当前我国油气开发正在向滩海和海洋发展。冀东南堡油田是我国重要的滩海油田,受地面和地下条件限制,多采用丛式大斜度井平台结合气举采油技术进行开发。采用传统气举技术进行检阀作业时,频繁的管柱起下操作会导致高昂的费用投入,如,仅冀东南堡油田NP1-3人工岛大斜度气举井的检阀作业费及占井产量损失就高达2亿元以上。如果大斜度气举井采用钢丝投捞替代常规起下管柱方式更换气举阀,则可以大幅节省作业费用,缩短检阀操作占井时间,同时避免入井液对地层的伤害。尽管投捞式气举采油技术相对于传统的起下管柱技术具有明显的优势,但由于冀东油田大斜度井井身结构的复杂性(造斜点高、井斜角大、多井段),气举投捞技术的发展面临着一些需要克服的难题,体现在:①当井斜过大时,钢丝及投捞工具串对载荷、摩阻、速度的敏感性增强;②绞车、井斜、井型、投捞器参数、下冲距离等对气举投捞系统的投捞作业过程和下冲速度影响变大;③由于井斜变化大,投送器、工作筒对准锁紧控制困难;④随着井斜增加,气举投捞系统中用于气举阀投送的有效下冲物能够提供的能量越来越小,难以达到气举阀投送到工作筒偏孔中所需的最小能量要求。由于以上原因,国内外大斜度井气举钢丝投捞技术发展缓慢,极度缺乏大斜度井气举投捞系统力学模型、力学特性分析、关键工具和安全控制方法研究,严重束缚了冀东油田大斜度井气举投捞效率的提高。针对这一现状,本文在详细调研国内外气举投捞技术研究现状的基础上,以冀东油田大斜度井开发为背景,开展了大斜度井气举投捞系统力学及其安全控制方法的理论和实验研究,主要取得了以下研究成果和认识:(1)在详细分析大斜度井气举投捞工艺和工作机理的基础上,揭示了现有气举投捞系统在大斜度井中投捞失效机理,提出了气举投捞成功的判定法则,即投送器下冲剩余能大于阀入偏孔所需最小能量、导向对准度大于零。(2)提出了大斜度井井眼轨迹模拟、钢丝-油管接触分析、油管压差阻力计算等系列方法,以此建立了综合考虑井口滚筒、井口辅助装置、钢丝、投捞器相互作用的大斜度井气举钢丝投捞系统动力学模型,基于有限差分法、高斯消去法结合迭代法实现了模型的求解,采用现场实测结果验证了模型的有效性。(3)根据气举投捞系统的动力学模型,开展了大斜度井投捞系统力学特性研究,找到了投捞工具串下入、投送、上提、打捞等过程载荷变化规律,揭示了下冲过程中井斜、井深、井眼轨迹、冲程、投捞器几何参数等因素对下冲速度和下冲剩余能的影响机理,提出了大斜度井气举投捞系统的投捞运动方式,即,将整体投送工具串做为下冲物,并以较长冲距一次向下冲击,在工作筒内完成下冲旋转导向。(4)建立了投捞式气举阀、气举工作筒、投送器等大斜度井气举投捞关键工具的设计方法,完成了关键工具的研制。(5)在大斜度井气举投捞系统力学特征及关键工具研制的基础上,从井下气举管柱、地面提升系统、钢丝、投捞工具串等四个方面,提出了大斜度井气举投捞系统安全控制方法。在以上研究的基础上,形成了大斜度井气举投捞系统力学分析和安全控制方法理论技术体系。室内实验和现场应用表明,本论文提出的大斜度井气举投捞力学分析理论、控制方法、关键工具设计正确合理,可显著提高投捞成功率,降低作业费用,为冀东油田大斜度井气举投捞提供理论及技术支撑。