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空气锤在钻井技术上的应用 |
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近年来，由于开发深部油气资源力度的不断加大，提高机械钻速成为深井、超深井钻井的关键技术问题之一。而气体钻井成为解决这一技术难题的新技术，并得到了广泛推广。空气锤钻井技术以小钻压、低转速、机械钻速高、钻具寿命长、防斜能力强的技术优势,在钻进硬质、复杂、高陡、易斜地层中取得良好的经济效益,成为气体钻井的首选。因此，应用空气锤钻井技术解决深井、超深井的提速防斜问题将成为发展的趋势。但国内空气锤所钻最大井深为4300米，仍然不能解决4500米以下的深井问题。
提高空气锤的性能、延长空气锤及其钻头的使用寿命、提高空气锤破岩效率是当前发展空气锤的主要任务。
1、首先，阐述了空气锤内部工作过程，运用运动学、气体动力学等相关理论建立了描述空气锤工作过程的数学模型，并根据所建的数学模型编制了研究空气锤工作过程机理的仿真软件。该软件实现了绘制压力¬——时间、温度——时间、速度——时间、位移——时间、加速度——时间、位移——速度等动态曲线的功能，较好地揭示了空气锤内部运动规律。应用此软件研究了空气锤结构参数及工作条件的改变对其性能的影响规律。
2、分析了空气锤撞击钻头破碎岩石的特征，以此为基础建立了空气锤钻井的力学模型，并应用断裂损伤的相关理论建立了动、静耦合条件下岩石内部裂纹扩展的数学模型，然后通过实验对循环加载下的岩石力学性质进行研究，验证了岩石裂纹扩展的数学模型，初步揭示了空气锤钻井中岩石破碎的机理。最后，根据前面所作的研究，分析了影响岩石破碎的因素。
3、由于用于破碎岩石的主要能量主要来自于空气锤核心部件活塞撞击钻头后产生的应力波，本文依据波动理论、非线性局部变形理论，应用有限差分原理对空气锤活塞撞击钻头产生的应力波进行数值模拟，模拟出活塞和钻头的应力波形及凿入力历程曲线，为合理设计活塞和钻头结构参数提供了依据。
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