21世纪油气资源勘探钻井技术开发领域及其应用发展,会以更快的钻井速度、更短钻井周期、工作中的更高有效钻井率,工艺技术上可以进行更深的陆地钻井和海洋钻井,在钻井过程中钻井技术对环境更友好、破坏更小,开采开发资源时能够在钻进过程中、钻进过程后储层资源不被干扰破坏,钻井技术实施成本低、投入可控(如每吨石油开采较低的钻井成本)。而为了解决我国资源勘探开发面临的复杂地表地质条件、低渗透、深埋等问题,钻井新技术的开发发展十分必要。气动潜孔锤钻井技术是将冲击钻井和旋转钻井结合起来的一种钻井工艺方法。自20世纪初发明以来在矿山、采石、地质勘查、水文水井、工程施工、石油钻井等领域得到了广泛应用。但囿于其钻进机理,传统空气锤在深井钻进时,由于井底围压的升高,导致地面供气装置必须提供更高的供气压力、更多的气体流量来平衡井底围压,限制了其在油气钻井等深井领域的应用。有鉴于此,课题组研发了一套可用于复杂深地层的钻探组合系统。集高效空气锤凿岩、旋转冲击凿岩、压缩空气密闭循环、泥浆辅助破岩、碎屑清除、保护孔壁等特色技术于一身的钻井工艺。在钻进时可以实现压缩空气、钻井泥浆分别独立密闭循环。实现钻进中不受井底围压限制,不受井底含水量限制等多项功能。钻进系统主要设计研发的部件包括:(1)BQ-190型密闭循环空气锤;(2)配套的可实现不同钻进工艺的钻头;(3)用于实现多介质密闭循环的TSB-146型同轴三通道钻杆;(4)与地面上钻机设备、空气压缩机设备相连接的气水龙头、与同轴三通道钻杆连接的三通道四方主动钻杆。论文以下各章节对实现该钻进工艺的关键技术进行了介绍描述,对钻进工艺中研发设计的关键部件分别进行了结构设计、材料加工工艺等方面的分析、对关键部件性能进行了数值模拟分析,对其中重要部件应用时面临的主要困难进行了预测分析,并进行了相应的理论计算公式推导、仿真分析和仿真试验。本论文的主要研究内容有:(1)提出了闭式循环空气锤及三通道钻具系统钻进工艺技术,并进一步阐述其钻井工艺原理;(2)对用来实现闭式循环钻进工艺的空气锤钻具系统进行功能研发、结构设计、材质选择、热处理工艺设计,主要包括以下:(1)对BQ-190型闭式循环空气锤进行的功能实现机理、结构设计定型、内部构件设计进行研发;(2)对与空气锤配套的球齿钻头进行结构分析、尺寸设计、加工材质选择、热处理工艺设计;(3)对TSB-146型三通道钻杆的功能实现、结构设计、加工材质选择进行了分析;(4)对三通道四方主动钻杆进行结构设计定型分析。(3)对钻具系统的数值模拟分析,其中包括:(1)对闭式循环空气锤进行的流场数值分析;(2)对配套的钻头孔底结构流场进行分析;(3)对TSB-146三通道钻杆内部通道进行流场压降分析,对钻具系统中三通道四方主动钻杆的进排气通道进行内部流场分析。(4)通过流体力学相关理论,对同轴三通道钻杆进行压降损失分析;(5)采取模拟试验方法,根据现有实验条件,设计钻杆工作压降损失模拟系统,观测分析在管路不同长度条件、不同过流断面突变情况下压降变化规律,通过改变两相流体中液气混合比例,分析不同混合比例的两相流体对钻具系统压降造成的影响。本论文的创新点主要有:(1)提出了可用于复杂地层的空气锤闭式循环钻进新工艺。该工艺集高效空气锤凿岩、旋转冲击凿岩、压缩空气密闭循环、泥浆辅助破岩、碎屑清除、护壁等特色于一身。在钻进时可以实现压缩空气、钻井泥浆独立密闭循环;(2)针对该钻进工艺,研发设计了相应的钻具系统。主要设计研发的部件包括:(1)BQ-190型密闭循环空气锤;(2)配套的实现钻进工艺的钻头;(3)用于实现多介质密闭循环的同轴三通道钻杆;(4)与地面上钻机设备、空气压缩机设备相连接的气水龙头、与同轴三通道钻杆连接的三通道四方主动钻杆;(3)在结合对设计的钻具系统工艺实现机理分析基础上,应用分析软件进行了钻具系统多个部件的不同运行环境数值模拟分析,完成部件设计的验证与优化,为进一步作业提供理论依据与数据支撑;(4)采用流体力学等相关学科的基础理论知识,在分析钻具运行环境基础上,推导了压降的理论计算公式。对三壁钻杆工况下的压缩空气损失进行分析;设计运用模拟试验方式,分析了不同长度、不同截面突变和不同气水混合条件下试验管道的压降变化,通过试验数据与理论计算数据进行对比,为进一步完善工艺生产提供帮助。