CN115408651A - 空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法 - Google Patents

空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法
技术领域
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。
背景技术
空气锤钻井是指用联接在钻头上的空气锤对钻具施加压力并同时回转，给予钻头以高频冲击能量，进行冲击回转的钻井方式。空气锤钻井具有低钻压、低转速和扭矩平稳的特点，可以显著提高钻速和有效控制井斜，并兼顾了气体钻井对储层伤害小的优点。因此，这种钻井方式在钻进高陡和硬质岩层的过程中得到了广泛使用。
在钻井工程项目中，涉及到空气锤通过空气压缩、液压等形式作用下做高频上下往复运动且同时做回转运动，进行机械能转换，不断冲击钻头，实现冲击或旋转破岩。
目前，空气锤性能缺少***的，标准的定量评价的方法。空气锤在实际工作过程中，决定空气锤钻井效果(包括井下环境，单只进尺、工作时间、机械钻速)的是冲击频率和冲击功，由于缺乏专用检测手段，目前无法科学的、定量的实现入井前空气锤性能评价。一般的做法是在入井前在钻台上进行功能性测试，依靠人工经验凭振感、声音判断空气锤的工作状态，定性评价空气锤性能，基于此，空气锤的行程确定以及初始动能的设定得不到可靠依据，可能导致空气锤性能不佳，入井后钻井效果差异较大，更胜者，空气锤可能因初始动能过大而影响到使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于根据上述现有技术问题，提供空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法，能够实现对空气锤所做的冲击功快速准确的测量，用于量化评价冲击功，并优化其活塞行程与结构，指导动力源空压机的输出功率，实现定量和定性的空气锤工作状态综合性优化和评价。需要说明的是，其他与空气锤相似结构和工作原理的动力工具也可以采用本技术方案。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
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。
优选的，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
Figure BDA0003794440480000021
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。
优选的，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
Figure BDA0003794440480000022
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。
优选的，所述初始动能设定的步骤S1中，能量传递效率公式为
Figure BDA0003794440480000031
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。
优选的，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
Figure BDA0003794440480000032
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
Figure BDA0003794440480000033
拓展空气锤钻井机械比能方程式，以获得
Figure BDA0003794440480000034
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。
优选的，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
Figure BDA0003794440480000041
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
Figure BDA0003794440480000042
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
Figure BDA0003794440480000043
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。
优选的，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
Figure BDA0003794440480000044
获得机械比能的物理量E传计算公式
Figure BDA0003794440480000045
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，计算出的E传即为空气锤的活塞所需传递至钻头用于破岩的能量；
S45，将步骤S44的计算结果与步骤S3中获取的当前空气锤的能量传递效率一起带入能量传递效率公式
Figure BDA0003794440480000051
计算出破岩所需的冲击功。
本发明的有益效果：
1)本技术方案通过预先进行空气锤的行程确定，确保后期各参数的论计算结果最大限度的贴近空气锤的实际工作情况，为提高空气锤初始动能设定的准确性打下了良好基础；进一步的，本技术方案首先确定了空气锤的能量传递效率，再基于破岩所需的能量反推所需的空气锤冲击功，如此一来，便可基于所需的空气锤冲击功定量设定空压机的工作参数，以进一步实现空气锤初始动能的定量设置。由此，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。
2)本技术方案根据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，将机械能量与空气锤冲击能量两者结合起来，由此建立空气锤钻井机械比能方程式，形成更为接近真实钻进条件下的空气机械比能，如此一来为本技术方案推算数据的准确性奠定了可靠基础。
3)本技术方案巧妙运用了岩石抗压强度表，通过寻找岩石抗压强度与机械比能存在的关系，结合空气锤钻井机械比能方程式，获取空气锤的活塞传递至钻头用于破岩的能量的计算条件，计算结果合理可靠，在此基础上反向推算所需的空气锤动能，既能很好的限制能量的输入，又能确保破岩能量足够。
附图说明
图1为本技术方案的基本实施流程图。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法，作为本发明一种基本的实施方案，包括行程确定和初始动能设定。
空气锤活塞的行程会影响到能量的传输，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。以确保后期各参数的理论计算结果最大限度的贴近空气锤的实际工作情况，进一步确保空气锤初始动能设定的准确性。
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。能量传递效率公式主要体现空气锤活塞冲击做功和破岩能量的关系，由此，便为后期基于所需的破岩能量反推所需的空气锤活塞冲击做功打下了可靠的基础。
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(参见《空气锤钻井机械比能计算方法》，发表于2020年3月《石油钻采工艺》第42卷第2期，作者：李昌盛、杨传书、马英)。
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(即冲击做功)。
S5，由于冲击功的能量来源是空压机(即空气锤的初始动能来源于空压机)，因此，通过设定空压机的输出动能，即可给予所需的冲击功，具体的：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。
综上所述，本技术方案通过预先进行空气锤的行程确定，确保后期各参数的论计算结果最大限度的贴近空气锤的实际工作情况，为提高空气锤初始动能设定的准确性打下了良好基础；进一步的，本技术方案首先确定了空气锤的能量传递效率，再基于破岩所需的能量反推所需的空气锤冲击功，如此一来，便可基于所需的空气锤冲击功定量设定空压机的工作参数，以进一步实现空气锤初始动能的定量设置。如此一来，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。
实施例2
本实施例公开空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法，作为本发明一种基本的实施方案，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。
具体的，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
Figure BDA0003794440480000071
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。空气锤在做冲击功的过程中，向下运动到下终点发生碰撞后，加速度不为零，并且还在继续发生变化，有可能速度还未达到最大时，就已经发生碰撞。所以加速度上记录的时间可能并非是空气锤最优行程时间，需要电编码器进行准确的时间测量，具体见步骤c。
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。
其中，利用电编码器检测空气锤活塞的行程时间t2的原理为：活塞完成一次下冲程和一次上冲程才代表着完成一次冲程工作，电编码器可检测活塞一次冲程工作的总时间；活塞在上冲程期间会发生微小的回转动作，可通过是否发生回转动作来区分上冲程和下冲程，电编码器可检测活塞的回转角度以及回转时间(即上冲程时间)，由一次冲程工作的总时间减去回转时间，即为空气锤活塞的行程时间t2。
基于上述检测到的运动参数，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
Figure BDA0003794440480000072
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。
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。
实施例3
本实施例公开空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法，作为本发明一种基本的实施方案，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。
具体的，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
Figure BDA0003794440480000091
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。空气锤在做冲击功的过程中，向下运动到下终点发生碰撞后，加速度不为零，并且还在继续发生变化，有可能速度还未达到最大时，就已经发生碰撞。所以加速度上记录的时间可能并非是空气锤最优行程时间，需要电编码器进行准确的时间测量，具体见步骤c。
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。
基于上述检测到的运动参数，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
Figure BDA0003794440480000092
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。
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。具体的：空气锤在冲击钻井时，主要有两方面的能量传递，一部分能量为空气锤传至钻头用于破岩动能E传，一部分能量为使得空气锤反弹的动能E反弹，基于此，则有E冲＝E传+E反弹。由于E反弹作用于底部时间较微小，在实验中，往往不易被传感器测出，所以向下传递给钻头的能量关系式可简化为如下E传＝ηE冲，则有能量传递效率公式为
Figure BDA0003794440480000101
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。
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。具体的，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
Figure BDA0003794440480000102
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
Figure BDA0003794440480000103
拓展空气锤钻井机械比能方程式，以获得
Figure BDA0003794440480000104
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。
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，具体包括以下步骤：
S31，基于
Figure BDA0003794440480000111
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
Figure BDA0003794440480000112
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；具体的，v线速度＝a钻头t钻头，a钻头可采用加速度传感器进行检测，钻头在完成一次下冲程后，也会产生一个回转动作，基于此，可基于电编码器检测空气锤活塞的行程时间t2的原理检测t钻头。
S33，基于能量传递效率公式为
Figure BDA0003794440480000113
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。
S4，一般情况下，机械比能最小与岩石的抗压强度相等方能破岩，由此，便可基于岩石抗压强度，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，具体的，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
Figure BDA0003794440480000114
获得机械比能的物理量E传计算公式
Figure BDA0003794440480000121
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，计算出的E传即为空气锤的活塞所需传递至钻头用于破岩的能量；
S45，将步骤S44的计算结果与步骤S3中获取的当前空气锤的能量传递效率一起带入能量传递效率公式
Figure BDA0003794440480000122
计算出破岩所需的冲击功。
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。
实施例4
本实施例公开空气锤的行程确定以及初始动能设定的方法，作为本发明一种基本的实施方案，即实施例1、2或3的步骤S5中，改变空压机的数量的依据为：
Figure BDA0003794440480000123
E空压机＝P总t；
其中，η空压机为空压机的能量传递效率；E空压机为空压机的总输出功；P总为空压机的总输出功率，t为空气锤的一个下冲程时间。空气锤自身结构以及与空压机连接结构不变的条件下，η空压机是基本固定不变的，在相同t的条件下分别获得E冲和E空压机后，便可获得η空压机。
基于上述依据，在已知η空压机的情况下，根据步骤S4获取破岩所需的冲击功后，基于公式
Figure BDA0003794440480000131
即可计算出空气锤的初始动能(即空压机的总输出功E空压机)，再基于E空压机＝P总t计算出空压机的总输出功率P总，令每台空压机的输出功率为P，则取空压机的数量通过
Figure BDA0003794440480000132
进行计算，当计算出的n为整数时，空压机的数量为n，当计算出的n为小数时，空压机的数量取大于n的最小整数。

Claims (7)

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
Figure FDA0003794440470000011
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
Figure FDA0003794440470000012
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，所述初始动能设定的步骤S1中，能量传递效率公式为
Figure FDA0003794440470000021
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
Figure FDA0003794440470000022
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
Figure FDA0003794440470000023
拓展空气锤钻井机械比能方程式，以获得
Figure FDA0003794440470000024
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
Figure FDA0003794440470000025
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
Figure FDA0003794440470000026
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
Figure FDA0003794440470000031
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
Figure FDA0003794440470000032
获得机械比能的物理量E传计算公式
Figure FDA0003794440470000033
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，计算出的E传即为空气锤的活塞所需传递至钻头用于破岩的能量；
S45，将步骤S44的计算结果与步骤S3中获取的当前空气锤的能量传递效率一起带入能量传递效率公式
Figure FDA0003794440470000034
计算出破岩所需的冲击功。
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