高德利的主要贡献

油气井是人类勘探和开发地下油气资源的必要信息和物质渠道。油气钻井是围绕油气井的建造和测量而展开的技术和资金密集型项目。石油工业从直井发展到定向井和丛式井是一次历史性的飞跃。这一飞跃带来了土地资源的节约和钻井成本的降低，解决了救援、避障、海上钻井等复杂工程问题，特别有利于特殊油气藏的勘探开发。特别是石油钻井从定向井发展到水平井，被认为是当今石油工业革命性的技术进步，受到世界各国的高度重视。然而，在定向井、丛式井和水平井的钻井工程中，如何控制井眼轨迹沿设计轨迹到达地下目标，是一个复杂的科学技术问题。高德利紧密结合两个国家科技攻关项目——“定向井和丛式井钻井技术研究”和“石油水平井钻井技术研究”，连续十年研究这个问题。他从研究地层的各向异性和井下钻井系统的鞭梢特性入手，在国内外首次建立了钻头与正交各向异性地层的相互作用模型，提出了有效钻井力和正交各向异性钻井理论的新概念，并根据各向异性将地层划分为12类(前人只提出了其中两类)，分别讨论了它们对井眼轨迹漂移的影响规律。该研究成果合理解决了井眼轨迹漂移的客观认识和定向控制准则问题，在前人研究的基础上向前迈进了一大步，受到了国内外同行的关注。为了提出定向控制的技术对策，他对井下钻井系统(或称“井底钻具组合”)进行了深入研究，建立了相应的三维非线性动力学控制方程，利用加权余量法成功地解决了垂直弯曲和水平弯曲大挠度井底钻具组合的三维非线性力学问题，开发了数值模拟计算系统(软件)，在国内外独一无二。同时，他还突破了传统静力学防斜理论(基于钻柱旋转)的局限性，提出了基于钻柱涡动的“动态防斜理论”，为攻克复杂地层防斜打快技术难题提供了科学依据。在此基础上，他开发了井眼轨迹预测与控制软件技术，在大港、江汉、四川、新疆、海阳等油田得到广泛应用。研究成果发表学术论文40余篇，发表井眼轨迹控制专著1部，先后获得中国石油天然气总公司科技进步特等奖(部级)、国家科技进步一等奖。

实钻地层特征评价方法及应用研究

在中国石油天然气集团公司“石油科技中青年创新基金”和科技攻关项目的支持下，高德利带领其研究组对已钻地层的可钻性和正交性进行了深入系统的理论和方法研究，建立了基于已钻信息的地层特征参数优化反演模型和计算方法，并开发了相应的计算软件系统。主要创新点如下:

1)基于钻头与正交异性地层的相互作用模型，提出了实钻地层特征参数的评价方法，建立了地层正交异性指数的优化反演模型。同时建立了描述井下过程动态特征的预测模型(时间序列分析)，利用神经网络的非线性特性和逆系统辨识原理，建立了反演实钻地层特征参数的神经网络模型。

2)地层可钻性是指在一定钻井条件下，地层岩石破碎的难易程度。在实际钻井过程中，钻时测井携带了大量的地层信息，其中钻时的变化最能反映地层可钻性的影响。针对深井钻井问题，提出了用微观可钻性系数表征实钻地层可钻性的新思路，并建立了微观可钻性系数反演模型，从而可以利用随钻测井数据提取地层的微观可钻性系数。

3)系统分析了实钻地层可钻性与声波速度和频谱特征值的关系，建立了根据纵波速度计算地层可钻性和各向异性的公式；提出了描述地层可钻性序列形态特征的关联维数指数和赫斯特指数指数，可以定量描述地层可钻性序列的特征，对区域地层可钻性规律的预测具有重要意义。

4)考虑钻头结构、地层特性、水力参数和钻井参数的影响，建立地层抗钻强度和钻头磨损程度的评价模型，用自定义参数描述钻井过程中牙齿磨损和地层抗钻强度变化的耦合作用，利用新钻头实际钻井数据确定钻头破岩的基本特征参数，为区分地层变化和钻头磨损的影响提供依据。该方法不仅可以随钻监测地层变化和钻头状况，还可以为钻后分析和钻头优选提供定量依据。

5)针对深层地层压力的评价，在分析地层压力时间序列演化特征的基础上，探讨了建立地层压力神经网络智能识别模型的方法，编制了基于MATLAB神经网络工具箱的地层压力智能识别软件系统。同时，研究并应用“岩石强度法”随钻监测地层孔隙压力。

基于上述研究成果，不仅发表了近30篇学术论文，而且在现场得到了成功应用。两个项目分别获得1998北京市科技进步一等奖和2000年中国高校科技进步二等奖。

3油气井管柱力学与工程研究

高德利博士以其杰出的科研成果获得了国家杰出青年科学基金1998(批准号:59825115)的资助，并结合中国石油天然气集团公司石油管道力学与环境行为重点实验室的应用基础研究项目，带领其研究组重点开展了油气井管柱力学行为与最优控制的研究。经过四年多的不懈努力，

1)考虑结构和材料性能、载荷特性、井眼约束等多种因素的影响，通过建立和求解油管柱屈曲的微分控制方程，得到了不同井眼约束下油管柱的正弦和螺旋屈曲构型，给出了油管柱压扭屈曲行为的临界载荷以及油管柱轴向变形与载荷的关系(经实验验证， 这与先前的假设不同)，从而确定油气井中油管柱的后屈曲路径。

2)考虑高温(> 180°C)高压(>；100MPa)，应用塑性力学增量理论，通过实验验证，建立了测试管柱轴向力和变形的有效计算模型。建立了高温高压油气井测试中井筒温度变化引起的套管附加载荷综合计算模型，该模型考虑了套管温度效应、膨胀效应、屈曲效应、流体热膨胀效应和体积压缩效应等因素，适用于计算温度变化引起的套管围压和轴向力变化。

3)提出了复杂地质条件下油气井复合管柱的优化设计理论，为新型高抗挤套管产品的开发和应用提供了工程科学依据。同时，建立了以载荷和套管强度为时空函数的复合套管柱优化设计模型，以及更精确的套管内压计算模型、轴向力通用计算模型和描述不连续外压分布的组合外压模型，形成了先进的复合套管柱理论和计算方法(排序筛选法)，开发了功能完善的优化设计系统(软件)。

4)建立了井下摩阻和扭矩的通用计算模型和算法，其中特别考虑了井下管柱的屈曲效应，从而可以更准确地计算三维井眼中油管柱的摩阻和扭矩分布。在此基础上，开发了功能齐全的井下摩阻扭矩计算系统(软件)。

基于上述研究成果，已发表学术论文40余篇，在油田套损钻井预防、大位移井工程、高温高压深井工程中成功应用，其中两项分别获得省部级科技进步一等奖。