气体钻水平井技术是近些年为了提高钻进速度而快速发展起来的钻井新技术,具有机械钻速高和有效保护储层等显著特点,受到国内外钻井界广泛重视,在钻井提速、治理恶性井漏、增产和稳产等方面具有明显的技术优势。由此,可大大降低钻进作业成本,提高单井的综合经济效益。气体钻水平井技术虽然在提高钻井速度等方面有突出优势,但仍存在一些技术瓶颈问题,主要有气体钻井“怕水”和水平井段的延伸能力两大瓶颈问题,这两大问题若不解决将极大地制约气体钻水平井技术的推广应用。本文主要针对气体钻水平井延伸能力这一技术瓶颈问题开展相关理论和实验研究工作,对气体钻水平井钻柱系统动力学特性、水平井段钻柱弯曲形态、钻进摩阻扭矩影响及其控制因素、减摩减阻措施和水平井段延伸能力预测开展了相关研究工作,取得一些研究成果,并通过气体钻水平井实钻案例井,对比验证了提出的提高气体钻水平井延伸能力的方法的有效性。论文的主要研究工作有以下几个方面:(1)国内外文献综述。对气体钻水平井作业条件和专用设备进行了较为系统的调研与分析,分析总结了国内外气体钻水平井摩阻扭矩与延伸钻进方面的研究进展及取得的成果和存在的问题,此外特别分析调研了泥浆钻水平井摩阻及延伸钻进的研究成果。(2)气体钻水平井钻柱摩阻扭矩理论模型建立。采用Hamilton原理建立气体钻水平井钻柱动力学模型,直井段和水平段采用直梁模型,弯曲井段采用曲梁模型,以提高模型的精确性。针对气体钻水平井作业特点,分析并确定了钻柱系统阻尼特点及参数以及气体钻井条件下的井径扩大、高摩擦特征、钻柱与井壁的碰撞接触和井型等特有特征在模型建立中的特殊考虑与处理。基于对钻柱与井壁不同接触状态的判定,建立了“碰撞、连续接触、正弦屈曲接触和螺旋屈曲接触”四种接触情况下的摩阻扭矩数学模型。(3)气体钻水平井摩擦系数实验研究。通过建立气体钻井条件下水平井段钻柱与井壁(“钻柱-裸眼岩石井壁”,“钻柱-套管井壁”)摩擦系数测试平台,研究岩屑粒径、岩性、沉积岩屑床包覆效应和岩屑床厚度对摩擦系数的影响规律并对导致该变化的内在影响机理进行了分析。(4)气体钻水平井摩阻与钻柱屈曲台架实验研究。基于相似理论,确定实验钻柱、井眼及实验工作参数与现场参数之间的比例关系,并据此建立了气体钻水平井比例实验台架(有弯曲井段)。基于摩擦系数实验获得的摩擦系数数值,对实验钻柱进行表面粗糙化处理,使其与模拟井壁的接触能够较好的反应真实钻柱与井壁的接触特性,提高实验的准确性。研究静态加载(仅加载钻压)和动态加载(转速+钻压)条件下,不同钻井参数(钻压、转速)对水平井段钻柱变形形态及其摩阻的影响,并通过对钻柱屈曲临界载荷实验值与理论计算值的对比,验证实验的精度。(5)气体钻水平井摩阻扭矩特性研究及主控影响因素分析。结合国内外相关研究资料和实测井眼轨迹数据,指出水平井段井眼轨迹存在连续小幅偏斜的现象,通过对案例井实测轨迹偏斜特征分析,总结了水平井段井眼轨迹的偏斜规律及特点,分析了不同偏斜方式及其偏斜幅值对钻进摩阻的影响;以工程实例井CA2井的基本数据为基础,分析了水平井常用井型结构、钻井参数(钻压、转速)、井径扩大率和摩擦系数对气体钻水平井钻进摩阻扭矩的影响,通过分析总结,指出影响气体钻水平井摩阻的主控因素,确定了提高水平井段延伸能力的研究方向。(6)气体钻水平井延伸方法及延伸能力预测模型研究。针对气体介质难以有效润滑钻柱的实际困难,提出通过加装专用减摩工具以减小摩阻,并设计了气体钻水平井专用的主动式减摩工具。分析了被动式减摩工具、主动式减摩工具的减摩效果及其工具的最佳使用方法,并利用气体钻水平井比例实验台架验证了被动式减摩工具的减摩效果;建立了以摩阻最小为指标的气体钻水平井井眼轨迹设计优化函数,采用序列无约束极小化技术进行求解,通过优化井眼轨迹减小摩阻;系统分析了气体钻水平井极限延伸能力的限制因素,提出了考虑钻柱屈曲影响的极限延伸能力预测模型,并对采用减摩措施前后的案例井极限延伸长度进行了预测,结合木桶理论对影响该井延伸能力的主要限制因素展开了分析。本文通过理论研究与实验研究,围绕气体钻水平井摩阻特性及延伸钻进开展了较为系统性的研究工作,实验研究了气体钻水平井摩阻特性以及钻柱屈曲行为,确定了影响钻进摩阻的主控因素,提出并论证了气体钻水平井的有效减摩方法,建立了气体钻水平井极限延伸能力的预测模型,研究工作对推动气体钻水平井技术的发展与推广应用具有重要意义。