导读：《空气占据空间》教学设计与反思北京市朝阳区实验小学 田泽一、教材分析：《空气占据空间》一课是首师大版科学一册空气单元的第二课，是在学生认识了空气存在于我们周围，空气是没有颜色、没有气味，能流动，没有一定形状的气体的基础上再来认识空气是占
《空气占据空间》教学设计与反思
北京市朝阳区实验小学 田泽
一、教材分析：
《空气占据空间》一课是首师大版科学一册空气单元的第二课，是在学生认识了空气存在于我们周围，空气是没有颜色、没有气味，能流动，没有一定形状的气体的基础上再来认识空气是占据空间的科学概念。通过上节课捉空气的游戏，学生已经知道瓶子、杯子里面都有空气，但是对于“占据”的概念理解起来就有一定难度，本课的教学设计力图使学生在原有知识的基础上，通过对有结构材料的观察、实验和研究，通过对实验现象的分析、讨论、相互启发和交流，使学生建立空气占据空间的科学概念，教材安排了三个实验，实验一是杯子塞纸不湿的实验；实验二是将充满空气的塑料袋压入水中，观察水位的变化；实验三是杯子和漏斗的实验，我认为实验二的设计不够科学，也缺乏趣味性和变通性，不能很好地启发学生的思维，因此，我用瓶子和小球的实验代替实验二，将实验三作为机动的内容。本课内容既是上节课空气知识的扩展和延伸，又是对空气性质的新的认识。
二、学情分析：
本课是首师大版科学一册第四单元的第二课，三年级的孩子刚刚上了两个多月的科学课，学生对科学的理解还知之甚少，科学课堂学习习惯还没有完全形成，因此，在本课的设计中，教师要通过对空气占据空间的研究，培养学生认真细致的观察习惯；独立思考、积极动脑的学习习惯；善于倾听和交流的习惯；渗透正确认识事物的科学方法；实事求是地进行科学研究的实证精神；启发学生的思维，不断修正自己的认识，不断揭示事物本质，从而提高学生的科学素质，并在此过程中，激发学生的科学探究兴趣，体验合作研究的快乐。
三、本课的教学目标
1．知识目标：
通过本课的探究活动，认识空气占据空间这一科学概念。
2、科学能力目标：
通过本课对空气占据空间的研究，培养学生认真细致的观察习惯，独立思考、积极动脑的学习习惯，善于倾听和交流的习惯，根据事实进行分析、猜想的能力、严谨的思维能力。
3、 态度、情感与价值观目标：
通过学生观察实验现象发现问题、对实验现象进行分析，根据现象进行猜想，然后设计实验进行验证，再根据自己对空气的新的认识，进一步猜想和实验验证，这一过程，力在向学生渗透正确认识事物的科学方法，实事求是地进行科学研究的实证精神，同时启发学生的思维，使学生不断修正自己的认识，揭示事物本质，从而提高学生的科学素质，并在此过程中，激发学生的科学探究兴趣，体验合作研究的快乐。
教学重点 ：认识空气占据空间这一科学概念，渗透认识事物的科学方法。
教学难点：思维活跃、积极动脑思考，提升学生对空气的原有认识，使学生对空气占据空间的认识逐渐清晰。
教具准备：底部有洞和无洞的杯子、卫生纸或报纸、小水槽、去底塑料瓶、乒乓球、抹布、漏斗、烧瓶，暖水袋视频，板贴图、实物投影、托盘、磁铁、暖水袋、大水槽
学具准备：底部有洞和无洞的杯子、卫生纸或报纸、小水槽、去底塑料瓶、乒乓球、抹布。
四、教学过程：
（一）、发现问题，提出猜想：可能空气占着杯子的空间
1、教师谈话：这是什么？（一张纸），干的，如果老师把这张纸放进水里会怎样？你有办法让纸放进水里也不湿吗？（如果学生会做，教师请一位同学到前面演示，如果学生不会，教师演示）
2、确实没湿。你认为在做这个实验的过程中应该注意什么问题？
师生归纳：纸要紧紧塞在杯子的底部；杯子竖直插入水中；杯子在水中静置10秒钟；再竖直着拿出杯子，擦净杯子边缘的水，看一看纸湿没湿？（教师给的杯子有的底部有洞、有的底部没洞，学生的纸有的湿了，有的没湿。）
3、学生汇报实验结果教师板书：纸湿了，纸没湿。
4、师：有的组纸湿了，有的组纸没有湿，请各组讨论：纸湿了，纸为什么会湿？纸没湿，纸为什么就没有湿？
5、随着学生的交流，教师板画并书写学生的猜想：杯子有洞的组：空气从洞里出来了，水就进去了，所以纸湿了。杯子没洞的组：因为杯子里有空气，空气占着杯子的空间，水进不去，所以纸不湿。
（二）、进一步证明是空气占着瓶子、杯子的空间，才使小球在水底、使纸不湿。
1、刚才同学们猜想是空气的原因，杯子里有空气，占着地，水进不去，纸就不湿，杯子里的空气跑出来，水进去了，纸就湿了。那空气什么样的物体？（空气是没有颜色、没有气味和味道、透明的气体，）我们无法看到，是不是这样的，还需要进一步实验来证明我们的想法。
2、（教师出示乒乓球和去底的塑料瓶）你看，老师给你带来了乒乓球，老师将乒乓球放入水中，乒乓球会怎样？（漂在水面上）老师这里还有一个瓶子，去掉了底，如果我将瓶子扣在乒乓球上，竖直压入水中，根据你对刚才实验现象的分析（慢慢讲），你认为乒乓球会在水中的什么位置？说说你的理由？
3、师：想不想试一试？实验时请你把瓶子对着小球竖直压入水底，不能上下移动瓶子。
4、你看到什么实验现象？这说明什么？
5、教师小结：看来，是空气占满了瓶子的空间，使小球沉在水底了。
6、现在你能不能解释刚才杯子里的纸为什么不湿？（是空气占满了杯子的空间，水进不去，使纸不湿。）
（三）、认识空气让出一部分空间，水才能进去，空气不让出空间，水进不去
1、看来刚才同学们的分析还是很有道理的：空气占满了瓶子的空间，就能使小球沉在了水底，空气占满了杯子的空间，使纸不湿。那你能不能根据这一实验现象进一步猜想：怎样让你的小球从水底跑到水的中间，或者跑到水面上来并说说你的理由。
2、学生汇报自己的猜想，并进行实验验证。
3、师：你的小球到水的中间了吗？谁成功了？你的小球到水面上来了吗？谁又成功了？你是怎么做的？为什么这样做就能成功？（空气出来一部分，让出了一些空间，水就流进去了一些，球也就漂上来了一些；空气再放出来一部分，又让出了一些空间，水就再流进去了一些，球也就再漂上来了一些。）空气不让出空间，水能不能进去？（不能）随着学生的讨论，教师贴图并板书。
4、教师小结：通过以上的实验，我们发现：空气占满了杯子的空间，纸就不会湿；空气占满了瓶子的空间，小球就能呆在水底，只有空气让出空间，水才能进到杯子或瓶子里去。我们管空气的这种性质叫做空气占据空间（板书）
5、我们已经知道空气可以占据瓶子、杯子里的空间，空气还能占据哪些地方的空间呢？
（四）、（机动）有效迁移、扩展内容
1、（出示暖水袋）冬天，我们都用暖水袋捂手捂被窝，可是我们往暖水袋里灌水的时候，（放视频）你会发现有什么现象发生？（水会咕噜咕噜往外冒）水会往外冒，这是为什么？你有办法将暖水袋改良一下，让水很容易地灌到暖水袋里去吗？
2、（出示漏斗和瓶子）实验后剩下的水可不能浪费，可以用来浇花，因此，我给大家准备了大可乐瓶和带胶塞的漏斗，怎样将水很快地灌到瓶子里去？
摘 要国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面作了深入的研究，但对空气锤钻井技术理论方面还属于空白。为了弄清楚带空气锤的空气钻井破岩机理，本文做了一定的研究工作，希望能够为空气锤现场作业提供依据和帮助。
关键词空气钻井；空气锤；破岩机理
空气钻井是以空气作为循环介质的欠平衡钻井，由于具有大幅度提高机械钻速、有效保护储层的特点，加上各油气田为了加快钻探开发的步伐，在我国正得到大力的推广应用，同时空气锤钻井在空气钻井中的优越性日益显现。因此，有空气锤钻井的破岩机理、影响因素等理论值得进一步探讨和研究。
1基本概念
空气锤是将持续性输入的高压气体能量转化为间歇性的脉冲力输出的一种机械。而空气锤钻井技术就是利用高压气体介质传递能量实现空气锤对岩石的高频率冲击做功而进行破岩的钻井方式。
2破岩机理
空气锤钻井是在空气旋转破岩的基础上，利用空气锤的高频冲击提高破岩效率的一种冲击旋转钻井技术，兼容了空气钻井和冲旋钻井的优点。井底岩石主要是在钻压、冲击力和旋转剪切力的共同作用下产生破碎的，同时具有破岩主要有以下特点：
（1）动载与静载联合。接在钻头上的空气锤产生高频冲击通过钻头传递给岩石，牙齿与岩石的接触表面在极短时间内产生了很大的冲击作用力。通常在几十微秒，由零上升到几十千牛，又迅速降低到零。冲击点的作用力来不及重新分配，应力便很快接近或超过岩石的强度极限，产生裂纹并形成扩展，出现体积破碎。由于活塞作周期的往复运动，该冲击作用力是周期性交变载荷，随时间作波形变化。而钻压作为静载荷压持岩石可以降低其强度，同时也能对岩石产生一定的研磨。
（2）冲击与旋转联合。空气锤的冲击以及钻头的旋转刮削协同作用，联合破岩。钻头旋转的主要目的是为了改变牙齿与岩石的接触位置，扩大岩石破碎体积，冲击才是岩石破碎的最主要原因。与常规钻井液钻井相比，由于空气钻井井底的负压差，产生了沿轴向的拉应力，利于冲击破碎。同时沿井底平面方向，剪应力也要小得多，故也利于剪切破碎。因此，冲击破碎与旋转剪切破碎联合可以提高破岩效率。
（3）机理分析。工作时活塞在高压气体的作用下做高频往复运动，不断地冲击钻头尾部。在冲击力的作用下，带动位于钻头底部的复合球齿冲击井底岩石并压碎凿入一定深度，形成一道凹痕。活塞退回后钻头回转一定角度。之后活塞又开始向前运动，再次冲击钻头尾部，又形成一道新的凹痕。两凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钻头，并从钻头的中心孔连续释放高压空气，从而将岩屑携带出来。
凹痕通常称为，井底破碎坑。它由若干个同心的破碎圆环组成，而每个破碎圆环则是由许多几何形状基本相似的单个牙齿形成的破碎坑组成。每个破碎坑的几何形状和尺寸，决定于载荷、侵入深度、牙齿的形状及其分布、加载时间、岩石性质等一系列因素。
（4）岩石的破碎形态。冲击是造成岩石破碎的主要原因，所以冲击载荷下岩石的破碎形态就是空气锤钻井中岩石破碎的主要形态。冲击载荷下岩石的破碎形态主要有如下3种：破碎坑、断裂破碎区、无损区。
3技术优点
空气锤钻井技术的优点可以概括为：防斜打快、“一保、二高、三低”，这里重点分析后者。
一保——保护油气层：采用气体作为钻井介质，减少了对地层的损害，保护了油气层，也就是“保护储层”。
二高——机械钻速；在硬质地层中的机械钻速达到3256m/h，也就是“高钻速”；保径能力：空气锤钻头具有较好的井眼直径保持能力，具备了长井段井径保持能力。目前保径记录已达到单只钻头钻进189935m时不缩径，也就是“高保径”。
三低——防斜纠斜：空气锤具有天生“打直”的功能，纠斜性能较好，尤其是在高陡构造中钻进就有绝对优势，也就是“低井斜”；低钻压：空气锤所需要的钻井较低，一般在1-3 T之间，一方面提高了机械钻速，另一方降低了钻具的弯曲折损事故，也就是“低钻压”；转速低：一般转速要求在20-50 r/min之间，转速低一方面降低了钻具的扭矩，另一方面减小了钻杆的磨损，也就是“低转速”。
4空气锤维护保养
气锤操作人员应明了气锤的结构和性能，作到合理使用，防止事故；注意气锤的工作期限，并作定期的检修，零件如有损坏，应及时拆换，不可让更多的零件破坏；在工作过程中，如发杂音，立即停车检查修理；经常注意油杯存油情况，并注意润滑油是否合乎规格，如燃点渣滓及浓度；经常注意各部分的润滑问题；砧体砧面与锤体导承之距离，及下砧面与地面之距离应切实保持规定的距离，并随时检查其距离是否有新改变，以免将机器打坏；缓冲机构内球形败凡耳是否完整，应作定期检查，以免锤体将工作缸上盖碰损；冬季应将油杯加以包裹，以免冷冻，使润滑受阻；开车前应检查操纵杠杆在操纵上的灵活性；各补气通路应在定期检修中加以疏通，应使气锤能发挥其正常的效力；电动机应经常保持清洁，一年拆开擦洗一次，但擦洗时注意在线圈上不要用煤油或气油，以免绝缘层脱落；不允许锻打冷的或不够热的金属；锤在上方时间，不可超过一分钟，以免锤体发热，浪费能力，影响机器正常运转及寿命长度；锻工应具有丰富经验，方可操纵气锤，特别在作单下打击时，在操作技术上更需熟练；在停止使用时，应切断电源。
5缺点分析
（1）潮湿出水地层无法钻进：潮湿地层容易形成泥包或泥饼封堵钻头，导致立压增加，出水地层容易导致空气锤内部进入大量水，从而无法正常工作。
（2）不易处理井下复杂：井下遇阻、遇卡、以及钻进时严重蹩跳、井漏、井喷等问题，由于空气锤没有切屑功能，不宜进行划眼倒划眼，处理这些问题还存在一定的困难。一般在复杂地层或是地层易于出现井下复杂问题时换成气体牙轮钻头钻进。
（3）不能进行气举作业：空气锤在悬吊状态下不工作，如果气举液体容易进入空气锤内部而使得空气锤无法正常工作。在钻井过程中，由采用泥浆钻进改成空气锤钻进时，由于空气锤不能直接下入钻井液中气举，得换成牙轮钻头气举。相对费时费钻井成本。
（4）储层钻进安全性差：井底欠压值太大，处于无控制的欠平衡状态，导致储层速敏、出砂，甚至坍塌，尤其是钻遇高压、高产储层，井控安全性较差。因此空气锤钻井技术对井控设备的要求较高。
参考文献
[1]莱昂斯,郭薄云,赛德尔空气和气体钻井手册[M]曾义金,樊洪海译北京:中国石化出版社,2006
[2]吴仕荣，邓传光，周开吉空气钻井地层出水限定值的探讨[J]钻采工艺，2006,29(5):7-8
[4]项德贵,孙梦慈,陈志学等空气钻井井斜控制问题的探讨[J]钻采工艺，2005,28(12):1-3
[5]李玉飞,孟英峰空气钻井提高钻速机理研究[J]石油钻探技术,2006，34(4):9-11
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