水平井技術は、シェールオイルやガスなどの非従来型資源の経済的かつ効率的な開発のための重要な手段となっており、その掘削効果はボトムビット組み合わせとシェール地層の地質力学的特性の適合度に大きく依存している。しかし、既存の研究では地質力学特性、掘削工具の構造パラメータおよび掘削プロセスパラメータ間の協調影響メカニズムが明確でなく、実際の掘削過程における正確かつ効率的な軌道制御の実現が困難である。そこで本研究は新疆ジュンガル盆地の典型的なシェールオイル区画の地質資料および掘削データを基に、地質力学特性、掘削工具構造力学および掘削動力学を融合した数値シミュレーション手法を構築した。扶正器の数量、分布位置、扶正器リブの地層への埋没深さ、掘削圧力や回転速度などの掘削機械パラメータがボトムビット組み合わせの誘導能力に与える総合的な影響を重点的に分析し、異なるパラメータ間の動的結合メカニズムを解明し最適マッチング案を模索した。研究結果より、リアルタイムで調整可能な掘削圧力や回転速度などの掘削パラメータと比較して、扶正器の構造配置、特に扶正器の数、扶正器とドリルビット間の間隔、および扶正器リブのシェール地層への有効な埋没深さが誘導能力に対してより敏感な影響を及ぼすことが明らかとなった。このメカニズムに基づき、「ドリルビット近傍の扶正器増設、間隔の精密制御、埋没深さの最適化」を核とする構造最適化戦略を提案した。シミュレーション検証および事例比較により、本手法がボトムビット組み合わせの誘導性および掘削効率を大幅に向上させることを示した。研究成果はシェールオイル・ガス水平井底部掘削工具組み合わせの精密設計に理論的基盤および重要技術支援を提供する。

水平井;シェールオイル;シェールガス;地質モデル;掘削工具組み合わせ;数値シミュレーション;地質工学統合