鉆孔應用的精確定義來自於選擇最佳的鉆孔方法和準確評估使用高壓壓縮空氣和DTH錘鉆孔的可行性。圖1是鉆井方法和鉆機選擇流程表。整個過程包括不斷收集和解釋數據，最後詳細描述工作環境、鉆井設計、鉆井過程和設備要求。圖2是英格索蘭公司用於選擇鉆井方案和鉆機的數據收集表。
圖1鉆探方法及鉆機選擇流程表
圖2鉆井數據收集表
2地質評價
評估過程的第壹步是收集地下地質和水文信息。在許多情況下，這些信息可以從以前的鉆井記錄中獲得，或者直接從該區域的實際鉆井作業中獲得。此外，我們還可以從壹些政府機構(如地勘局、油氣協會)或大學獲得壹些相關信息。圖3是鉆井設計信息收集表，我們將在整篇文章中以此為例進行討論。
圖3鉆井設計信息收集表
地質剖面圖顯示，頁巖、石灰巖和砂巖位於表土和松散頁巖之下。該地區以前的鉆井數據顯示了不同地層中的以下射孔速度:
水井鉆探與完井新技術
這意味著，在地質條件允許、鉆井設計參數滿足的情況下，空氣DTH錘鉆進可以達到極佳的工作效率，應該成為該地形鉆井的首選。圖4顯示了地層和鉆井方法之間的關系。
3水文評估
水文地理學在評估使用空氣DTH錘的可行性以及是否能達到預期的射孔速度方面也起著重要的作用。鉆孔過程中哪裏有水以及水量與鉆孔和井眼清潔所需的壓縮空氣的壓力和體積直接相關。如果鉆孔過程中大量的水沖入孔內，會降低DTH錘的工作效率，或者極端情況下會使DTH錘停止工作，直到水量得到控制。在我們的示例井中，進入地面井眼的水量為189升/分鐘。
圖4地層與鉆井方法的關系
治理突水的方法包括:增加壓縮空氣的體積和壓力；將少量水和添加劑(如發泡劑或聚合物)噴入壓縮空氣中；在鉆桿之間連接專用氣舉接頭，以控制氣量和水量。在我們的示例井中，在使用泡沫添加劑和氣舉連接後，空氣DTH錘鉆進中的水量得到了有效控制。
壹般來說，我們可以從當地相關機構或水井承包商處獲得水文地質的書面信息和以前的鉆井計劃。水文地質研究對於有效規劃和實施鉆井項目非常重要。
圖3顯示，地下水的數量極低，並且僅局限於地表和地下300m m的區域。在鉆井過程中，無需添加壓縮空氣或使用任何添加劑，即可輕松控制水的流入量。
4鉆井設計
開口和表層套管下降到大量湧水區域以下的深度。表層套管從裸眼底部膠結到地表，以阻擋地表水，防止地下水進入孔內。鉆井完成後，在表層套管的頂部安裝壹個法蘭，然後在上面安裝壹個排氣保護旋轉頭，以控制鉆井過程中的散射汙染。
井的設計(套管規格)決定了井眼的直徑和深度。所選擇的鉆井方法必須保證幹凈的直井眼，孔徑必須足夠大，以便於下套管。所需的孔徑和深度不僅是選擇最佳鉆井方法的重要因素，而且與地層的地質和水文特征直接相關。在鉆井應用中，空氣DTH錘對於在中等或低湧水量的中等至極硬地層中鉆直徑為6”(152mm)至(311 m m)的孔最為有效。
5鉆具設計
鉆井規範和鉆井方法決定了鉆井工具的設計。選擇鉆井工具的目的是確保它們有足夠的強度來克服鉆井過程中的壓縮、拉伸和扭轉載荷。鉆具的所有元件必須有壹個中空的空間，以有效地容納鉆井液和排渣。
所有部件都必須能夠被油井容納，並具有足夠的重量，以實現最佳射孔速度。鉆具的設計決定了鉆機主要部件的性能，如進給(提升)、旋轉和循環回路。
與牙輪鉆井不同，DTH錘鉆不需要依靠作用在鉆頭上的重量來打孔。整個鉆進是通過對鉆頭表面的壹系列快速、高強度的打擊和球齒的緩慢旋轉來實現的。正因為如此，DTH錘的鉆具不需要很重，像鉆鋌這樣的大型零件也可以快速鉆孔。更輕的鉆具部件意味著更容易和更安全的操作，並賦予鉆機比空氣輥或泥漿鉆井更深的鉆井能力。如果套管重量超過鉆具，在選擇鉆具容量時，必須匹配較重的套管。在我們的示例井中，鉆具的重量超過了套管的重量，因此我們使用鉆具的重量來確定鉆機的提升力。
6鉆機能力
6.1進給
壹旦選擇了鉆具和套管的尺寸和重量，就可以確定鉆機的最終能力。我們通常在鉆具總重量上加上25%的安全系數來確定鉆機的提升力。
現代液壓頂部驅動旋轉鉆機通過液壓缸作用於連接在旋轉頭上的鋼絲繩，為鉆具提供提升和進給力。這個系統可以快速升降和進給，同時可以精確控制。
鉆機還具有鉆孔進給系統，該系統可以精確控制作用在鉆頭或DTH錘上的重量。除了加壓或提升鉆具之外，即使當鉆具的重量超過鉆頭所需的重量時，鉆井進給系統也能精確地控制作用在鉆頭或DTH錘上的力。操作者將系統設置為通過提升抵消部分鉆具重量，從而精確控制作用在鉆頭上的重量，保證最佳鉆井效率。
滾子鉆井依靠旋轉和作用在鉆頭上的巨大重量來打孔。在硬巖地區，壹個(311mm)牙輪鉆頭需要23000~27000kg的質量才能達到最佳的射孔速度。為了滿足作用在(311 m m)牙輪鉆頭上的最佳重量，需要壹個260 m長的6”(152mm)鉆鋌。對於壹個深度為1372 m的孔，這意味著鉆井效率比標準低20%左右。
因為DTH錘使用壓縮空氣本身產生的能量，所以不需要像滾子鉆孔那樣重的鉆孔工具部件。DTH錘鉆工具更輕、更便宜，在鉆井過程中操作更容易、更安全。壹個(311mm) DTH錘鉆頭只需要3000~3600kg就能滿足快速鉆進的要求。DTH鐵錘可以達到最快的開啟速度。鉆孔時，現代液壓頂部驅動旋轉鉆機通過加壓精確控制作用在DTH錘上的重量。隨著孔深的增加，越來越多的鉆具投入使用。此時，操作者通過不斷降低壓力，最後上提直至成孔，可以保證作用在鉆頭上的最佳重量，獲得最大的鉆進效率。使用絞車的鉆機，即使配備了自動鉆井系統，也無法控制作用在鉆頭上的重量，因此無法達到最佳效果。
6.2旋轉
井的設計和鉆井方法也決定了旋轉頭的能力。用空氣DTH錘鉆壹個6英寸(152毫米)至(311毫米)的孔，扭矩為82110848N·m，轉速為20 ~ 60r/min。液壓旋挖鉆機具有任意轉速下扭矩輸出高、無級調速的優點。
牙輪鉆頭通過旋轉和作用在鉆頭上的重量來鉆孔。在許多地層中，地質結構特征容易導致牙輪鉆頭偏離垂直井眼方向。為了避免這種現象，需要在孔底使用特殊的鉆具，迫使牙輪鉆頭回到正確的軌道。然而，這些鉆井工具沈重且昂貴，並且它們需要更大的鉆機，具有更大的提升力和扭矩，以確保鉆探到設定的深度。在許多情況下，由於套管不能下到要求的深度，傾斜的井眼必須重新鉆孔或廢棄。
由於DTH錘采用垂直力鉆進，井斜趨勢相對小得多。在易發生井斜的地層中，可在DTH錘上方加壹個短扶正器來控制井斜。
6.3周期
與其他鉆機部件相比，空氣壓縮系統(空氣壓縮機)的容量對鉆井成本和效率的影響最大。空氣壓縮機的排量[每分鐘立方英尺(ft3/min)，或每分鐘立方米(m3/min)]用於沖擊DTH錘，清潔鉆頭表面和排渣。空氣壓縮機的壓力[磅每平方英寸(1b/in2)或千克力每平方厘米(kgf/cm2)]用於提供DTH錘的沖擊能量，排出爐渣，克服孔內水壓。
圖5顯示了確保DTH錘正常運行所需的空氣量和空氣壓力，該錘可鉆孔6英寸至24英寸。
圖5英格索蘭DTH錘所需的氣體和空氣壓力
在實際應用中，如果有更多的水流入孔中，可以使用增壓器來保證通過DTH錘和排水排渣的壓差。圖6顯示了鉆井過程中水位的影響。
圖6水位對氣壓的影響
現在的頂驅旋挖鉆機往往采用兩級高壓螺桿式壓縮機來提供循環空氣。這些空氣壓縮機，如英格索蘭HR-2.5，額定排量為34.5m3/min，額定壓力為24.1(kgf/cm2)，可直接安裝在鉆機上(如RD20)，也可單獨提供固定式或移動式(圖7)。這些空氣壓縮機是專門為油田服務而設計的，應用於水井鉆探，具有卓越的功效和高可靠性記錄。
圖7 rd20的甲板設計
在某些情況下，當孔徑較大、地層不穩定或孔內有大量湧水時，可通過鉆機上的液壓驅動噴水系統將水、發泡劑和聚合物噴入鉆井空氣中。這些添加劑擴展了空氣DTH錘的性能，它們的作用如下:
(1)增加壓縮空氣的粘度，提高其低速有效提升和攜帶鉆屑的能力。
(2)增加孔內湧水的氣泡，降低水的密度，便於排渣。
(3)增加壓縮空氣的膠體，可在孔壁表面形成保護層，減少水的流入，穩定孔壁。
這些水噴射泵是液壓驅動和可變控制泵，具有適當的壓力來克服空氣壓力。
DTH錘工作時需要內部潤滑。鉆機配有DTH錘潤滑器，當DTH錘工作時，向壓縮空氣中註入少量潤滑油。該系統的噴油量可調，並有合適的壓力來克服鉆井空氣壓力。
6.4實際鉆井效率
圖8是美國東部實際生產井的示意圖。地質和水文環境決定了該井設計為多級井眼和套管。這口井是英格索蘭-20鉆機用DTH錘鉆的。整個鉆井過程為兩班制，每班三人在12h連續工作。鉆桿尺寸為×30英尺(114毫米×9.1米)，外形扁平，重量為25.6千克/米..鉆具最大總重量為19332kg。RD-20的最大提升力為54432kg。6m深的導向孔采用空氣錐泡沫鉆成。在井眼上部221 m處，地層出水量約為189 L/min。采用英格索蘭DTH錘從導孔底部鉆進至674 m深度，由於水從表層和孔中間流入，註入發泡劑以降低向上速度，幫助排水和排渣。每152米鉆具增加壹個單向接頭(氣舉)控制水量。
圖8美國東部煤層中的氣井示例
圖9是整個完井過程中的鉆井進度。全井完井平均速度12m/h，平均鉆速38m/h，平均下套管速度168m/h，平均下套管速度259m/h..連桿和卸載桿的平均速度為305米/小時，整個完井時間為78小時，包括準備和撤離時間。
圖9煤層氣井實際鉆井進度