏失严重等。
本文着重介绍了以上几种情况对空气锤正常钻进的影响，并提出针对性的建议和解决方案，对空气锤的进一步研究具有一定的参考价值。
1.空气锤基本结构空气锤的基本结构如图1所示，主要由后接头、配气座、活塞、尾管和钻头组成。
目前空气锤主要以气体作为驱动介质进行工作，气体通过后接头进入配气座，配气座将气流分为为两部分，一部分通过中心通道直接进入井底携岩，一部分进入空气锤前气室，并与后气室配合共同驱动活塞上下运动。
空气锤的锻造工艺流程
空气锤的锻造工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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在开展空气锤锻造之前，需做好充分的准备。
精简版空气锤钻井技术
转速过小，空气锤两次冲击之间的 扇形区域较小，容易导致空气锤钻 头齿重复破碎，影响机械钻速； 空气锤钻头重复破碎容易导致空气 锤钻头齿掉入已钻的凹坑内，导致 钻头齿的埋齿，严重时导致断齿掉 齿。
2020/4/13
中国石油勘探开发研究院工程技术研究所
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空气锤钻井对转速要求
根据现场空气锤应用经验，一般转速根据以下公式加载：
R=b*ROP
其中： R：转速，r/h; b:转速系数， r/m,一般取96； ROP：钻进机械钻速，m/h；
空气锤机械钻速为30 m/h 钻进时，推荐加载转速应为2880r/h，即为： 48 r/min。
2020/4/13
中国石油勘探开发研究院工程技术研究所
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空气锤钻井对气量要求
立压与气量： ● 立压的主要作用是克服压缩空气在循环过程中的沿程损失和局部损 失。 ● 立压过低，空气锤的冲击频率和冲击能都较低，影响钻速。立压过 高，对空压机的要求将提高。同时在换单杆时注气的时间较长，影响 钻井周期。一般立压大概在1.5-3Mpa之间最好。 ● 气量的作用是为空气锤提供活塞运动的能量和井底携屑以及冷却钻 头。气量的选取首先应满足所钻井眼所需的气量,其次根据所需气量 和井眼大小来选择匹配。注气量一般在80-270m3/min不等。
根据现场空气锤应用经验，一般钻压根据以下公式加载：
F=a*D
其中： Ｆ：钻压，kN; a:钻压系数， kN/mm,一般取0.09； D：钻头的尺寸，mm；
当然上述公式也不是绝对的，现场作业时只是作为推荐值。一般维 持在推荐值左右为好。
312mm的空气锤钻头钻进时，加载钻压推荐值应为312*0.09， 即为：28KN，即为2.8T。
空气锤钻井技术定义
空气锤研究报告
空气锤研究报告空气锤研究报告摘要：空气锤是一种重要的施工工具，在建设领域中应用广泛。
本次研究对空气锤的结构、工作原理以及使用注意事项进行了探讨和分析，并对其性能和优缺点进行了评价。
研究结果表明，空气锤具有结构简单、使用方便、效率高等优点，但也存在噪声大、振动强、易出现故障等缺点。
因此，在使用空气锤时应注意安全、维护和保养等方面，以提高其使用寿命和施工效率。
关键词：空气锤；结构；工作原理；性能评价；注意事项一、引言空气锤作为一种重要的施工工具，广泛应用于建设领域中的钢筋混凝土、岩石爆破、拆除等工作，具有效率高、使用方便的特点。
本次研究对其结构、工作原理以及使用注意事项进行了探讨和分析，并对其性能和优缺点进行了评价，以期为研究者和使用者提供参考。
二、空气锤结构空气锤的结构较为简单，主要由气缸、活塞、活塞杆、锤头、阀门等几个部件组成。
其中，气缸和活塞是核心部件，它们的直径和长度决定了空气锤的能力大小。
锤头则是安装在活塞杆末端的部件，其质量和形状也会影响到空气锤的工作效率和寿命。
三、空气锤工作原理空气锤是一种以压缩空气为动力源的机械机器，在工作时，空气压缩机产生的压缩空气通过管道输送到气缸内，推动活塞往复运动。
当活塞运动到极限位置时，气体压力骤然下降，从而引起活塞杆和锤头的弹簧反作用力，产生打击动作。
这一过程不断重复，形成附加动能，以实现锤击等工作。
四、空气锤性能评价1. 优点（1）结构简单，使用方便。
（2）能够承受高的压力和频繁的工作，效率高。
（3）适用范围广泛，使用工艺灵活。
2. 缺点（1）噪声大，影响工作环境。
（2）振动强，对工人身体健康有影响。
（3）易出现故障，需要定期维护和保养。
五、使用注意事项1. 安全在使用空气锤前，必须进行全面的安全检查，确保空气锤的各项部件都处于良好状态。
同时，操作人员必须佩戴整齐的劳动服和安全防护用品，以防止伤害和事故发生。
2. 维护为了延长空气锤的使用寿命，须定期进行维护和保养，并注意清理锤头和活塞杆上的油污和碎石。
分体空气锤技术要求
分体空气锤技术要求一、基本性能。
1. 打击力量。
这空气锤啊，打击力量可得够劲儿。
至少得能把一块厚实的铁块轻松地敲打出个形状来。
就好比你要锤一个调皮捣蛋的小铁疙瘩，一锤下去，它就得乖乖听话变形。
打击力得稳定，不能一会儿像大力水手吃了菠菜，一会儿又像没吃饱饭的小蚂蚁，忽大忽小可不行。
2. 工作频率。
工作频率就像是它干活的节奏。
不能太快，快得像抽风似的，咱操作人员眼睛都跟不上；也不能太慢，慢得像树懒爬树，那效率得多低啊。
得有个合适的频率，就像人走路，一步一步稳稳当当又不拖沓。
3. 行程。
空气锤的行程要合理。
就像你伸手去够东西，太短了够不着，太长了又白费力气。
行程得保证在锤击的时候能充分发挥它的打击效果，不多不少刚刚好。
二、结构部分。
1. 分体设计。
既然是分体的，那各部分得配合默契，就像一对好搭档。
分体的连接要牢固，不能干活的时候像两个闹别扭的小伙伴，动不动就散架。
而且分体之后，各个部分的搬运和安装得方便，不能搞得像搬一座大山似的，累死人。
2. 锤体。
锤体得结实耐用，就像一个硬汉。
不能是那种弱不禁风的，锤几下自己就先坏了。
表面要光滑，可不能坑坑洼洼的，不然就像长了满脸麻子的脸，看着就不舒服，而且还容易藏污纳垢，影响使用寿命。
3. 气缸。
气缸可是空气锤的动力源泉啊。
气缸的密封性要好，不能像个漏勺一样到处漏气。
要是漏气，就像人喘不上气来，没力气干活了。
而且气缸的材质要靠谱，得能经受住空气的压力和频繁的工作，不能轻易就变形或者损坏。
三、操作与安全。
1. 操作方便性。
操作这空气锤得简单易懂，不能搞得像解复杂的数学题一样。
各种操作按钮、手柄啥的，得让人一看就知道怎么摆弄。
就像玩游戏一样，简单上手，不需要研究半天说明书。
2. 安全防护。
安全可不能马虎。
要有足够的防护装置，防止那些调皮的小铁块或者其他东西在锤击的时候飞出来伤人。
这就好比给空气锤穿上一层盔甲，不仅保护它自己，也保护周围的人。
而且在操作过程中，要有防止误操作的设计，不能让人一不小心就按错了键，引发危险。
空气锤发展和应用研究
红
摘要 ： 详细论 述 了空 气锤 在 国 内外 的发展 和应 用 ， 并对 其 结构类 型进行 了总体 分析 。介绍 了贯 通式 反 循环 空 气锤 、 泡沫潜孔锤 、 单体 大直径和 集束 式 空气锤及 空 气锤 钻水 平段 的发展 、 应 用和现状 。
关键词 ： 空气锤 ； 贯 通 式反 循 环 ； 泡 沫潜孔锤 ； 大直径 ； 集束 式 ； 水 平井 中 图分 类号 ： Ｔ Ｅ ９ ２ １ 文献标 识 码 ： Ａ
Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＤＴＨ Ｈａ ｍ Ｕ Ｑｕ ａ ｎ — ｐ ｉ ｎ ｇ ， ＹＡＮ Ｈｕ ｉ — ｒ ｏ ｎ ｇ ， Ｍ ＥＮＧ Ｙｉ ｎ ｇ — ｆ ｅ ｎ ｇ ， Ｌ Ｉ ＡＮＧ Ｈｏ ｎ ｇ
２ ０ １ ３ 年 第 ４ ２ 卷 第 １ １ 期 第 ｌ ６ 页
石 油 矿 场 机 械
ｏＩ Ｌ Ｆ Ｉ ＥＬ Ｄ Ｅ ＱＵＩ Ｐ Ｍ ＥＮＴ
文章 编 号 ： １ ０ ０ １ — ３ ４ ８ ２ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － Ｏ ０ １ ６ － ０ ４
空气 锤 发 展 和应 用 研 究
Ｇｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅｘ ｐ ｌ ｏ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｗｅ ｓ ｔ Ｐｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ， Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄｕ ６ １ ０ ５ ０ ０， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
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空气锤研究报告
空气锤研究报告空气锤是一种利用气体压力和速度做功的工具，主要用于冲压、钻孔、打磨、打击等工业领域。
本报告将围绕着空气锤的工作原理、结构特点、应用场景以及发展前景等方面展开研究。
一、工作原理。
空气锤的工作原理主要是利用气体的压力和速度来实现加工作用。
经过压缩机等设备压缩后的空气，流过排气管道、节流口，并进入空气锤内部的活塞室。
在支撑活塞的阀门关闭时，高压气体在一瞬间迅速流过锤体中的节流口，形成一个气流将活塞向下推。
当活塞下降到一定程度时，阀门会打开，使气体流经活塞室，并将活塞向上推。
不断重复这个过程，便可以实现气动锤的打击作用。
二、结构特点。
空气锤的结构主要由锤体、阀门、节流部位、气缸、活塞、前端工具等组成。
其中最重要的部分是阀门和节流口，它们可以控制空气流量和压力，从而实现气氛锤的打击作用。
除此之外，活塞的材料选择和加工工艺也会直接影响到空气锤的效能。
三、应用场景。
空气锤由于其轻便、方便和灵活，广泛运用于各种工业领域。
比如，汽车维修、铁路道岔维修、桥梁建设、机械制造、金属冲压、打磨、钻孔等等。
无论在建筑、制造还是维修领域，空气锤的作用都是不可替代的。
四、发展前景。
虽然空气锤在工业制造中占据了重要地位，但是随着科技的发展和人们对效率的追求，工业锤也在不断改进和完善。
目前，一些先进技术，比如可编程器控制、增加物料、预测性维护等，都可以被应用到气动锤的制造中。
预计在未来的几年内，空气锤将不断发展壮大，成为工业加工领域的重要组成部分。
以上便是本报告对于空气锤的研究，相信随着科技和制造工艺的不断进步，空气锤的应用范围和领域将会越来越广泛。
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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。
4
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
9
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
1
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
2
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
12
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。
5
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）
13
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。
10
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
14
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
3
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。
6
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