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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Lyons PhD PE , William C.

出品人:

页数:776

译者:

出版时间:2008-12

价格:776.00元

装帧:HRD

isbn号码:9780123708953

丛书系列:

图书标签:

• 钻井
• 空气钻井
• 气体钻井
• 油气勘探
• 钻井工程
• 现场指导
• 石油工程
• 地质工程
• 钻井技术
• 工程技术

地下工程勘探与开采手册：岩土界面分析与钻进优化策略 本书聚焦于地下工程领域中，特别是复杂地质环境下的岩土界面行为、钻进过程中的力学响应以及高效能钻进技术的实施与优化。 本手册旨在为地质工程师、钻井专家、岩土力学研究人员提供一套详尽的、基于实践和理论深化的指导框架，用以解决当前地下资源勘探与开采过程中，尤其是在非常规储层、高压/高温（HP/HT）环境以及破碎岩体中的关键技术挑战。 全书内容严格围绕“岩土界面”这一核心概念展开，深入剖析了钻头与被钻介质接触时所发生的复杂物理、化学和力学耦合现象，旨在超越传统钻井工艺的经验依赖，实现对钻进过程的精准预测与控制。 --- 第一部分：岩土界面基础力学与表征 第一章：非常规地层特性与钻进响应 本章详细探讨了页岩、致密砂岩、盐岩和火山岩等非常规地层在不同地应力状态下的本构关系。重点在于量化“应力敏感性”和“脆-塑性转变点”，这些参数直接决定了钻头切削效率和井壁稳定性。 1.1 复杂岩石的动态力学行为： 引入了高速冲击载荷下岩石破碎模式的研究，区分了微米级切削与宏观裂纹扩展的能量分配机制。 1.2 黏土矿物与水化作用： 针对含有大量黏土矿物的地层，分析了钻井液（泥浆）中离子浓度、pH值和粘土矿物表面电荷密度对岩石膨胀和钻孔收缩的影响。建立了动态水化速率模型，用以预测井壁失稳的时间窗口。 1.3 热力耦合效应： 在深层钻井中，岩石温度梯度对机械强度和孔隙压力的影响被量化。探讨了热冲击引起的微裂纹萌生与扩展，尤其是在钻井液温度与地层温度差异较大时。 第二章：钻头-岩石相互作用的离散元分析 本章采用先进的数值模拟方法，对钻头切削过程进行精细化建模。 2.1 切削机构的微观模拟： 使用离散元法（DEM）模拟了不同形状、排屑槽角度的钻头齿（如PDC、滚刀）与岩石颗粒间的相互作用。分析了“犁削”、“剪切”和“压碎”三种模式下的能量消耗与岩屑产生速率。 2.2 钻屑形态与输送效率： 建立了岩屑尺寸分布、形状因子与钻井液剪切速率之间的关系。提出了基于岩屑形态参数（如长宽比和圆度）的钻井效率评估指标，优化钻头设计以避免二次破碎和环空堵塞。 2.3 界面摩擦与扭矩预测： 详细分析了钻井过程中由岩屑层、钻井液滤饼和裸岩表面产生的复杂摩擦力。开发了考虑孔隙压力和井壁粗糙度的摩擦系数修正模型，提高了地面扭矩和钻压预测的精度。 --- 第二部分：钻进过程的动力学与优化控制 第三章：钻柱动力学与振动抑制 钻柱在钻进过程中的轴向、扭转和侧向振动是影响钻头寿命和井眼轨迹控制的主要因素。 3.1 钻柱振动模式识别与建模： 基于有限元法，建立了包含钻杆、钻铤、稳定器和钻头在内的多自由度动力学模型。重点分析了“自激振动”（如颤振/stick-slip）的产生机理和频率响应。 3.2 井下传感器数据融合与状态监测： 阐述了如何利用随钻测量（MWD）工具采集的振动加速度、扭矩和压力数据，实时反演钻头受力状态。引入卡尔曼滤波和经验模态分解（EMD）技术，实现对非线性振动的早期预警。 3.3 动态稳定器布局与主动控制策略： 提出了基于振动预测结果的动态稳定器布放优化算法。对于无法通过被动措施抑制的强激励振动，介绍了主动阻尼技术在钻柱系统中的应用潜力。 第四章：钻井液与岩石耦合作用的流体力学 本章探讨了钻井液作为多相流体，在复杂钻孔几何形状和高剪切速率下，如何影响岩石的稳定性和钻进效率。 4.1 环空流场模拟与清洁度评估： 利用计算流体力学（CFD）模拟了不同排量、泥浆粘度（塑性粘度、屈服点）下的环空流速分布。重点关注了环空死区、岩屑床形成和返排效率之间的临界关系。 4.2 滤饼构建与地层损害机理： 深入分析了钻井液滤饼在低渗透性地层中的形成速率和渗透率。量化了滤饼的厚度、渗透性和脆性对地层渗透率的损害程度（$L_w$）。并提出了“自修复”或“可逆性”钻井液添加剂的设计原则。 4.3 携岩能力与钻井液密度优化： 建立了考虑重力、粘滞力和颗粒间碰撞的岩屑输送模型。提供了在斜井和水平井中，如何根据钻井液流变参数和井斜角，确定最小稳定携岩流速的实用图表和计算方法。 --- 第三部分：高难度地层钻进技术与井壁完整性保障 第五章：高压/高温（HP/HT）环境下的材料科学与钻进挑战 针对深层、高地温梯度油气藏，本章关注极端条件对钻井系统可靠性的考验。 5.1 钻井工具的耐腐蚀与抗蠕变性： 评估了镍基合金、碳化钨等耐高温材料在高温高压硫化氢（H₂S）和二氧化碳（CO₂）环境下的应力腐蚀开裂（SCC）敏感性。 5.2 高温泥浆失水控制与化学稳定性： 探讨了高温下聚合物降解和固控剂失效问题。介绍了新型无机或纳米材料基钻井液体系，以维持其流变性和滤失性能。 5.3 井控安全与地层压力预测： 详细描述了如何利用地层测试数据和钻进参数的微小变化（如钻头扭矩、摩阻压力）来实时预测“漏失”或“井涌”事件，从而及时调整井控参数。 第六章：井壁稳定性的主动维护与地层评价 保障井眼形态的稳定是后续完井和生产成功的基石。 6.1 井壁岩石强度（UCS）与地应力反演： 利用钻井过程中获取的钻头参数（ROP、扭矩、钻压）结合岩石力学数据，反演出地层中的最大水平主应力 ($sigma_H$) 和最小水平主应力 ($sigma_h$)。 6.2 井眼轨迹控制与井壁接触力分析： 针对大位移井，分析了钻柱与井壁之间的侧向接触力如何引发磨损和非计划的轨迹偏差。提出了基于优化算法的钻具组合设计，以最小化井壁损伤。 6.3 复杂裂缝网络钻进与支撑剂设计： 针对天然裂缝发育区，探讨了如何通过微地震监测和声波测井数据，预测裂缝的走向和渗透性。指导如何调整钻进参数（如增加钻压以切穿弱面，或降低钻压以避免主裂缝的过度开启）。 --- 总结与未来展望 本书最后总结了数据驱动的钻井优化方法，强调了结合机器学习（ML）模型对海量历史钻井数据进行模式识别的重要性。未来的钻井工程将越来越依赖于实时、闭环的智能控制系统，实现对岩土界面的瞬时响应和钻进路径的自适应调整。本书提供的理论基础和工程方法，是迈向这一目标的关键阶梯。

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