(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210965301.2 (22)申请日 2022.08.12 (71)申请人 中国石油天然气集团有限公司 地址 100007 北京市东城区东 直门北大街9 号 申请人 中国石油集团川庆钻探 工程有限公 司 (72)发明人 李雷　康桂琼　李枝林　邓虎　 许期聪　谭宾　黄崇君　范黎明　 唐贵　陈科旭　 (74)专利代理 机构 成都天嘉专利事务所(普通 合伙) 5121 1 专利代理师 张新 (51)Int.Cl. G06F 17/11(2006.01)G06F 16/2455(2019.01) G06Q 10/04(2012.01) G06Q 50/02(2012.01) E21B 4/16(2006.01) (54)发明名称 空气锤的行程确定以及初始动能设定的方 法 (57)摘要 本发明属于油气井钻井技术领域,尤其涉及 空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 首 先基于所述运动参数计算并优化空气锤活塞行 程， 然后建立能量传递效率公式和空气锤钻井机 械比能方程式， 结合空气 锤钻井机械比能方程和 能量传递效率公 式获取破岩所需的冲击功， 根据 破岩所需的冲击功， 通过改变空压机的数量， 以 定量设置空气 锤的初始动能。 本技术方案本技术 方案实现了能量的最大利用率， 即满足了破岩的 能量要求， 又避免初始能量过大而导致空气锤的 寿命收到影响。 权利要求书3页 说明书8页 附图1页 CN 115408651 A 2022.11.29 CN 115408651 A 1.空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 其特征在于， 包括行程确定和初始动 能设定； 所述行程确定， 即基于空气锤活塞冲击做功的计算公式分析空气锤活塞冲击做功的运 动参数， 检测所述 运动参数， 然后基于所述 运动参数计算并优化空气锤活塞行程； 所述初始动能设定包括以下步骤： S1， 根据空气锤冲击钻井时的能量流向， 建立与空气锤活塞冲击做功和破岩能量有关 的能量传递效率公式； S2， 基于空气锤钻井井下破碎岩石的能量来源， 优化R.Teale机械比能方程式， 以建立 空气锤钻井机械比能方程式； S3， 基于结合能量传递效率公式以及空气锤钻井机械比能方程式， 获取当前空气锤的 能量传递效率； S4， 基于岩石抗压强度， 结合空气锤钻井机械比能方程和能量传递效率公式获取破岩 所需的冲击功； S5， 根据破岩所需的冲击功， 通过改变空压 机的数量， 以定量设置空气锤的初始动能。 2.如权利要求1所述空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 其特征在于， 所述行 程确定的过程中， 检测所述 运动参数包括以下步骤： a.基于冲击做功的计算公式 确定所需检测的运动参数， 包括空气 锤活塞的加速度和空气锤活塞的行程时间； 其中， E冲为空气锤的冲击做功， 即活塞向下冲程 的冲击功； m活塞表示活塞的质量； t表示活塞 下冲程所用的时间， 即空气锤活塞的行程时间； a 表示空气锤活塞的加速度； b.在空气锤上布设加速度传感器和电编码器； 并将加速度传感器组件接入相应的参数 检测设备； c.启动空气锤， 在 活塞初速度v0＝0的前提下， 利用加速度传感器检测空气锤活塞的加 速度a和空气锤活塞的行程时间t1， 利用电编码器 检测空气锤活塞的行程时间t2。 3.如权利要求2所述空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 其特征在于， 所述行 程确定的过程中， 计算并优化空气锤活塞行程包括以下步骤： 基于活塞位移公式 将加速度 传感器检测得到的空气锤活塞的行程时间 t1和电编码器检测得到的空气锤活塞的行程时间t2作比较； 其中， S为活塞位移， v0为活塞初 速度； 若t1＝t2， 则表示空气锤设计的运行在最佳行程， 无需优 化活塞结构行程， t＝t1＝t2， 计 算出的活塞位移S即为活塞最优行程； 若t1＞t2， 则表示当空气锤活塞速度达到最大时， 活塞还未接触到底部， 则根据活塞位 移公式， 分别利用t1和t2计算出相应的活塞位移， 以获取两个时间下的活塞位移差； 根据活 塞位移差缩短活塞行程结构设计， 以使t1＝t2； 若t1＜t2， 则表示当空气锤活塞接触到底部时， 其速度还未达到最大时， 则根据活塞位 移公式， 分别利用t1和t2计算出相应的活塞位移， 以获取两个时间下的活塞位移差； 根据活 塞位移差延长活塞行程结构设计， 以使t1＝t2。 4.如权利要求2所述空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 其特征在于， 所述初权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115408651 A 2始动能设定的步骤S1中， 能量传递 效率公式为 其中， η为能量传递 效率； E传为空气锤 的活塞传递至钻头用于破岩的能量。 5.如权利要求4所述空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 其特征在于， 所述初 始动能设定的步骤S2中， 建立空气锤 钻井机械比能方程式包括以下步骤： S21， 基于空气锤的工作原理， 分析空气锤钻井井下破碎岩石的能量来源， 所述能量来 源包括冲击做 功、 钻压做 功和扭矩 做功； S22， 基于步骤S21分析结果建立基本空气锤钻井机械比能方程式 其中， E为机械比能， 单位Mpa； EW为钻压引起的轴向能， 单位J； ET为钻头的旋转动能； V为每分钟破 碎岩石单位体积； S23， 基于 R.Teale机械比能方程式 拓展空气锤钻井机械比能方程式， 以获 得 其中， W为钻头的钻压， 单位KN； T为钻头的扭 矩， 单位KN.m； n为钻头的转速， 单位r/min； v为钻头的机械钻速， 单位m/h； d为井底直径， 单 位cm。 6.如权利要求5所述空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 其特征在于， 所述初 始动能设定的步骤S3中， 获取当前空气锤的能量传递效率包括以下步骤： S31， 基于 计算出当前空气锤的冲击做功； 其中， 根据当前空气锤的 结构设计资料获取活塞的质量m活塞； a的取值是行程确定的过程中， 检测出的空气锤活塞加 速度； t取值是 行程确定的过程中， 电编码器 检测得到的空气锤活塞的行程时间； S32， 基于 计算当前空气锤的活塞传递至钻头用于破岩的能量； 其 中， 根据当前空气锤的结构设计资料获取活塞的质量m钻头； v线速度为钻头的轴向末速度， 是在 所述行程确定的过程所测的空气锤活塞加速度的条件下获取； S33， 基于能量传递效率公式为 结合步骤S31和S32的计算结果， 计算出当前空气 锤的能量传递效率 η。 7.如权利要求4所述空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法， 其特征在于， 所述初 始动能设定的步骤S4中， 获取破岩所需的冲击功包括以下步骤： S41， 基于破岩对空气锤钻井机械比能的最低要求E＝E岩， 结合空气锤钻井机械比能公 式 获得机械比能的物理量E传计算公式 S42， 现场启动空气锤， 基于录井或随钻仪器测量空气锤的运动参数， 包括钻头的钻压 W、 钻头的扭矩T、 钻头的转速n、 钻头的机 械钻速v； S43， 获取现场待钻井的井底直径d和岩石种类， 并基于岩石种类对照岩石抗压强度表 查找相应的岩石抗压强度E岩； S44， 将步骤S42和 S43中获取的相关参数带入机械比能的物理量E传计算公式进行计算，权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115408651 A 3