潜孔锤钻井（DTH）在从矿产勘探到地热能等各个领域都至关重要。其卓越的性能源于专用工具组件的协同运行。对于致力于最大限度降低每米成本和延长正常运行时间的专业人士而言，深入了解每个组件的功能、型号和选择标准是必不可少的。本指南将深入探讨基础知识之外的细节。
1. DTH Hammer
DTH锤是该系统的核心，它是一种精密的液压或气动发动机，能够产生破碎岩石所需的冲击力。
1.1 核心功能
它的工作原理是：通过输送高压空气或流体来驱动封闭腔室内的活塞。该活塞向下加速并撞击潜孔锤钻头的顶部，从而将高能冲击波直接传递到岩石中，并将能量沿钻柱的损耗降至最低。
1.2 模型分类
按操作压力
- 低压型（0.7–1.4 MPa / 100–200 psi）：适用于页岩、石灰岩和软砂岩等质地较软、无磨蚀性的地层。它们更经济实惠，且所需的空气压缩机更小。
- 中压型（1.4–2.4 MPa / 200–350 psi）：这些行业主力机型适用于各种中等至坚硬的岩石类型，包括花岗岩、玄武岩和硬质石灰岩。它们在性能和运行成本之间实现了最佳平衡。
- 高压型（2.4–3.5+ MPa / 350–500+ psi）：专为应对最具挑战性的工况而设计，例如铁矿、石英岩和高度变质岩等极其坚硬、磨蚀性和破碎的地层。它们能提供更高的冲击能量，但需要功率更大、价格更昂贵的压缩机。
通过内部阀门设计
- 阀式气锤：使用单独的、通常呈环形的阀门将空气导向活塞的顶部和底部。虽然可靠性高且性能稳定，但其耗气量可能较高，且维护也更为复杂。
- 无阀冲击锤：现代标准。它们利用活塞自身的运动来控制气流通道的开闭。其优点包括结构更简单、零件数量更少、空气消耗量更低，以及冲击频率通常更高，从而在多种地层中实现更快的穿透速度。
1.3 绩效指标
选择冲击锤时，关键参数包括冲击能量（每次冲击，单位为英尺磅或焦耳）、冲击频率（每分钟冲击次数）和空气消耗量（立方英尺/分钟或立方米/分钟）。高能量、低频率的冲击锤可能更适合坚硬、易碎的岩石，而高频冲击锤则更适用于较软、可塑性较强的地层。
2. DTH 位
钻头是钻井系统与岩石之间的耗材接口。其设计决定了钻井速度、钻孔质量和整体成本效益。
2.1 功能
钻头将锤击的冲击能量和钻柱的旋转力转化为破碎和剪切作用。同时，其设计必须便于高效地清除产生的岩屑。
2.2 模型分类
硬质合金刀片几何形状
- 球形纽扣：耐磨性极佳，适用于从中等硬度到极硬的各种岩石。它们往往能产生更细的碎屑。
- 弹道式钻头：其尖锐的几何形状能够集中应力，从而更快地穿透软至中硬岩石。它们通常会产生较大的碎屑。然而，在坚硬、粗糙或高度破碎的地层中，尖锐的钻头更容易断裂。
- 楔形按钮：不太常见，高度专业化，适用于非常柔软、无磨蚀性的地层，可提供强劲的撕裂和剪切作用。
钻体轮廓
- 扁平轮廓：最大限度地提高稳定性，是硬岩中小直径和直孔钻探的首选。
- 抛物线型钻杆：深而弯曲的排屑槽可有效排出钻屑，降低在粘性地层或快速钻进地层中钻头结块（堵塞）的风险。这对于大孔径钻井尤为重要。
- 孔径控制按钮：钻头最外侧的按钮对于保持孔径至关重要。这些按钮通常由更耐磨的硬质合金制成，并可能经过精心设计，例如采用特殊的定位或形状（如跟部按钮），以保护钻头本体免受磨损，并确保钻出的孔干净且孔径符合要求。
2.3 连接类型
虽然标准 API 螺纹很常见，但花键连接在高扭矩应用中越来越受欢迎，因为它们能更均匀地分配负载，并且不易发生螺纹磨损或失效。
3.钻杆
钻杆常常被忽视，但它是一种高精度部件，必须承受巨大的动态载荷。
3.1 功能
它具有多种作用：空气通道、旋转和推力传递器以及悬挂在孔中的结构柱。
3.2 技术规格
钢材等级和热处理
优质钻杆采用AISI 4145H等合金制成，并经过严格的淬火和回火工艺。这一工艺可形成坚韧且富有延展性的杆芯，以吸收冲击，并形成坚硬耐磨的表面。
线材技术
螺纹连接通常是钻柱中最脆弱的部位。先进的专用螺纹具有以下特点：
- 优化锥度和螺距，实现均匀载荷分布。
- 稳健的根系半径可减少应力集中并防止开裂。
- 先进的密封表面，例如金属对金属密封或集成 O 形圈，其性能优于传统的螺纹化合物，可确保完全的压力完整性。
镦锻
管端通常采用热锻工艺，以形成更大的横截面积，从而显著提高螺纹连接的强度，与直接在管体上进行螺纹连接相比，大大提高了连接强度。
4. 柄适配器
这些部件构成了旋转钻杆和锤头之间的重要连接。
4.1 功能
柄部适配器将锤头顶部与第一根钻杆连接起来。它经过特殊设计，能够承受锤头活塞的全部冲击力，同时传递旋转动力。其密封件对于防止压力损失至关重要。
4.2 材料
这些部件承受着严重的循环载荷和磨损。它们通常由高等级合金锻造而成，并经过感应淬火等特殊热处理工艺，以获得坚硬耐磨的外层和坚韧吸震的内部结构。
5. 稳定器
稳定器是控制钻柱和保证井眼质量的关键工具。
5.1 功能
- 中心化：使井底钻具组合 (BHA) 保持在井眼中心，从而促进直线钻进并减少偏差。
- 减振：减少可能损坏螺纹、加速部件磨损和导致钻柱疲劳的有害横向振动。
- 孔壁支撑：在较软的地层中，它可以帮助支撑钻孔壁，防止坍塌，并确保锤头和钻头畅通无阻。
5.2 设计变体
稳定器可以是整体式（安装在接头上）或可更换套筒式。耐磨垫由硬化钢或碳化钨制成，以承受与井壁的持续接触。
结论
选择潜孔锤组件的关键不在于挑选最佳的单个部件，而在于组装出协同效应最佳的系统。高压锤如果用于软岩钻头，则会造成浪费；优质钻杆如果搭配劣质的钻头接头，也会影响其性能。成功的关键在于分析岩层结构，选择能够提供合适能量的锤头、具有最佳按钮设计和轮廓的钻头，以及强度和密封性能足以承受所需压力和载荷的钻柱。
