中国石油大学：高德利院士-深层、超深层定向钻井中若干基础研究进展与展望

地球资源与地质活动 · 科技创业科技自媒体 · 4 月前

主要观点总结

文章讨论了深层、超深层定向钻井的安全高效作业问题，总结了定向钻井的发展概况与技术特点。选取并分析了力学方面的几个重要基础问题，展望了相关发展趋势，并提出了研究建议。文章涵盖了预测模型的改进、多因素耦合机制的研究、延伸极限的预测以及机理与数据融合驱动的研究等方面。

关键观点总结

关键观点1: 深层、超深层定向钻井具有“垂深大与水平延伸远”的双重特征，面临全方位技术挑战。

文章指出了深层、超深层定向钻井的特点和面临的技术挑战。

关键观点2: 大小偏差融合控制算法、振动减阻工具优化和基于误差补偿机制的机械钻速融合预测模型等是深层、超深层定向钻井的重要研究成果。

文章列举了国内外专家学者的相关研究进展和最新研究成果。

关键观点3: 需要加强多因素耦合机理、钻井延伸极限、机理与数据融合驱动等方面的基础研究，以推动复杂油气井工程基础理论的创新与发展。

文章提出了对未来研究的建议和展望。

关键观点4: 深层超深层定向钻井面临理论方法的局限性、复杂油气井钻井理论体系内涵不足、延伸极限预测困难以及机理与数据融合的挑战。

文章指出了当前深层超深层定向钻井面临的主要问题。

正文

深层、超深层定向钻井具有“垂深大与水平延伸远”的双重特征，受到复杂地层、高温高压、超长裸眼等多重因素约束，其安全高效作业面临着更大的全方位技术挑战。为此，着眼于深层、超深层定向钻井的提速提效问题，系统总结了定向钻井的发展概况与技术特点，选取了深层、超深层定向钻井中力学方面的几个重要基础问题，分析了国内外专家学者的相关研究进展和最新研究成果，最后展望了深层、超深层定向钻井基础理论研究发展趋势并提出相关建议。

研究结果表明：①大小偏差融合控制算法兼顾了井眼轨迹的控制精度、光滑度等多目标约束，适应于深层、超深层条件下井眼轨迹实时控制要求；②合理优化振动减阻工具个数、安放位置及其激励力幅值，可显著降低井下管柱摩阻，并有效提高机械钻速；③基于误差补偿机制的机械钻速融合预测模型既保留了机理模型的可解释性，又具有较高的预测精度；④套管复合磨损预测模型突破了经典“单月牙”模式的局限性，实现了复合模式下套管磨损形状与深度的同步预测。

结论认为，深层、超深层定向井和水平井是未来油气井工程的重要发展方向之一，需要加强多因素耦合机理、钻井延伸极限、机理与数据融合驱动等方面的基础研究，以推动复杂油气井工程基础理论的创新与发展，为深层、超深层钻井工程技术进步提供必要的基础理论支撑。

结论与展望

深层超深层定向钻井具有“垂深大与水平延伸远”双重特征，受到高温高压、复杂地层、超长裸眼等多重因素约束，其安全高效作业面临着更大的全方位技术挑战。要实现深层超深层油气井的安全高效钻井作业，需要研究解决一系列的重要基础理论与重大技术问题，而基础研究又是解决技术问题的基本前提之一。笔者认为今后应在以下几个方面加强相关研究：

1）突破现有理论方法的局限性，建立更为精确的预测模型。相对于常规浅层和中深层定向钻井而言，深层超深层定向钻井面临的客观条件更加严苛，导致原有理论模型的预测结果与真实情况之间存在较大误差。例如，钻头破岩形成的井眼通常具有一定的不规则度，钻具在井眼内运动时，钻具接头与不规则井眼之间存在机械阻力效应。对于深层超深层定向钻井而言，超长裸眼段上大量钻柱接头的机械阻力累积效应特别显著，是影响钻井安全高效作业的重要因素之一。然而，现有理论方法局限于理想规则井眼的假设条件，未充分考虑井眼不规则度的影响。因此，针对深层超深层定向钻井，建议加强现有理论方法的适应性评价研究，并通过解除某些假设条件的约束，建立更接近真实情况的预测计算模型和方法。

2）聚焦多因素耦合机制研究，深化复杂油气井钻井理论体系内涵。目前，大多钻井基础理论研究主要聚焦于管柱、流体、井壁中的单一因素，而将其他因素当作已知条件或忽略之。然而，在实际的定向钻井过程中，井眼中管柱、流体、井壁等因素之间存在复杂的耦合作用，如钻头破碎岩石形成一定形状的井眼，钻具磨削、碰撞井壁增加井眼形状的复杂度，形成的井眼反过来又影响钻头钻进方向与钻具受力变形，因此管柱与井壁之间存在着某种耦合作用，尤其对于深层超深层定向钻井而言，这样的耦合作用效应会更加显著。因此，在深层超深层定向钻井基础理论研究中，需要更加注重系统思维方法的应用，从相互作用的角度揭示管柱、流体、井壁等诸多因素之间的耦合机理，深化对定向钻井过程内在复杂性的认识，创新建立更加合理的预测模型与控制方法。

3）加强定向钻井延伸极限研究，丰富复杂油气井钻井基础理论体系。定向钻井延伸极限预测理论，是以钻井延伸极限定量预测与设计控制为研究核心，以井下管柱力学、环空水力学、近井壁岩石力学等为重要基础而构建的一套理论方法，是对现有复杂油气井钻井理论体系的重要补充。定向钻井延伸极限与相应的工程技术、装备、服役环境及作业参数等诸多因素密切相关，是一个复杂的多目标约束优化问题。尤其对于深层超深层定向钻井而言，主客观约束因素类型较多，导致井眼延伸受限问题特别突出。因此，建议加强定向钻井延伸极限研究，力争实现工程作业极限的精确预测，为深层超深层定向钻井风险评估、优化设计与安全控制提供科学依据。

4）积极探索机理与数据深度融合驱动，创新现代钻井理论与技术的相关研究方法。早期的钻井理论研究大多属于机理驱动的范畴，即根据定向钻井过程的内在机理来建立数学模型。然而，在机理建模中通常引入了一些经验假设，导致机理模型的预测精度普遍不够高。近些年，以大数据、云计算、人工智能方法为核心的数据驱动受到越来越多的关注。然而，受制于井下测量数据类型少、质量差，数据模型的可靠性普遍较低。对于深层超深层定向钻井基础研究而言，面临着“深层机理不清和测量数据不足”的双重挑战，单纯的机理或数据方法将难以满足相关预测与控制的更高要求。机理与数据融合驱动可充分发挥机理模型“物理含义明确、数据需求量少”与数据模型“人为假设少、智能分析决策快”的优点，可以有效避免两类模型的各自不足，有利于深层超深层定向钻井创新研究。因此，建议积极探索机理与数据深度融合驱动的新式研究方法，以便有效推动现代钻井基础理论与关键技术的创新研究与高水平发展。

引用本文

高德利,黄文君.深层、超深层定向钻井中若干基础研究进展与展望[J].天然气工业,2024, 44(01):1-12.DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2024.01.001　

GAO Deli,HUANG Wenjun.Basic research progress and prospect in deep and ultra-deep directional drilling[J].Natural Gas Industry,2024,44(01):1-12.DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2024.01.001