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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