項目申報書-項目標(biāo)書深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)分析研究

10/17工程名稱：深井簡單地層安全高效鉆井根底爭論李根生大學(xué)<北京〕20231-20238依托部門：自然氣集團公司教育部一、爭論內(nèi)容<一〕三個擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題：深井簡單地層巖體力學(xué)特征識別與表征方法深層巖體環(huán)境<包括巖石和流體〕的簡單性、不確定性和難預(yù)知性是深井深井簡單地層巖體力學(xué)特征識別與表征方法是安全高效鉆井亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。通過答復(fù)該科學(xué)問題，建立巖石物理力學(xué)特性參數(shù)的識別理論和表征模的根底。深井簡單地層鉆井載荷與井眼圍巖作用機理由于深部地質(zhì)條件簡單、鉆井壓力系統(tǒng)多變，導(dǎo)致深井鉆頭和流體載荷與圍巖之間的作用機理不清，嚴(yán)峻制約了高效破巖方法、井眼穩(wěn)定評估及安全鉆進的深入爭論。因此，深井簡單地層鉆井載荷與井眼圍巖作用機理是安全高效鉆井必需要重點解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。掌握理論奠定根底。深井簡單地層鉆井設(shè)計平臺與風(fēng)險掌握機制深井簡單地層鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握是實現(xiàn)安全高效鉆井的關(guān)鍵和保證。由于深層地質(zhì)條件簡單、不確定性強，深井井身構(gòu)造設(shè)計中風(fēng)險與效率的協(xié)調(diào)機理、鉆井方式及參數(shù)對破巖效率敏感性、鉆井風(fēng)險因子識別模型及掌握方法尚未建立，因此，深井簡單地層鉆井設(shè)計平臺與風(fēng)險掌握機制是關(guān)鍵科學(xué)問題。通過該問題的爭論，將建立深井簡單地層井深構(gòu)造的構(gòu)建準(zhǔn)則、鉆井方式陸上和海外深層鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握供給科學(xué)決策依據(jù)。<二〕圍繞上述關(guān)鍵科學(xué)問題，開放三個層面的爭論：(1>機理層面：爭論深井簡單地層壓力系統(tǒng)的形成機理，爭論和提醒鉆井過程中井下應(yīng)力環(huán)境下鉆頭裂開巖石機理、井筒多相流淌規(guī)律及其與井眼圍巖的作用機理、井斜機理、井壁失穩(wěn)機理；(2>理論與方法體系層面：建立深部地層巖石物理力學(xué)特性參數(shù)識別理論和孔隙流體壓力綜合評估推測方法，探究深層高效破巖方法、井斜與壁失穩(wěn)推測掌握方法，建立深井安全高效鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握理論和方法體 系。(3>應(yīng)用層面：以西部典型地區(qū)為示范工程和試驗基地，現(xiàn)場驗證并完善深井簡單地層安全高效鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握理論體系。具體爭論內(nèi)容如下：深井簡單地層安全高效鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握理論體系。具體爭論內(nèi)容如下：爭論內(nèi)容1、深井簡單地層巖體力學(xué)特征與參數(shù)表征與融合方法，為鉆井地質(zhì)環(huán)境描述、鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握供給根底。征”和“深井簡單地層井下信息隨鉆識別與融合”。爭論內(nèi)容2、深井簡單地層破巖機理與高效破巖方法機理與掌握方法。法”。爭論內(nèi)容3、深井簡單地層鉆井壓力系統(tǒng)與井眼穩(wěn)定鉆井井眼漏失和井壁失穩(wěn)評估及精細(xì)壓力掌握的理論與方法。律”和“深井簡單地層漏失與井壁失穩(wěn)機理及推測”。針對深井簡單地層安全高效鉆井，爭論地質(zhì)條件不確定度、井身構(gòu)造設(shè)計爭論內(nèi)容4、深井簡單地層鉆井設(shè)計平臺與風(fēng)險掌握機制針對深井簡單地層安全高效鉆井，爭論地質(zhì)條件不確定度、井身構(gòu)造設(shè)計方案、鉆井安全因素之間的相互敏感性，建立深井簡單地層井身構(gòu)造的構(gòu)建準(zhǔn)方案、鉆井安全因素之間的相互敏感性，建立深井簡單地層井身構(gòu)造的構(gòu)建準(zhǔn)則和設(shè)計方法；爭論不同鉆井方式、破巖方法的地層適應(yīng)性和破巖效率敏感性，建立鉆井方式優(yōu)選及參數(shù)優(yōu)化方法，形成深井簡單地層高效鉆井設(shè)計理井理論方法的應(yīng)用實效，最終建立深井安全高效鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握理論體井理論方法的應(yīng)用實效，最終建立深井安全高效鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握理論體系，為我國陸上和海外深層鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握供給科學(xué)決策依據(jù)。系，為我國陸上和海外深層鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握供給科學(xué)決策依據(jù)。機制”。二、預(yù)期目標(biāo)<一〕總體目標(biāo)本工程爭論總體目標(biāo)為：地層安全高效鉆井供給科學(xué)決策依據(jù)。為深井鉆井爭論的持續(xù)開展奠定根底。<二<二〕針對本工程的爭論內(nèi)容，經(jīng)過五年的系統(tǒng)爭論，擬到達以下預(yù)期目標(biāo)：1.提醒地層巖體力學(xué)特性及縫洞流體壓力特征，提出深井簡單地層壓力綜合推測方法應(yīng)關(guān)系，建立實時更的井下動態(tài)鉆井地質(zhì)力學(xué)描述方法。提醒深井應(yīng)力相關(guān)的鉆頭與地層作用機理，形成深井鉆井高效破巖方法形成利用機械能量與水力能量提高破巖效率的方法。探明高溫高壓下鉆井流固耦合作用機理，建立井眼失穩(wěn)預(yù)防與掌握一體化方法4.說明深井簡單地層鉆井風(fēng)險因素敏感性，構(gòu)建井眼構(gòu)造設(shè)計準(zhǔn)則和風(fēng)險掌握機制理論及方法。在深井簡單地層鉆井爭論領(lǐng)域，取得一批具有國際影響的爭論成果。培育200SCI、EI150515-20項。三、爭論方案<一〕學(xué)術(shù)思路本工程爭論的總體學(xué)術(shù)思路是：本工程爭論的總體學(xué)術(shù)思路是：1.綜合利用鉆前與隨鉆過程中獵取的相關(guān)信息資料，科學(xué)描述深層鉆井地質(zhì)環(huán)境，正確獵取和表征巖石物理力學(xué)特性參數(shù)，建立深部地層孔隙流體壓力綜合評估推測方法，準(zhǔn)確推測深部地層流體壓力，為安全高效鉆井的地質(zhì)力學(xué)模型建模與設(shè)計奠定根底；模型建模與設(shè)計奠定根底；2.2.利用數(shù)值模擬和試驗爭論相結(jié)合的方法，爭論各種鉆井載荷與井眼圍巖體的作用機理，包括鉆頭、流體與巖石的相互作用力學(xué)機制，探究深層巖石破體的作用機理，包括鉆頭、流體與巖石的相互作用力學(xué)機制，探究深層巖石破碎機理、高效破巖方法及井斜掌握方法。爭論井筒多相流體流淌規(guī)律以及井筒流體與井眼圍巖的作用機理，為井眼漏失和井壁穩(wěn)定評估、精細(xì)掌握壓力鉆井奠定根底；奠定根底；隨鉆信息識別，爭論井下風(fēng)險預(yù)防與調(diào)控機制，在西部典型地區(qū)現(xiàn)場試驗，驗3.爭論深井簡單地層井身構(gòu)造的構(gòu)建準(zhǔn)則和鉆井參數(shù)設(shè)計方法，結(jié)合井下隨鉆信息識別，爭論井下風(fēng)險預(yù)防與調(diào)控機制，在西部典型地區(qū)現(xiàn)場試驗，驗證深井安全高效鉆井理論方法的應(yīng)用實效，最終建立深井安全高效鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握理論體系，為我國陸上和海外深層鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握供給科學(xué)決策依據(jù)。<二〕技術(shù)途徑針對深井簡單地層安全高效鉆井中存在的三個關(guān)鍵科學(xué)問題，開展地層力學(xué)參數(shù)與孔隙壓力評估、高效破巖機理與方法、井眼系統(tǒng)失穩(wěn)與掌握、鉆井設(shè)計理論與風(fēng)險調(diào)控機制等根底爭論并得突破，探究并形成一套具有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的深井安全高效鉆井方法和理論體系，為突破深層油氣資源安全高效鉆井關(guān)權(quán)的深井安全高效鉆井方法和理論體系，為突破深層油氣資源安全高效鉆井關(guān)1機理爭論物理模擬

碳酸鹽巖鉆井特性及地層壓力系統(tǒng)

定量表征和推測深部地層地質(zhì)資料

可鉆性試驗物理模擬力學(xué)分析建模多相流試驗流體動力學(xué)試驗

應(yīng)力損傷破巖機理三維鉆速方程數(shù)據(jù)庫建立數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫建立數(shù)值模擬全尺寸工程模擬災(zāi)難模擬安全高效鉆井設(shè)計及安全高效鉆井風(fēng)險分析工程掌握風(fēng)險掌握機制和風(fēng)險掌握體系資料收集方法手段爭論內(nèi)容爭論目標(biāo)1總體技術(shù)路線

深井高效破巖與井斜掌握方法井漏、失穩(wěn)的形成機理與掌握方法<三〕與國內(nèi)外同類爭論相比的創(chuàng)點與特色本工程爭論的主要創(chuàng)點供給了創(chuàng)空間。通過爭論，預(yù)期取得以下幾個主要創(chuàng)點：<1〕提醒地層縫洞流體壓力特征及其與圍巖體物理力學(xué)特性的相關(guān)規(guī)律，建立深井簡單地層壓力綜合評價方法。以正常沉積壓實規(guī)律為根底，國內(nèi)外已形成了碎屑巖地層壓力推測的定量方法，但這種方法不適用于深部的簡單地層<如碳酸鹽巖縫洞性等非連續(xù)沉積壓實地層〕，目前這類地層壓力推測仍是世界性難題。本工程將通過理論分析和物理模擬，爭論深井簡單地層壓力系統(tǒng)的形成機理和影響因素，提醒地層壓力系統(tǒng)的地球物理屬性及規(guī)律，結(jié)合井下隨鉆信息融合，形成能反映深井簡單地層內(nèi)在屬性的地層壓力綜合評價方法。<2〕提醒深層鉆井卸載相關(guān)的鉆頭與地層相互作用機理和規(guī)律，形成深層鉆井高效破巖方法和高陡地層井斜掌握理論。國內(nèi)外對不考慮鉆井卸載的鉆頭破巖機理進展了較大量的爭論，并建立了相應(yīng)的鉆速方程，但沒有考慮鉆井卸載相關(guān)的主控因素－井底應(yīng)力場，因而不能正確描述這種主控因素變化<例如由鉆井液過平衡鉆井轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w欠平衡鉆井〕對破巖效率和井斜變化的顯著影響，目前這方面的爭論還是空白。本工程爭論將針對我國深部典型高陡難鉆地層，通過模擬試驗、理論建模及數(shù)值分析，探究深井卸載相關(guān)的鉆頭與地層相高陡地層井斜掌握理論。<3〕提醒井筒多相多組分流體壓力變化規(guī)律及其和井眼圍巖作用機理，建立精細(xì)掌握井筒壓力及地層漏失、失穩(wěn)預(yù)防與掌握的一體化方法。針對常規(guī)鉆井液的流體壓力分布及其在孔隙性碎屑巖儲層井眼漏失理論，國內(nèi)外學(xué)者進展了大量試驗?zāi)M和數(shù)值模擬，但關(guān)于高溫高壓下井筒內(nèi)多相多組分流體壓力變化規(guī)律及非連續(xù)沉積壓實地層的鉆井液漏失與掌握機理爭論格外薄弱。本工程將提醒高溫高壓下井筒多相流體流淌特征、非連續(xù)沉積壓實地層漏失特征和漏失演化規(guī)律、多尺度井眼圍巖的變形與破壞過程特征，建立精細(xì)掌握井筒壓力及地層漏失、失穩(wěn)預(yù)防與掌握的一體化方法。<4〕提醒深井簡單地層鉆井風(fēng)險因素相關(guān)性，建立深井井身構(gòu)造構(gòu)建準(zhǔn)則和鉆井風(fēng)險預(yù)警與調(diào)控機制。國內(nèi)外對于常規(guī)鉆井的井身構(gòu)造和參數(shù)設(shè)計已進展了大量爭論，但深井簡單地層井身構(gòu)造的參數(shù)敏感性及鉆井風(fēng)險識別、掌握機制爭論很少。本工程爭論深井簡單地層地質(zhì)條件不確定度、井身構(gòu)造設(shè)計方案、鉆井安全因素之間的相互敏感性，提醒深井簡單地層鉆井風(fēng)險因素相關(guān)性，建立深井簡單地層井身構(gòu)造的構(gòu)建準(zhǔn)則和鉆井風(fēng)險預(yù)警與調(diào)控機制。本工程爭論的主要特色<1〕創(chuàng)性：本工程關(guān)鍵科學(xué)問題和爭論內(nèi)容是依據(jù)目前我國深部油氣勘探開發(fā)需要并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)爭論現(xiàn)狀與爭論根底提出來的，這些問題是目前國內(nèi)外爭論尚未解決的重要機理和理論問題，既可進展深井簡單地層安全高效鉆井理論體系，又可為深井簡單地層鉆井風(fēng)險掌握供給決策依據(jù)，具有很強的創(chuàng)性。<2〕前瞻性：本工程緊扣國家深層油氣資源勘探開發(fā)所迫切需要解決的簡單地層安全高效鉆井關(guān)鍵根底問題，跟蹤世界深層油氣鉆井科學(xué)爭論前沿及進展趨勢，建立我國深井簡單地層安全高效鉆井方法和理論體系，提升我國深層油氣鉆井理論和技術(shù)爭論的自主創(chuàng)力量與核心競爭力，具有明顯的前瞻性。<3〕針對性：本工程針對我國深井簡單地層油氣鉆井特點，以安全和高效為主攻方向，從解決簡單地質(zhì)條件下油氣鉆井根底問題入手，爭論和探究與深層油氣鉆井相適應(yīng)的理論與方法，為形成具有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的深層安全高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)供給理論根底和科學(xué)依據(jù)，目標(biāo)明確，針對性強。<4〕有用性：本工程在開展深井簡單地層安全高效鉆井關(guān)鍵根底科學(xué)問題爭論并取得突破的根底上，最終形成深井簡單地層安全高效鉆井設(shè)計和風(fēng)險掌握的理論體系，并在礦場進展應(yīng)用實效驗證，為順當(dāng)實施深層安全高效鉆井供給理論方法支撐和科學(xué)決策依據(jù)，滿足我國深層油氣資源勘探開發(fā)的重大需求。<四〕取得重大突破的可行性分析爭論內(nèi)容與目標(biāo)、學(xué)術(shù)思路可行：估、巖石裂開機理與方法、壓力系統(tǒng)與井眼穩(wěn)定、安全高效鉆井設(shè)計與風(fēng)險控估、巖石裂開機理與方法、壓力系統(tǒng)與井眼穩(wěn)定、安全高效鉆井設(shè)計與風(fēng)險控制等根底爭論并取得突破，從而建立深井簡單地層安全高效鉆井方法和理論體系，為突破深層油氣資源安全高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)瓶頸供給理論根底和科學(xué)依 據(jù)。爭論內(nèi)容具體、爭論目標(biāo)明確，并提出了學(xué)術(shù)思路清楚，重點突出、內(nèi)容適度、可操作性較強的爭論方案。扎實的爭論根底：863科技支撐打算等工程的爭論工作，積存了豐富的爭論閱歷，取得了一批重要的爭論成果。在此根底上，本工程集中優(yōu)勢力氣深入系統(tǒng)地開展深井簡單地層安全高效鉆井根底理論爭論，可望在關(guān)鍵根底科學(xué)問題爭論上取得突破，建立深井簡單地層安全高效鉆井方法和理論體系，有效提高我國油氣鉆井理論和技術(shù)爭論的自主創(chuàng)力量。優(yōu)勢的爭論團隊：本工程依托大學(xué)<北京〕、集團鉆井工程技術(shù)爭論院、勘探開發(fā)爭論院、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)爭論所、大學(xué)<華東〕、西南石油大學(xué)、西部鉆探工程分公司等相關(guān)爭論領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，擁4〕4點試驗室，形成了“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化、強強聯(lián)合的組織模式。爭論團隊中有中國工程院院士136”1多學(xué)科穿插、老中青結(jié)合、以優(yōu)秀中青年科學(xué)家為主、具有良好合作根底的爭論團隊，為本工程的順當(dāng)實施供給了人才保障?？茖W(xué)的組織方式：工程將實行首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制，由優(yōu)秀的中青年學(xué)術(shù)帶頭人擔(dān)當(dāng)課題負(fù)責(zé)人，實行首席科學(xué)家與課題負(fù)責(zé)人兩級責(zé)任治理；設(shè)立學(xué)術(shù)詢問專家組進展指導(dǎo)和監(jiān)視，建立定期檢查制度。工程擬分630時人均資助經(jīng)費不低于20年。工程將設(shè)立由課題負(fù)責(zé)人和國內(nèi)外本領(lǐng)域知名專家組成的專家委員會，嚴(yán)格依據(jù)國家重點根底爭論規(guī)劃工程的治理條例，實施動態(tài)治理，定期進展有本領(lǐng)域國內(nèi)外知名學(xué)者參與的國際學(xué)術(shù)研討會和課題負(fù)責(zé)人工作會議，確保工程各階段按打算進度實施。四、年度打算年 爭論內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)度資料調(diào)研、區(qū)域資料收集，背 1.細(xì)化完善充實爭論方案；景分析；

在模擬地層溫度、壓力表征方法。地球物理特征的巖石力學(xué)特征 3.評價井下鉆頭振動模型和鉆柱聲推測理論。開展基于液固耦合動力學(xué)特征第 頭振動模型爭論和鉆— 時上傳信息與地面錄井?dāng)?shù)據(jù)的

各種參數(shù)與井下工況的關(guān)系。融合方法；爭論隨鉆獵取各種 4.建立不同卸載狀況下井底相互作年 參數(shù)與井下工況的關(guān)系。

物理模型。井簡單地層鉆井高效破巖方 5.初步獲得多相多組分鉆井液的流法爭論。

筒壓力解釋模型。模型；爭論簡單邊界條件下鉆 6.初步把握地層漏失特征，以及判巖規(guī)律。爭論超臨界條件下氣液比對

料，初步得出鉆井井壁失穩(wěn)機理爭論。8.建立井身構(gòu)造掌握因素分析及歸類及量化分析。年爭論內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)度CO、HS2 2化影響規(guī)律；爭論井筒壓力的影響因素，建立井筒壓力解釋7.理。模型。7.調(diào)研典型區(qū)域鉆井漏失及堵漏定條件下的套管層次及下深確定方法。建立完成水泥環(huán)密封特性資料，分析儲層漏失特征，以及推斷漏失位置、漏速、漏量、漏失壓力等參數(shù)的方法，開展縫洞性地層漏失機理研究。綜合利用鉆前、隨鉆、鉆型和鉆井風(fēng)險因素量化分析模型。年爭論內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)度1.1.的觀測技術(shù)；進展不同巖體力學(xué)環(huán)境條件下的物理模型實深井簡單地層孔隙流體壓力形成機理與地球物理響應(yīng)特征。系統(tǒng)的變化規(guī)律。2.開展井下鉆頭振動特性數(shù)值模第 傳信息與地面錄井?dāng)?shù)二 地層鉆井過程中相關(guān)地質(zhì)參數(shù)

的方法；與工程參數(shù)的表征與解釋方3.初步建立深井簡單地層可鉆性及年法；爭論綜合利用地震與鄰井的方法。方法爭論；

層鉆井的防斜打快方法。掌握壓力方案。爭論井筒內(nèi)的壓力和溫度分布 5.得出井眼漏失及井壁失穩(wěn)機理，規(guī)律；建立鉆井多相流體攜巖 取得規(guī)律性生疏。提出不同漏失年 爭論內(nèi)容度

預(yù)期目標(biāo)準(zhǔn)則。溫度和壓力對相態(tài)轉(zhuǎn)化的作用 6.初步建立井身構(gòu)造方案實施的鉆力的協(xié)調(diào)機制。開展裂縫、孔洞的壓力敏感性爭論，探究井眼漏失機理。分析礦物與堵漏材料的粘接性質(zhì)，礦物組成、化學(xué)反響速度、粘接強度等，初步確定各

井安全評價及本錢效益分析方法。種漏失的防漏及堵漏用材料。7.提交中期驗收報告則。井身構(gòu)造相關(guān)的鉆井風(fēng)險分析；開展簡單地層鉆井效益分析爭論。鉆井方式、鉆井工具和鉆井參數(shù)的破巖效率敏感性分析；鉆具動態(tài)特性試驗爭論。鉆井參數(shù)敏感性現(xiàn)場試驗。水泥環(huán)密封特性試驗爭論構(gòu)造的套管柱載荷分析爭論?；谔摂M仿真技術(shù)的套管柱力學(xué)牢靠性綜合評價方法爭論。鉆井過程中的風(fēng)險評價及安全級別判別方法爭論。中期總結(jié)。年 爭論內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)度承受巖石三軸試驗系統(tǒng)模擬深井簡單地層軟巖的溫度、應(yīng)力 1.得出高溫高壓條件下軟巖大變形

理論依據(jù)。下的非線性大變形特征，建立2.得到井下鉆頭振動特征及其與鉆高溫高壓條件下深部軟巖變形井工況之間的相互關(guān)系；給出不的分析模型和推測理論。 柱的聲波傳輸特性，以井下鉆頭振動信息現(xiàn)場采集與第 數(shù)據(jù)處理，井下鉆頭振動特性三數(shù)值模擬深入爭論；聲波在鉆年究深井簡單地層鉆井過程中相況的方法。層三維鉆井軌跡仿真計算模型

及支撐位置(模擬鉆柱與井壁接觸點>、彎曲、內(nèi)外流體對鉆柱法。案。爭論；深井簡單地層高效破巖 4.獲得多相多組分鉆井液的流淌規(guī)工具優(yōu)化設(shè)計爭論。

律；獲得簡單邊界條件下的鉆井釋模型。初步把握固相和液相在強非均年 爭論內(nèi)容度的鉆井多相流體水力參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則和優(yōu)化方法爭論；開展超臨界條件下應(yīng)用CO2鉆井的室內(nèi)試驗爭論；爭論隨鉆測量信息與井筒壓力之間的關(guān)系。開展室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬，研

預(yù)期目標(biāo)模型。究固相和液相在