本论文是国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发中项目36“煤层气钻井工程技术及装备研制”中煤层气水平井的关键技术研究中的一个子课题。随着21世纪的到来,国际社会对能源的需求日益增长,而世界上的石油与天然气的存量是有限的,而且随着世界经济的不断发展,这些不可再生能源已经处于逐渐枯竭的阶段了。导致各国都面临着常规能源供给不足的严峻局势。在这种新的世界形势下,各国都开始逐渐发展非常规能源以及新能源来替代逐渐枯竭的石油与天然气资源。本论文是煤层气洞穴钻井特指在已钻井眼深处扩眼,扩眼一定的深度。洞穴钻井的目的旨在联通多口井降压采气,提高采气效率。然而,由于扩径比过大,扩径钻井时工作扭矩太大,工艺实现困难。本论文研究提出了在扩眼前期在煤岩中利用射孔工具先期射孔,改变目的层煤岩应力,降低煤岩剪切强度,最终达到减小钻头切削接触力,降低钻头工作扭矩,提高钻井效率的目的。本论文的基本思路是采用有限元方法进行仿真分析,通过有限元软件对模型进行的分析得出相应的结果并分析。有限元方法是目前应用最为广泛的数值方法之一,由于该方法基于连续性假设,早期的有限元方法主要用于描述和计算连续介质。一些学者在采用非连续形函数的基础上提出了强化有限元方法,结合材料不均匀性和非线性的处理,发展了广义有限元方法,并将其应用于非线性断裂分析。通过国内外学者与研究人员的多年研究,可得出以很多经验并借鉴使用：1.煤岩具有的各向异性特征,但由于没有相关的计算规范和一定数量的实验数据,目前在分析计算中仍把煤岩作为连续,均质和各向同性介质进行处理。2.浅层岩土工程中,如煤矿、隧道等,目前一般采用库仑—莫尔(Coulomb—Mohr)准则作为岩石破碎的强度依据；深部地层中,由于围压作用,岩石表现为塑性特征,应采用德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)准则。3采用大型商业有限元软件(如I-DEAS, Ansys, Ansys/LS-Dyna, ABAQUS)进行岩石和煤层力学分析是可行的,关键在于软件中是否包含了目前公认的适用于岩石的材料模型和失效准则。Ansys软件中包含了Drucker-Prager材料模型,这是该软件在国内岩土分析中应用较广泛的原因之一。本论文从查阅国内外相关文献资料过程中,获得了国内外主要地区煤岩的材料力学相关数据,为煤岩扩孔提供了现实材料参数。本文拟从数值模拟方向来对煤岩扩孔进行有限元仿真分析,主要包括对煤岩射孔应力重分布的分析、射孔后对煤岩进行扩孔切削力的分析以及编写一套仿真软件。本论文研究的主要内容包括：1.绪论部分：收集了国内外的相关文献资料,对数值模拟方案的可行性进行评估,为通过有限元软件进行煤岩扩孔切削分析提供了依据。2、煤岩性质研究：分析对比了国内主要地区煤岩的材料力学行为与相关数据,为数值模拟提供可靠的煤岩属性与参数。3.煤岩射孔应力重分布研究：利用Ansys大型通用有限元软件,分析了3种不同的原始井眼、两种不同的布孔方案、4种布孔参数情况下,煤岩在上覆岩压力、侧向围压和井眼内静水压共同作用下,射孔井段的应力分析规律,提出了布孔孔距的推荐值；分析了井眼内钻井液密度对射孔井段的应力分布和塑料变形的影响,为工程应用提供了参考4.利用Ansys/Ls-dyna显式动力分析软件,针对一种典型的井眼直径,模拟了无小孔、单孔和多排布孔情况下,刀具从不同位置进行切削的过程,得出了煤岩应力分布的变化特点,求出了切削过程中切削力随时间变化的计算结果和平均切削力数据,并与常规经验数据进行了对比。分析了井眼内钻井液密度对切削力的影响,为工程应用提供了参考数据。5.以VB为平台,接合Ansus有限元件件,开发了一套射孔井段的应力分布和切削过程动力学仿真的计算分析软件,可提交用户进行实际工程的分析和计算以作为理论参考。能过本论文的研究分析,对煤岩扩孔后的应力重新分布有了一个直观的认识和了解,并对不同的布孔方案进行了对比分析,得出了相应的布孔方案。通过动力学分析,知道在刀具切削煤岩的过程中,煤岩各种的应力的变化特点及布孔方案对切削力大小的影响。通过VB平台,接合大型有限元分析软件ANSYS及ANSYSLS-DYNA和后处理软件LS-PREPOST,编写了一个工程技术人员可以快速操作的软件。通过软件可以实现隐式的射孔应力分析、显式的切削动力学分析、切削动画仿真等功能。虽然论文中做了一定量的分析研究,但还存在许多可以进一步分析的地方,比如说：可以通过实验获得具体岩石的参数,为了限元分析提供可靠的数据。可以通过更多的算例分析,来得出进一步的结论。利用更可靠的分析过程,更细致的分析步骤对数值仿真进行优化。利用更人性化的软件界面与操作实现人机交互更方便等。