煤层气井由于井壁煤岩的脆弱性及裸眼完井的要求,加之羽状水平井井身结构的复杂性,钻、洗井过程中不仅容易出现大尺寸岩屑颗粒局部堆积造成循环不畅情况,而且易由钻井液冲击及颗粒的冲蚀作用加重井壁坍塌风险,这些均可造成卡钻、憋泵等事故的发生。本文针对这一问题重点开展了以下方向的研究工作:(1)大粒径、超常颗粒在粘性流体中的动力学行为;(2)大粒径、超常颗粒在井筒中的运移规律;(3)双循环钻井系统的作用机理及工具优化;(4)考虑颗粒冲蚀作用的井壁坍塌风险可靠性模型;(5)风险色度分级及三维可视化研究。首先,采用在非结构网格和畸变网格中具有优势的梯度光滑方法(GSM)求解流场,获取超常颗粒表面压力及粘性力,求取颗粒表面总力矩,得到颗粒旋转运动机理、颗粒取向规律及尖端涡旋的产生、释放机理,讨论了超常颗粒之间的受力及表现差异、颗粒形状系数的影响规律,并提出旋转稳定时间的定义及对比;对单颗粒及多颗粒自由沉降进行了数值仿真,得到颗粒形状比例系数、形状差异对颗粒沉降行为的影响规律。进一步,构建大粒径、等效粒径非球形岩屑颗粒的离散元模型,采用Di Felice阻力模型及Hertz-Mindlin弹性接触模型,并考虑颗粒间的滚动摩擦,实现CFD-DEM耦合并行计算,通过与实验结果对比证实方法的可用性及准确性。对大粒径的、超常岩屑颗粒在水平井段的运移规律进行了数值模拟计算,讨论环空钻井液流速、岩屑颗粒含量、岩屑颗粒形状影响对运移速度、运移比的影响规律;建立煤层气井主井眼与排采直井连接段的“扩径”井段的CFD-DEM耦合模型,模拟再现不同粒径岩屑在“扩径”井段的运移及沉积过程,分析了岩屑含量、粒径及钻井液排量等因素对岩屑运移能力的影响。另外,针对煤层气井钻井携岩新技术:双循环钻井技术进行机理研究,在实测井井眼轨迹数据及操作参数基础上,针对采用低粘液体为辅助循环钻井液的双循环钻井携岩技术建立了全井数值仿真模型,计算结果展示了辅助循环的作用机理,证实了双循环钻井系统对水平井携岩的正作用;对双循环系统的底部构件,即辅助循环射流喷嘴的关键参数—喷嘴入射角度、放置位置进行了详细计算和讨论,得到最优参数。再进一步,建立地应力与井筒内压作用下的近井区应力场计算模型,通过自编程序求解准确获取井筒附近应力分布;考虑井壁冲蚀风险,选用FLUENT冲蚀率计算模型,计算获取钻井液及岩屑对井壁的冲蚀量,并将其体现于井眼尺寸的变化,结合尺寸效应,最终得到颗粒冲蚀作用对井壁坍塌压力的影响;构建了含冲蚀风险的钻井坍塌风险评价指标体系,利用拉丁超立方技术,结合ZS-3H井组实验数据得到煤岩力学参数及地应力参数的概率分布函数以及基于本文计算结果,给出冲蚀风险因素的概率分布形式,将Hoekbrown准则引入可靠性方法,建立了煤层钻井坍塌风险预测模型并进行了实例井ZS-3H算例分析。最后,将井壁坍塌风险进行色度分级:将风险值分为五个等级并赋予不同的颜色标记,结合三维井眼轨迹技术,形成一套全羽状水平井组的钻井风险三维可视化技术,并将其纳入数字井眼概念中来。