超深井井筒安全构建工程基础理论与方法

The depth of more than 6000 meters deep natural gas resources accounted for 60%, which is one of the most important development fields of petroleum industry in the future. In view of the poor operation condition of well shaft, the low efficiency of drilling and fracturing process in ultra-deep well, at the same time, taking into consideration the scientific issues of the safety construction of ultra-deep well , long-term mechanical mechanism and method of reservoir productivity, the coupling characteristics of ultra-deep rock mass structure and wellbore working fluid under high temperature and high stress, the control effect on the stability of surrounding rock of shaft are analyzed, and the basic characteristics of surrounding rock mechanics are revealed in this project. Then, the rock fracture and interaction of fracture and cave in ultra-deep reservoir are studied. The long - term control mechanism of hydraulic fractures in ultra-deep and dense reservoirs is mastered. On the other hand, the nonlinear coupling numerical simulation and experimental methods of casing-cement sheath-formation system under conditions of complex geologic features, large scale fracturing and long - term environmental effects are studied. Exploring the whole life cycle wellbore integrity control mechanism, developing new nano-materials, anti-high temperature and salt-resistant materials and liquid systems, building a safe, efficient and environment-friendly basic theory and method of well construction engineering, provide theoretical and technological reserves for the safe and efficient development of ultra-deep oil and gas resources.

埋深超过6000米的深层天然气资源量占比达60%，是石油工业未来最重要的发展领域之一。针对超深井井筒工况条件差、钻井压裂效率低等难题，围绕超深层井筒安全构建与储层高产长效压裂力学机理与方法的科学问题，深入分析高温高应力条件下超深层岩体结构与井筒工作液的耦合特征，研究其对井筒围岩稳定性的控制作用，揭示井筒围岩力学基本特征；研究超深致密储层岩石断裂及与缝、洞作用的力学行为，掌握超深致密储层人工裂缝长效控制机制；研究复杂地质条件、大型体积压裂和长期环境作用与套管-水泥环-地层组合体响应的非线性耦合数值模拟和实验方法，探索全生命周期井筒完整性调控机制，研发井筒工作液新型共性纳米和抗高温抗盐材料及液体体系，形成安全高效环保的井筒安全高效构建工程基础理论与方法，为超深层油气资源的安全高效开发提供理论技术储备。

近年来油田上产主力主要从中高渗老区逐渐接替为超深层、非常规油气，其中埋深超过6000米的深层天然气资源量占比达60%，是石油工业未来最重要的发展领域之一 。而超深层井在施工过程中主要存在超深井井筒工况条件差、钻井压裂效率低等难题。为此，本课题围绕超深层井筒安全构建与储层高产，长效压裂力学机理与方法的科学问题，结合岩石力学理论，数值、物理模拟方法开展了一系列的研究，主要取得了以下成果与认识：（1）考虑超深层致密、非均质、各向异性、多尺度裂缝发育等特征并建立了超深层多尺度物理场耦合井壁稳定力学模型，揭示了高温高压与水岩作用下岩石劣化的微观动力学机制和宏观非线性力学响应特征。（2）研究了高温高压超深致密储层岩石断裂及与天然裂缝（洞）作用的力学行为，明确了高温高压超深致密储层人工裂缝（网）长效控制机制，建立了高温高压超深致密储层有效改造基础理论。（3）研究了复杂地质条件、大型体积压裂和长期环境作用与套管-水泥环-地层组合体响应的非线性耦合数值模拟和实验方法，对全生命周期井筒完整性失效力学行为进行了探索与表征，发明了防窜、防腐、防损伤新材料，攻克了高性能纳米功能材料合成难题，研发了持久密封水泥浆新体系，实现了水泥“液-固”态性能迭代升级，建立了高应力强蠕变地层套管强度设计理论。（4）研发了关于井筒工作液的新型共性纳米和抗高温抗盐材料及液体体系。通过上述研究建立了一套超深层安全高效环保的井筒安全高效构建工程基础理论与方法。.本课题研究期间，培养研究生26名，其中毕业博士研究生8名，毕业硕士研究生7名，在读博士8名，在读硕士2名。获得省部级奖励2项，其中特等奖1项，一等奖1项。发表文章11篇，其中SCI检索9篇，北大中文核心1篇，中文科技核心1篇。申请发明专利5项，其中授权发明专利1项。举办或参加学术会议9次，其中举办国际学术会议1次，举办国内学术会议1次，参加国际学术会议7次。