工程名称： 深井复杂地层安全高效钻井基础研究 首席科学家： 李根生 中国石油大学<北京） 起止年限： 2024年1月-2024年8月
依托部门： 中国石油天然气集团公司 教育部
一、研究内容
<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发展的一个重大领域，开展深井复杂地层钻井基础研究，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发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征识别与表征方法
深层岩体环境<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原因之一。对深井复杂地层岩石力学参数和地层压力等重要特征的准确识别和预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征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，发展深井复杂地层孔隙流体压力综合评估预测方法，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控制决策所必不可少的基础。
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清，严重制约了高效破岩方法、井眼稳定评估及安全钻进的深入研究。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须要重点解决的关键科学问题。
通过本科学问题的研究，揭示井下应力环境下钻头破碎岩石机理、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，探索高效
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破岩方法、井斜与井壁失稳预测控制方法，为建立安全高效钻井方法及其风险控制理论奠定基础。
3．深井复杂地层钻井设计平台与风险控制机制
深井复杂地层钻井设计和风险控制是实现安全高效钻井的关键和保证。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协调机理、钻井方式及参数对破岩效率敏感性、钻井风险因子识别模型及控制方法尚未建立，因此，深井复杂地层钻井设计平台与风险控制机制是关键科学问题。
通过该问题的研究，将建立深井复杂地层井深结构的构建准则、钻井方式优选及参数优化方法、钻井方式转换的预案与对策、钻井风险因子识别模型和风险控制机制，最终形成深井安全高效钻井设计和风险控制理论体系，为我国陆上和海外深层钻井设计和风险控制提供科学决策依据。
<二） 主要研究内容
围绕上述关键科学问题，展开三个层面的研究：(1> 机理层面：研究深井复杂地层压力系统的形成机理，研究和揭示钻井过程中井下应力环境下钻头破碎岩石机理、井筒多相流动规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预测方法，探索深层高效破岩方法、井斜与井壁失稳预测控制方法，建立深井安全高效钻井设计和风险控制理论和方法体系。 (3>应用层面：以西部典型地区为示范工程和实验基地，现场验证并完善深井复杂地层安全高效钻井设计和风险控制理论体系。具体研究内容如下：
研究内容1、深井复杂地层岩体力学特征与参数表征
针对我国深层钻井所钻遇的复杂地层，建立实验测试方法、地球物理预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征。以实验模拟和数值模拟为手段，建立地层异常压力地球物理响应特征识别和综合预测方法，揭示深层异常压力形成机理和分布规律，探索井下信息随钻识别与融合方法，为钻井地质环境描述、钻井设计和风险控制提供基础。
针对该研究内容设立2个课题：“深井复杂地层岩体力学特征与参数表征”和“深井复杂地层井下信息随钻识别与融合”。
研究内容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实验，评价岩石抗钻特性，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、数值模拟和室内实验的方法，研究不同围压作用下的流固耦合应力场特征与岩石破裂微观机制，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碎机理和规律，建立
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新型高效破岩理论与方法；研究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，探索高陡地层井斜机理与控制方法。
针对该研究内容设立1个课题：“深井复杂地层破岩机理与高效破岩方法”。
研究内容3、深井复杂地层钻井压力系统与井眼稳定
通过数值模拟和实验模拟，研究深层高温高压环境下井下多相多组分钻井流体流动型态及其演化规律，以质量、能量和动量传递为特征，建立钻井流体流动数学模型，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，研究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预测模型，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控制的理论与方法。
针对该研究内容设立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预测”。
研究内容4、深井复杂地层钻井设计平台与风险控制机制
针对深井复杂地层安全高效钻井，研究地质条件不确定度、井身结构设计方案、钻井安全因素之间的相互敏感性，建立深井复杂地层井身结构的构建准则和设计方法；研究不同钻井方式、破岩方法的地层适应性和破岩效率敏感性，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；研究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实验，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控制理论体系，为我国陆上和海外深层钻井设计和风险控制提供科学决策依据。
针对该研究内容设立1个课题：“深井复杂地层钻井设计平台与风险控制机制”。
二、预期目标
<一） 总体目标
本工程研究总体目标为：
针对“复杂深层油气资源勘探开发”这一国家重大战略问题，重点研究解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
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项目申报书——项目标书深井复杂地层安全高效钻井基础分析研究
