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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 工程名称：深井复杂地层安全高效钻井基础讨论首席科学家：李根生中国石油高校 北京）起止年限：2022 年 1 月-2022 年 8 月依靠部门：中国石油自然气集团公司训练部一、讨论内容一） 关键科学问题 目前,深层油气资源勘探开发已成为国家油气进展的一个重大领域,开展 深井复杂地层钻井基础讨论,建立安全高效钻井理论和风险调控体系,实现科 学化钻井,是我国油气钻井面临的迫切任务；针对国家能源安全和进展的重大 需求和我国深层油气资源钻井工程亟待解决重大基础难题,本工程凝炼出以下 三个拟解决的关键科学问题：1深井复杂地层岩体力学特点识别与表征方法 深层
2、岩体环境 包括岩石和流体）的复杂性、不确定性和难预知性是深井 钻井难度大的根本缘由之一；对深井复杂地层岩石力学参数和地层压力等重要 特点的精确识别和猜测是安全高效钻井的前提和基础；因此,深井复杂地层岩体力学特点识别与表征方法是安全高效钻井亟待解决的关键科学问题；通过回答该科学问题,建立岩石物理力学特性参数的识别理论和表征模 型,进展深井复杂地层孔隙流体压力综合评估猜测方法,科学描述深层钻井岩 体环境,是建立钻井地质力学模型、科学钻井设计和风险掌握决策所必不行少 的基础；2深井复杂地层钻井载荷与井眼围岩作用机理 由于深部地质条件复杂、钻井压力系统多变,导致深井钻头和流体载荷与围岩之间的作用机理不
3、清,严峻制约了高效破岩方法、井眼稳固评估及安全钻 进的深化讨论；因此, 深井复杂地层钻井载荷与井眼围岩作用机理 是安全高效 钻井必需要重点解决的关键科学问题；通过本科学问题的讨论,揭示井下应力环境下钻头破裂岩石机理、井筒多 相流体压力系统及其与井壁围岩的作用机理、井斜与井壁失稳机理,探究高效1 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 破岩方法、井斜与井壁失稳猜测掌握方法,为建立安全高效钻井方法及其风险 掌握理论奠定基础；3深井复杂地层钻井设计平台与风险掌握机制 深井复杂地层钻井设计和风险掌握是实现安全高效钻井的
4、关键和保证；由 于深层地质条件复杂、不确定性强,深井井身结构设计中风险与效率的和谐机 理、钻井方式及参数对破岩效率敏锐性、钻井风险因子识别模型及掌握方法尚 未建立,因此, 深井复杂地层钻井设计平台与风险掌握机制 是关键科学问题；通过该问题的讨论,将建立深井复杂地层井深结构的构建准就、钻井方式 优选及参数优化方法、钻井方式转换的预案与计策、钻井风险因子识别模型和 风险掌握机制,最终形成深井安全高效钻井设计和风险掌握理论体系,为我国 陆上和海外深层钻井设计和风险掌握供应科学决策依据； 机理层面：讨论深井复杂地层压力系统的形成机理,讨论和揭示钻井过程中井下应力环境下钻头破 碎岩石机理、井筒多相流淌规
5、律及其与井眼围岩的作用机理、井斜机理、井壁 失稳机理； 2 理论与方法体系层面：建立深部地层岩石物理力学特性参数识 别理论和孔隙流体压力综合评估猜测方法,探究深层高效破岩方法、井斜与井壁失稳猜测掌握方法,建立深井安全高效钻井设计和风险掌握理论和方法体 系； 3应用层面：以西部典型地区为示范工程和试验基地,现场验证并完善 深井复杂地层安全高效钻井设计和风险掌握理论体系；详细讨论内容如下：讨论内容 1、深井复杂地层岩体力学特点与参数表征 针对我国深层钻井所钻遇的复杂地层,建立试验测试方法、地球物理猜测 模型和钻井动态实时评估模型,测量和评估深层钻井岩石力学和地应力特点；以试验模拟和数值模拟为手段,
6、建立地层反常压力地球物理响应特点识别和综 合猜测方法,揭示深层反常压力形成机理和分布规律,探究井下信息随钻识别 与融合方法,为钻井地质环境描述、钻井设计和风险掌握供应基础；针对该讨论内容设立2 个课题：“ 深井复杂地层岩体力学特点与参数表征” 和“ 深井复杂地层井下信息随钻识别与融合” ；讨论内容 2、深井复杂地层破岩机理与高效破岩方法 采集深层岩心,模拟地层条件进行岩石可钻性试验,评判岩石抗钻特性,建立不同钻井工况下地层可钻性及其各向异性的定量评估理论和方法；针对深 井复杂地层钻井荷载及破岩方式,综合运用理论分析、数值模拟和室内试验的 方法,讨论不同围压作用下的流固耦合应力场特点与岩石破裂微
7、观机制,揭示 不同钻井方式下机械破岩、水力与机械联合破岩等岩石破裂机理和规律,建立2 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 新型高效破岩理论与方法；讨论不同钻井工况下底部钻具组合的力学行为及其与岩石相互作用,建立深层钻井卸载相关的三维钻速方程,探究高陡地层井斜机理与掌握方法；针对该讨论内容设立 法” ；1 个课题：“ 深井复杂地层破岩机理与高效破岩方讨论内容 3、深井复杂地层钻井压力系统与井眼稳固 通过数值模拟和试验模拟,讨论深层高温高压环境下井下多相多组分钻井 流体流淌型态及其演化规律,以质量、能量和动量传
8、递为特点,建立钻井流体 流淌数学模型,揭示井筒内压力和温度分布规律；针对缝洞性地层和高塑性软 岩地层,讨论化学与力学耦合条件下的钻井流体与井眼围岩的作用机理、缝洞 性地层漏失机理和高塑性地层井眼大变形规律及猜测模型,建立深井复杂地层 钻井井眼漏失和井壁失稳评估及精细压力掌握的理论与方法；针对该讨论内容设立2 个课题：“ 深井复杂地层钻井压力系统模型与规律” 和“ 深井复杂地层漏失与井壁失稳机理及猜测” ；讨论内容 4、深井复杂地层钻井设计平台与风险掌握机制 针对深井复杂地层安全高效钻井,讨论地质条件不确定度、井身结构设计 方案、钻井安全因素之间的相互敏锐性,建立深井复杂地层井身结构的构建准 就
9、和设计方法；讨论不同钻井方式、破岩方法的地层适应性和破岩效率敏锐 性,建立钻井方式优选及参数优化方法,形成深井复杂地层高效钻井设计理 论；讨论深井复杂地层钻井风险因素的相关性及风险因子识别模型,建立钻井 风险预警、规避与调控机制；在西部典型地区现场试验,验证深井安全高效钻 井理论方法的应用实效,最终建立深井安全高效钻井设计和风险掌握理论体 系,为我国陆上和海外深层钻井设计和风险掌握供应科学决策依据；针对该讨论内容设立 机制” ；二、预期目标一） 总体目标1 个课题：“ 深井复杂地层钻井设计平台与风险掌握本工程讨论总体目标为：针对“ 复杂深层油气资源勘探开发” 这一国家重大战略问题,重点讨论解
10、决深井复杂地层安全高效钻井的三个关键科学问题并取得突破,揭示深井复杂 地层钻井载荷与围岩作用机理,解决深井复杂地层安全高效钻井的重大基础问 题,建立深井复杂地层安全高效钻井的理论体系,为我国陆上和海外深井复杂3 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 地层安全高效钻井供应科学决策依据；在理论突破的基础上,直接带动精细控压钻井、无风险控压钻井等一批相 关钻井技术的产出,并促进相关学科基础理论的进展,显著提高我国钻井技术 的自主创新才能和核心竞争力；建立国内一流综合性深井钻井基础讨论平台,为深井钻井讨论的连续开展奠
11、定基础；二） 五年预期目标针对本工程的讨论内容,经过五年的系统讨论,拟达到以下预期目标：1.揭示地层岩体力学特性及缝洞流体压力特点,提出深井复杂地层压力综 合猜测方法 形成深井复杂地层岩石力学参数表征方法；建立高温高压条件下的深层岩 体变形理论和猜测模型,揭示深部地层反常高压形成机理与分布规律,形成地 层孔隙流体压力系统的综合猜测模型和评判方法；建立深井复杂地层井下信息 与地面信息的融合和说明方法,揭示钻井过程中各种信息参数与钻井工况的响 应关系,建立实时更新的井下动态钻井地质力学描述方法；2.揭示深井应力相关的钻头与地层作用机理,形成深井钻井高效破岩方法 建立深部地层岩石可钻性及各向异性评估
12、理论；讨论不同围压作用下的流 固耦合应力场特点与岩石破裂微观机制,分析不同破岩方式下的岩石破裂机理 和规律；讨论钻头与岩石相互作用,建立深层钻井卸载相关的三维钻速方程,形成利用机械能量与水力能量提高破岩效率的新方法；3.探明高温高压下钻井流固耦合作用机理,建立井眼失稳预防与掌握一体 化方法 建立建立井筒压力的猜测模型、安全范畴判别准就及井筒压力系统的精细 掌握方法；讨论裂缝、孔洞的压力敏锐性和裂缝传播机制及井眼漏失机理,揭 示缝洞性地层漏失和井眼失稳机理,建立相应的井眼漏失、井壁稳固猜测模型 及评估猜测方法,建立高塑性地层井眼大变形猜测模型和井壁失稳评估方法；4.阐明深井复杂地层钻井风险因素敏
13、锐性,构建井眼结构设计准就和风险 掌握机制 建立深井复杂地层钻井井身结构的构建准就和设计方法；建立复杂深层高 效钻井方式与钻井参数优选的理论和深层钻井风险预警、规避与调控机制；在 西部典型地区开呈现场试验,形成深井复杂地层安全高效钻井设计和风险掌握 理论及方法；在深井复杂地层钻井讨论领域,取得一批具有国际影响的讨论成果；培育 博士后与博士生 70-80 名；在国内外核心学术期刊发表论文 200 篇以上,其中 SCI、EI 收录论文 150 篇以上,出版著作 5 部,申请创造专利 15-20 项；4 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 17 页精选学习资料 - -
14、- - - - - - - 三、讨论方案一）学术思路 本工程讨论的总体学术思路是：1.综合利用钻前与随钻过程中猎取的相关信息资料,科学描述深层钻井地 质环境,正确猎取和表征岩石物理力学特性参数,建立深部地层孔隙流体压力 综合评估猜测方法,精确猜测深部地层流体压力,为安全高效钻井的地质力学 模型建模与设计奠定基础；2.利用数值模拟和试验讨论相结合的方法,讨论各种钻井载荷与井眼围岩 体的作用机理,包括钻头、流体与岩石的相互作用力学机制,探究深层岩石破 碎机理、高效破岩方法及井斜掌握方法；讨论井筒多相流体流淌规律以及井筒 流体与井眼围岩的作用机理,为井眼漏失和井壁稳固评估、精细掌握压力钻井 奠定基础
15、；3.讨论深井复杂地层井身结构的构建准就和钻井参数设计方法,结合井下 随钻信息识别,讨论井下风险预防与调控机制,在西部典型地区现场试验,验 证深井安全高效钻井理论方法的应用实效,最终建立深井安全高效钻井设计和 风险掌握理论体系,为我国陆上和海外深层钻井设计和风险掌握供应科学决策 依据；二）技术途径针对深井复杂地层安全高效钻井中存在的三个关键科学问题,开展地层力 学参数与孔隙压力评估、高效破岩机理与方法、井眼系统失稳与掌握、钻井设 计理论与风险调控机制等基础讨论并得突破,探究并形成一套具有自主学问产 权的深井安全高效钻井方法和理论体系,为突破深层油气资源安全高效钻井关 键技术瓶颈供应理论基础和科
16、学依据；总体技术路线如图 1 所示；5 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 机理讨论碳酸盐岩钻井特性定量表征和猜测地质资料物理模拟及地层压力系统深部地层可钻性试验应力损耗破岩机理深井高效破岩与物理模拟地球物理资料三维钻速方程井斜掌握方法力学分析建模井下随钻信息多相流试验多相流体流淌规律井漏、失稳的形成井史生产数据流体动力学试验及压力掌握机理机理与掌握方法数据库建立数值模拟全尺寸工程模拟灾难模拟安全高效钻井设计及安全高效钻井风险分析风险掌握机制和风险掌握体系工程掌握资料收集方法手段讨论内容讨论目标图 1 总体
17、技术路线三）与国内外同类讨论相比的创新点与特色1.本工程讨论的主要创新点对于我国这样复杂的深层油气钻井地质力学环境,国内外缺少相适应的科学钻井理论和方法；这种状况既是对本工程讨论的挑战,同时也为本工程讨论供应了创新空间；通过讨论,预期取得以下几个主要创新点：1）揭示地层缝洞流体压力特点及其与围岩体物理力学特性的相关规律,建立深井复杂地层压力综合评判方法；以正常沉积压实规律为基础,国内外已形成了碎屑岩地层压力猜测的定量方法,但这种方法不适用于深部的复杂地层如碳酸盐岩缝洞性等非连续沉积压实地层）,目前这类地层压力猜测仍是世界性难题；本工程将通过理论分析和物理模拟,讨论深井复杂地层压力系统的形 成机
18、理和影响因素,揭示地层压力系统的地球物理属性及规律,结合井下随钻信息融合,形成能反映深井复杂地层内在属性的地层压力综合评判方法；2）揭示深层钻井卸载相关的钻头与地层相互作用机理和规律,形成深层钻井高效破岩方法和高陡地层井斜掌握理论；国内外对不考虑钻井卸载的钻头破岩机理进行了较大量的讨论,并建立了相应的钻速方程,但没有考虑钻井卸 载相关的主控因素井底应力场,因而不能正确描述这种主控因素变化 例如 由钻井液过平稳钻井转变为气体欠平稳钻井）对破岩效率和井斜变化的显著影 响,目前这方面的讨论仍是空白；本工程讨论将针对我国深部典型高陡难钻地 层,通过模拟试验、理论建模及数值分析,探究深井卸载相关的钻头与
19、地层相6 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 互作用机理和规律,建立相应的三维钻速方程,形成深层钻井高效破岩方法和 高陡地层井斜掌握理论；3）揭示井筒多相多组分流体压力变化规律及其和井眼围岩作用机理,建 立精细掌握井筒压力及地层漏失、失稳预防与掌握的一体化方法；针对常规钻 井液的流体压力分布及其在孔隙性碎屑岩储层井眼漏失理论,国内外学者进行 了大量试验模拟和数值模拟,但关于高温高压下井筒内多相多组分流体压力变化规律及非连续沉积压实地层的钻井液漏失与掌握机理讨论特别薄弱；本工程 将揭示高温高压下井筒多相流体流
20、淌特点、非连续沉积压实地层漏失特点和漏 失演化规律、多尺度井眼围岩的变形与破坏过程特点,建立精细掌握井筒压力 及地层漏失、失稳预防与掌握的一体化方法；4）揭示深井复杂地层钻井风险因素相关性,建立深井井身结构构建准就和钻井风险预警与调控机制；国内外对于常规钻井的井身结构和参数设计已进行了大量讨论,但深井复杂地层井身结构的参数敏锐性及钻井风险识别、掌握 机制讨论很少；本工程讨论深井复杂地层地质条件不确定度、井身结构设计方案、钻井安全因素之间的相互敏锐性,揭示深井复杂地层钻井风险因素相关 性,建立深井复杂地层井身结构的构建准就和钻井风险预警与调控机制；2.本工程讨论的主要特色 1）创新性： 本工程关
21、键科学问题和讨论内容是依据目前我国深部油气勘 探开发需要并结合国内外相关讨论现状与讨论基础提出来的,这些问题是目前 国内外讨论尚未解决的重要机理和理论问题,既可进展深井复杂地层安全高效 钻井理论体系,又可为深井复杂地层钻井风险掌握供应决策依据,具有很强的 创新性；2）前瞻性： 本工程紧扣国家深层油气资源勘探开发所迫切需要解决的复 杂地层安全高效钻井关键基础问题,跟踪世界深层油气钻井科学讨论前沿及发 展趋势,建立我国深井复杂地层安全高效钻井方法和理论体系,提升我国深层油气钻井理论和技术讨论的自主创新才能与核心竞争力,具有明显的前瞻性；3）针对性： 本工程针对我国深井复杂地层油气钻井特点,以安全和
22、高效 为主攻方向,从解决复杂地质条件下油气钻井基础问题入手,讨论和探究与深 层油气钻井相适应的理论与方法,为形成具有自主学问产权的深层安全高效钻 井关键技术系统供应理论基础和科学依据,目标明确,针对性强；4）有用性： 本工程在开展深井复杂地层安全高效钻井关键基础科学问题 讨论并取得突破的基础上,最终形成深井复杂地层安全高效钻井设计和风险控 制的理论体系,并在矿场进行应用实效验证,为顺当实施深层安全高效钻井提 供理论方法支撑和科学决策依据,满意我国深层油气资源勘探开发的重大需 求；7 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - -
23、- - - 四）取得重大突破的可行性分析 1.讨论内容与目标、学术思路可行：该工程从我国深层油气勘探与开发的重大需求动身,以深井复杂地层安全 高效钻井的关键基础科学问题讨论为主攻方向,开展深部钻井岩体力学特性评 估、岩石破裂机理与方法、压力系统与井眼稳固、安全高效钻井设计与风险控 制等基础讨论并取得突破,从而建立深井复杂地层安全高效钻井方法和理论体 系,为突破深层油气资源安全高效钻井关键技术瓶颈供应理论基础和科学依 据；讨论内容详细、讨论目标明确,并提出了学术思路清楚,重点突出、内容 适度、可操作性较强的讨论方案；2.扎实的讨论基础：本工程团队前期主持承担了国家自然科学基金、国家“863 方案
24、” 、国家 科技支撑方案等工程的讨论工作,积存了丰富的讨论体会,取得了一批重要的 讨论成果；在此基础上,本工程集中优势力气深化系统地开展深井复杂地层安 全高效钻井基础理论讨论,可望在关键基础科学问题讨论上取得突破,建立深井复杂地层安全高效钻井方法和理论体系,有效提高我国油气钻井理论和技术 讨论的自主创新才能；3.优势的讨论团队：本工程依靠中国石油高校北京）、中国石油集团钻井工程技术讨论院、中国石化勘探开发讨论院、中国科学院武汉岩土力学讨论所、中国石油高校 华东）、西南石油高校、西部钻探工程分公司等相关讨论领域的优势单位,拥有 4 个国家重点 ,保证全时人均资助经费不低于20 万元 /年；工程将
25、设立由课题负责人和国内外本事域知名专家组成的专家委员会,严格依据国家重点基础讨论规划工程的治理条 例,实施动态治理,定期举办有本事域国内外知名学者参与的国际学术研讨会8 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 和课题负责人工作会议,确保工程各阶段按方案进度实施；四、年度方案年1.讨论内容1.预期目标度资料调研、区域资料收集,背细化完善充实讨论方案；2.景分析；2.得出深井复杂地层岩石、弯曲、内外流体对钻柱三3.数值模拟深化讨论；声波在钻3.声波传输特性影响规律；形成深柱中传输的地面试验讨论；研井复杂地层钻井过程
26、中相关地质年究深井复杂地层钻井过程中相参数与工程参数的表征与说明方关地质参数与工程参数的表征法；与说明方法；讨论应用钻井实建立深井复杂地层岩石分形破裂时测量信息,实时修正钻井地能耗模型；提出在深井条件下粒质力学模型,精确判定井下工子射流破岩钻井设计方法；初步况的方法；建立深井复杂地层三维钻井轨迹深井复杂地层岩石分形破裂能仿真运算模型；提出不同约束条耗模型讨论；粒子射流破岩钻件下高效破岩工具的优化设计方井设计方法讨论；深井复杂地4.层三维钻井轨迹仿真运算模型4.案；获得多相多组分钻井液的流淌规讨论；深井复杂地层高效破岩律；获得复杂边界条件下的钻井工具优化设计讨论；多相流体水力参数优化方法建立通过
27、室内试验,开展多相多组5.井口压力与井底压力的正反演解分钻井液的流淌规律讨论；针释模型；对深井复杂地层钻井,开展新初步把握固相和液相在强非均13 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 年讨论内容预期目标度的钻井多相流体水力参数设计 准就和优化方法讨论；开展超质、易变形连通缝洞中的时空分 布规律及其影响因素；取得高温临界条件下应用CO2 钻井的室高压条件下,泥页岩水化膨胀规内试验讨论；讨论随钻测量信 息与井筒压力之间的关系；律以及盐岩、盐膏岩蠕变规律,建立高塑性地层井眼大变形猜测5.开展室内试验和数值模拟,研
28、6.模型；究固相和液相在强非均质、易得出地质条件不确定度、井身结变形连通缝洞中的时空分布规 律及其影响因素；针对深部泥 页岩、盐岩等高塑性地层的易 失稳井段,利用实钻岩心,研 究高温高压条件下,泥页岩水 化膨胀规律以及盐岩、盐膏岩构设计方案、钻井安全因素、钻 井效率和效益之间的相互制约关 系,给出各掌握因素对钻井安全 和效益的影响规律；建立钻井方 式和参数优选方法；提出基于模 糊综合分析方法的管柱风险评判蠕变规律,建立高塑性地层井方法；揭示深井复杂地层钻井6.眼大变形猜测模型,为深部高 过程中实际遇到的风险种类与风 塑性地层的井壁稳固掌握奠定 险因素的相互联系；基础；地质不确定因素与钻井安全及
29、 效率的相互制约机理讨论；钻 井方式和参数优选方法讨论；井身结构设计方法及钻具动态 特性现场试验；基于模糊综合 分析方法的套管柱风险评判研 究；深井复杂地层钻井风险因 素及相关性讨论；14 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 年讨论内容预期目标度1.应用地球物理理论和方法,建1.深井复杂地层地球物理属性与岩立深井复杂地层地球物理属性 与岩体物性相联系的地层孔隙 流体压力猜测模型；通过地球体物性相联系的地层孔隙流体压 力猜测模型；深井复杂地层反常 孔隙流体压力综合猜测方法；物理多参数外推和属性重建,2.确定
30、典型地层岩体的钻头振动特形成地层孔隙流体压力系统的 综合猜测和评判方法性响应特点；提出提高信道传输 才能的方法；形成应用钻井实时2.数值模拟和现场试验相结合,测量信息,实时修正钻井地质力讨论钻头振动特性参数与地层学模型,精确判定井下工况的方岩体物理属性的相关性；钻柱3.法；声波传输信道噪声及码间干扰初步提出在深井条件下超临界二处理方法讨论；讨论应用钻井 实时测量信息,实时修正钻井 地质力学模型,精确判定井下氧化碳射流破岩钻井设计方法；建立深井复杂地层不同约束条件 下高效破岩钻井方式的优选准就第3.工况的方法；现场验证讨论形4.和目标函数；初步建立深井复杂成的理论与方法；地层三维钻井轨迹仿真运算系四深井复杂地层不同破岩方法和统；年钻井方式优选讨论；超临界二获得复杂边界条件下井筒流体的氧 化 碳 射 流 破 岩 钻 井 方 法 研热质传递规律；形成井底压力与究；深井复杂地层三维钻井轨地层压力系统的和谐掌握方案4.迹仿真运算系统讨论；5.建立泥页岩水化非线性力学模型讨论井筒流体与地层缝洞的相和动态井壁稳固的化学与力学耦互作用机理,揭示复杂边界条 件下流体的热质传