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第1章 绪论 1

1.1 世界煤层气井钻采工程技术现状 1

1.1.1 美国煤层气钻采技术现状 1

1.1.2 加拿大煤层气钻采技术现状 2

1.1.3 澳大利亚煤层气钻采技术现状 2

1.2 国内煤层气井钻采工程技术现状 3

1.3 煤层气水平井成井过程中面临的技术挑战 5

1.4 本书主要研究内容 7

参考文献 8

第2章 煤层气水平井井型优化设计及综合布井技术 10

2.1 煤层气成井技术及发展现状 10

2.1.1 煤层气产出机理 10

2.1.2 煤层气排采特点对煤层气水平井成井的特殊要求 11

2.1.3 水平井是我国煤层气高效开发的发展趋势 12

2.2 煤层气水平井井型优化设计技术 12

2.2.1 井型优化研究 12

2.2.2 井身结构优化 21

2.2.3 轨道设计优化 21

2.2.4 仿生水平井井型设计 26

2.3 煤层气开发综合布井模型 29

2.4 本章小结 30

参考文献 30

第3章 多分支水平井连通及轨迹控制技术研究 32

3.1 连通技术研究 32

3.1.1 连通技术研究及配套装备 32

3.1.2 两井连通现场试验及应用 34

3.2 导向分类及煤层气井导向工具优选 38

3.2.1 导向及轨迹控制工具系统分类 38

3.2.2 煤层气多分支水平井导向测量系统 39

3.3 导向及井眼轨迹控制技术 41

3.3.1 多分支水平井煤层导向技术 41

3.3.2 主支顶板泥岩水平井导向技术 44

3.3.3 井眼轨迹控制技术 47

3.4 煤层气水平井造穴技术研究及造穴工具研制 50

3.4.1 煤层造穴技术研究 50

3.4.2 造穴工具力学分析 51

3.4.3 顶板泥岩造穴工具研制及改进 53

3.4.4 复合造穴工具力学分析及优化设计软件研制 55

3.5 煤层气多分支水平井成井优化设计软件 59

3.5.1 弯曲井眼管柱力学模型及计算对比 59

3.5.2 常用的管柱力学解析模型 59

3.5.3 基于能量平衡原理的刚度力模型 61

3.5.4 四个模型分析误差对比计算 62

3.5.5 煤层气多分支水平井优化设计软件 63

3.6 本章小结 67

参考文献 68

第4章 多分支水平井井眼稳定技术研究 71

4.1 井壁失稳力学机理研究 72

4.1.1 井壁应力分析 72

4.1.2 井壁失效的判据准则及其选择 75

4.1.3 围岩裂缝对井壁稳定性影响分析 80

4.2 影响井壁失稳的工程地质因素 82

4.2.1 影响井壁失稳的工程因素 82

4.2.2 影响井壁失稳的地质因素 90

4.3 井壁稳定性动态仿真及破碎风险分析 95

4.3.1 LS-DYNA程序中的流固耦合算法 95

4.3.2 钻柱碰撞井壁的数值模拟 97

4.3.3 钻柱对井壁破坏动态风险分析 106

4.4 多分支水平井稳定技术探索 112

4.4.1 煤层井眼的稳定探索 112

4.4.2 顶（底）板泥岩主井眼稳定技术 114

4.5 本章小结 117

参考文献 118

第5章 多分支水平井夹壁墙稳定及侧钻破碎技术研究 121

5.1 夹壁墙稳定理论分析 121

5.1.1 夹壁墙受力分析 122

5.1.2 夹壁墙破裂分析 128

5.1.3 夹壁墙稳定技术评价 129

5.2 夹壁墙结构几何参数对夹壁墙稳定技术研究 130

5.2.1 夹壁墙初始夹角 131

5.2.2 主、分支井眼直径比 134

5.2.3 分支井眼方位角 134

5.2.4 主支井方位角 135

5.3 夹壁墙载荷对夹壁墙稳定技术研究 137

5.3.1 井眼内压力的影响 137

5.3.2 岩石力学特性的影响 137

5.3.3 煤岩埋深的影响 139

5.3.4 地应力的影响 140

5.4 定点悬空侧钻动态模拟研究 146

5.4.1 悬空侧钻研究技术路线 146

5.4.2 基于LS-DYNA的Lagrange显式算法 147

5.4.3 显式有限元模型的建立 147

5.4.4 分支侧钻刻蚀过程动态仿真模拟 148

5.5 侧钻分支井眼形成过程钻头-岩层动力学分析 157

5.5.1 几何模型的建立 157

5.5.2 网格划分 157

5.5.3 加载与约束 158

5.5.4 分支侧钻刻蚀初始阶段的分析 158

5.5.5 成墙过程仿真模拟及参数分析 161

5.5.6 具有初始厚度的夹壁墙模型数值仿真 165

5.5.7 钻具对夹壁墙影响的数值仿真 170

5.5.8 本研究对工程实践的建议 172

5.6 定点侧钻工艺探索研究及现场试验 173

5.6.1 侧钻方法 173

5.6.2 侧钻工具设计 174

5.6.3 定点悬空侧钻工艺 174

5.6.4 现场实践 181

5.7 本章小结 182

参考文献 183

第6章 煤层气水平井携岩技术研究 185

6.1 充气钻井技术 185

6.1.1 充气方式优选 185

6.1.2 充气携岩钻井水力参数设计 187

6.2 双管双循环接力式携岩技术 191

6.2.1 双管双循环接力式携岩技术原理 191

6.2.2 煤层气水平井双循环钻井携岩技术仿真模拟 192

6.2.3 同心套管辅助钻井系统参数优化分析 199

6.2.4 双管双循环接力式携岩技术现场应用 207

6.3 本章小结 211

参考文献 211

第7章 煤层气水平井波浪状井眼过滤堵塞数值仿真研究 214

7.1 煤层气多分支水平井煤粉形成机理及影响因素分析 214

7.1.1 煤层气多分支水平井煤粉形成机理 214

7.1.2 各阶段煤粉的成因 215

7.1.3 煤层气多分支水平井煤粉形成影响因素分析 216

7.2 U型管效应下各因素对煤粉运移沉积影响规律研究 217

7.2.1 多相流模型及模拟方法 217

7.2.2 气-液-固三相流的流型划分及判别 220

7.2.3 各因素在U型管效应下对煤粉运移沉积的影响 222

7.3 钻具结构对岩屑运移的影响 233

7.3.1 接箍对岩屑体积分数的影响分析 234

7.3.2 接箍对携岩介质速度的影响分析 236

7.3.3 接箍对岩屑运移速度的影响分析 238

7.4 排采直井“洞穴”的沉砂和冲砂动态仿真 240

7.4.1 颗粒流离散元法简介 240

7.4.2 CFD-DEM耦合方法 240

7.4.3 沉砂和冲砂动态仿真模拟研究 242

7.5 本章小结 246

参考文献 247

第8章 煤层气钻井风险预测及评估技术 249

8.1 煤层气钻井坍塌风险可靠性模型 249

8.1.1 煤岩力学参数及主应力不确定性分析 249

8.1.2 煤层气钻井风险评估影响因素 251

8.1.3 基于Hoek-Brown准则的煤层气钻井风险可靠性模型 253

8.1.4 煤层气钻井坍塌风险可靠性分析 254

8.2 煤层气钻井坍塌风险的动态有限元分析 258

8.2.1 煤层-钻头耦合作用模型的建立 258

8.2.2 煤层气钻井过程中的风险分析 258

8.2.3 煤层气钻井坍塌风险实例分析 263

8.3 煤层气钻井风险评价软件 265

8.3.1 风险评价软件模块结构 265

8.3.2 基于可靠度概率模型的钻井风险评价 269

8.4 本章小结 270

参考文献 270

第9章 煤层气水平井成井过程可视化技术 274

9.1 煤层气多分支水平井“数字井筒”可视化技术 275

9.2 煤层气多分支水平井“数学井筒”模型 276

9.3 煤层气多分支水平井“物理井筒”模型 277

9.4 煤层气多分支水平井“工程井筒”模型 279

9.4.1 井下管柱及工具单元的图元库建立 279

9.4.2 三维动态井筒模型可视化的实现 279

9.5 煤层气储层地质模型及排采工程可视化技术 280

9.5.1 依据地层结构特点及走势优选煤层气井型 280

9.5.2 双主支多分支水平井 281

9.5.3 仿生水平井 281

9.6 煤层气井造穴过程可视化技术 282

9.6.1 单臂造穴过程 282

9.6.2 双臂造穴过程 283

9.7 煤层气井定点侧钻过程可视化 283

9.8 基于“一井双通”技术的循环接力式钻井过程可视化 285

9.9 煤粉及岩屑运移过程可视化 285

9.10 本章小结 287

参考文献 287

附录 290

附录A CFD相关理论 291

附录B 煤层气双循环排采系统FLUENT建模计算命令流 297

附录C 分支侧钻过程夹壁墙稳定性分析ANSYS建模计算命令流 304

附录D 悬空侧钻瞬态动力学仿真模型LS-DYNA建模计算命令流 306