基于流-固-热多场耦合的水平钻柱动力学行为机理研究

Natural gas hydrate is a new type of clean energy with huge reserves. Reasonable exploitation of natural gas hydrate can completely solve the shortage of natural gas in China. However, how to safely and efficiently exploit natural gas hydrate is one of the recognized technical problems in the petroleum field. As the exploitation requires horizontal well drilling to reduce the exploitation cost, and the existing traditional dynamic theory of horizontal drillstring cannot meet the actual demand. Thus, the research on the dynamic behavior of drillstring in the horizontal section of natural gas hydrate exploitation is particularly important. Theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification are applided to establish the transverse/torsional/axial full coupling vibration model of drillstring under the complex surroundings of natural gas hydrate reservoir and excitation and propose calculation method of the mathematical model in this subject. The action mechanism of annular temperature gradient, non-linear impact/friction, hydrate decomposition and the other factors on the dynamic behavior of drillstring in horizontal section is analyzed. And an evaluation and suppression method for unwanted vibration of drillstring in horizontal section during natural gas hydrate drilling is proposed. This subject provides theoretical basis for the engineering popularization of natural gas hydrate drilling technology and the development of special drilling equipment.

天然气水合物是一种储量巨大的新型清洁能源，对其合理开采可以彻底摆脱我国天然气短缺的境况，但是如何安全高效地对其进行开采是石油领域公认的技术难题之一，由于其开采需要采用水平井钻进的方式以降低开采成本，而现有传统水平井钻柱动力学理论无法满足实际需求，因此对天然气水合物开采中水平段钻柱动力学行为的研究就显得尤为重要。本课题采用理论分析、数值模拟以及实验验证相结合的研究方法，建立天然气水合物储层复杂条件及激励源作用下钻柱的横向/扭转/轴向全耦合振动模型并提出其解算方法，分析环空温度梯度、非线性碰摩、水合物分解等因素对水平段钻柱动力学行为的作用机理，提出天然气水合物钻井过程中水平段钻柱有害振动的评价与抑制方法，为天然气水合物钻井工艺方法的工程推广以及专用钻井装备的研制提供理论依据。

天然气水合物是一种储量巨大的新型清洁能源，对其合理开采可以彻底摆脱我国天然气短缺的境况，但是如何安全高效地对其进行开采是石油领域公认的技术难题之一，由于其开采需要采用水平井钻进的方式以降低开采成本，而现有传统水平井钻柱动力学理论无法满足实际需求，因此对天然气水合物开采中水平段钻柱动力学行为的研究就显得尤为重要。本课题采用理论分析、数值模拟以及实验验证相结合的研究方法，建立天然气水合物储层复杂条件及激励源作用下钻柱的横向/扭转/轴向全耦合振动模型并提出其解算方法，分析环空温度梯度、非线性碰摩、水合物分解等因素对水平段钻柱动力学行为的作用机理，提出天然气水合物钻井过程中水平段钻柱有害振动的评价与抑制方法。研究得出以下结论:1.环空无气体时，随着环空流体速度的增加，钻柱系统稳定性降低，钻柱横向振动频率降低，钻柱横向振动幅值增大；2.环空流体流速对钻柱横向振动的影响大于环空流体气体含量对钻柱横向振动的影响；3.随着环空流体流量的增加，钻柱横向振动频率的变化要比环空气体含量的增加快；4.当环空流体速度一定时，随着环空流体气体含量的增加，钻柱系统的稳定性降低，钻柱横向振动的周期变化越来越复杂，钻柱横向振动的幅值增大；5.钻柱长度、角速度等参数对钻柱振动有较大影响，随着角速度的增大，系统经历了从多个周期运动到几乎周期运动再到周期运动的过程，随着钻柱长度的增加，系统的振动强度和振幅减小，碰摩作用不断减弱。.由该项目资助共发表论文9篇，其中SCI检索3篇，EI检索2篇；授权专利1项；获得黑龙江省科技进步奖二等奖1项；另外发表SCI论文1篇（已出版，待检索）、EI会议论文3篇（已出版，待检索）；共培养研究生7人，其中2人硕博连读，继续攻读博士学位，且其研究内容仍为钻柱动力学方向。