油气资源作为现代产业以及经济增长的重要助推器,在经济全球化的背景下具有无可替代的地位及意义,并已成为世界各个国家和地区综合国力及国家安全、稳定的主要标志。而在油气资源勘探开发中,钻井工程是直接了解地下地质情况,以及发现和开发油气资源最有效、最准确的手段。21世纪油气资源勘探钻井技术发展的趋势为:更快、更深、更清洁、更廉价。如今,世界各国都在对油气勘探钻井的提速技术及机具系统开展大量形式各异的研究和试验工作,提出了许多已经行之有效的钻井提速技术并研发出相应的钻进机具。而随着我国深井、超深井、水平井以及定向井所占比重不断扩大,遇到地质条件复杂、低渗透、埋藏深等地层的几率也不断增加,为了解决上述地层中钻进效率低、井下复杂事故多、钻井周期长、成本高等突出难题,提高我国在复杂条件下的油气藏以及品质较差储层的单井产量和采收率,推动我国油气资源勘探钻井提速技术的发展,本文创新研发出了一套集合空气锤高效碎岩旋冲钻井、压缩空气封闭循环、钻井泥浆辅助碎岩及排屑和护壁等多个优点于一身的多工艺、多介质的复合式钻井新技术及配套钻具系统,并针对其中的关键环节进行相应的计算公式推导、数值模拟分析以及模拟试验。本论文的研究内容及结论主要有:(1)研发出一套新型闭式循环空气锤及三通道钻具系统,具体包括:带有防掉落机构的BQ-190闭式循环空气锤及配套球齿钻头、TSB-146同轴三壁钻杆以及三通道四方主动钻杆。(2)这套闭式循环空气锤及三通道钻具系统能够实现一种新型的多工艺、多介质的复合式钻井技术,具体为:当闭式循环空气锤与常规硬质合金球齿钻头配合时,可以实现“空气锤旋冲钻进+钻井泥浆正循环或者反循环排屑、护壁”的钻井技术;与喷射钻头配合时,可以实现“空气锤旋冲钻进+泥浆高压喷射碎岩”的钻井技术;与气举反循环钻头配合时,可以实现“空气锤旋冲钻进+气举反循环排渣”的钻井技术。(3)通过ANSYS-LSDYNA有限元分析软件对球齿钻头强度进行分析得出:防掉落罩与钻头连接配合区段的应力值明显小于钻头尾部及颈部各段的应力值,较大限度地减小了钻头在防掉落罩配合段发生断裂的可能性,有效地起到防止当钻头尾部及颈部发生断裂时,钻头冠部落入井底的恶性事故。(4)通过应力波理论和弹塑性理论相关知识推导得出:齿孔过盈量主要受以下几个因素影响:活塞冲击末速度(vc)、钻头本体和合金齿材料性能(E、ρ、γ、σs)、合金齿径(d)、齿孔深度(h)以及相邻齿孔壁之间距离(l)。(5)通过ABAQUS有限元分析软件对合金齿与齿孔间过盈配合进行动态分析,得出:1)在合金齿压入齿孔后,齿孔侧壁的应力和位移大小及变化幅度均最大,且往往处于塑性变形状态,而在远离齿孔侧壁的钻头胎体中,应力和位移大小及变化幅度逐渐减弱并趋于平稳;2)在相同过盈量和动摩擦系数条件下,合金齿直径越大,对齿孔周围胎体产生的应力值和位移量越小;3)在相同齿径和动摩擦系数条件下,过盈量越大,对齿孔周围胎体产生的应力和位移值越大,变化幅度越明显;4)在相同齿径和过盈量条件下,动摩擦系数越大,对齿孔周围胎体产生的应力和位移值越大,变化幅度越明显。(6)通过对闭式循环空气锤动力系统进行分析得出:1)圆底型中心孔底的应力集中区域以及与钻头底唇面之间的应力值明显小于平底型和尖底型,且对钻头下部各变截面的应力值影响也优于平底型和尖底型;2)当钻头的圆底型中心孔深度为340 mm时,其颈部、冠部以及中心孔与底唇面之间的应力值最小。(7)通过流体力学相关理论推导TSB-146三壁钻杆压力降的计算公式得出:1)在三壁钻杆进、排气道各结构尺寸确定后,其沿程压力损失与空压机容积流量Q0的1.75次方成正比,与供气压力p的0.75次方成反比;2)三壁钻杆进、排气道的局部压力损失与容积流量Q0的平方以及局部压力损失系数ζ成正比,与供气压力p成反比。(8)通过Flow Simulation分别对TSB-146三壁钻杆及三通道四方主动钻杆进、排气道压力降进行分析得出:1)三壁钻杆进、排气道采用导正凸台端面突出于接头底端面一定距离的结构设计所产生的压力降和压缩空气流速波动幅值最小;2)无论是三壁钻杆还是三通道四方主动钻杆,其进、排气道的压力降均随供气量的增大而加速增大,随着供气压力的增大而逐渐减小,并且排气道的压力降均小于进气道的压力降。(9)采用模拟试验的方法对测试管路压力降进行监测,得出:1)压力降随着管路长度的增加而加速增大;2)压力降随着过流断面积比的增大而减小;3)在气水混合流体中,压力降随着液相含量的增大而加速增大。本论文的创新点主要有:(1)首次研发出能够适用于油气资源勘探钻井用的闭式循环空气锤及同轴三通道钻具系统,其中包括:带有防钻头掉落机构的BQ-190闭式循环空气锤及配套球齿钻头、TSB-146三壁钻杆以及三通道四方主动钻杆。(2)结合闭式循环空气锤及三通道钻具系统的结构特点,首次提出一种集合了空气锤高效碎岩旋冲钻进、压缩空气封闭循环、钻井泥浆辅助碎岩及排屑和护壁等多个优点于一身的多工艺、多介质的复合式钻井新技术。(3)采用应力波理论及弹塑性理论推导出钻头齿孔过盈量的理论计算公式,并采用有限元软件开展合金齿与齿孔之间过盈配合的动态分析,研究了不同合金齿径、不同过盈量以及不同动摩擦系数对齿孔周围胎体应力和位移的影响。(4)针对三种不同中心孔底(平底型、尖底型和圆底型)形状的钻头强度以及中心孔深度对钻头下部强度的影响进行研究,最后得出较优的结构参数。(5)采用流体力学知识推导出TSB-146三壁钻杆压力降的理论计算公式,并采用Flow Simulation对TSB-146三壁钻杆及三通道四方主动钻杆进气道和排气道压力降进行分析,研究各自在不同供气量和供气压力条件下的压力降大小及变化趋势。