岩层倾角对钻井套管剪切变形的影响分析

发布时间：2022-02-19 12:11

　　针对钻井套管剪切破坏问题,基于煤层开采的上覆岩层移动规律,采用ANSYS数值模拟软件建立钻井套管剪切变形的有限元模型,模拟分析了不同的岩层倾角对钻井套管剪切变形区域应力分布的影响。研究结果显示:套管发生剪切变形后,剪切面由原始的圆形变为椭圆形,且椭圆长轴端点区为剪应力的应力集中区;岩层倾角增大会造成套管剪应力的应力集中区面积增大,且应力集中区最大剪应力也在逐渐增大。 

【文章来源】：煤矿安全. 2020,51(05)北大核心

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

岩层与套管的有限元模型

数值计算模型边界条件示意图如图2，具体为：(1)岩层底部为固定约束；(2)下部岩层四周承受水平应力σh;(3)上部岩层前后2个面承受水平应力σh，左右2个面为位移约束，水平位移约束值为s;(4)上部岩层表面受到垂直应力σv;(5)套管下部表面固定约束，上部表面受向上的拉力。当煤层厚度m和采深H相同时，采空区顶板上部岩层最大水平位移值与煤层倾角θ呈正相关，即煤层倾角θ越大，最大水平位移值越大[11-12]。因此设定岩层倾角θ分别为0°、10°、20°、30°的模型中，左右2个面的水平位移约束值s分别设定为35、70、105、140 mm。此外，假设模拟的套管位于地表以下300 m的位置，假设上覆岩层平均密度为2.5 t/m3，则根据地应力计算公式可得到垂直应力σv=7 500 kPa，水平应力σh=3 530 kPa[13]。岩层与岩层之间、岩层与套管之间均设置摩擦接触，摩擦系数均为0.15，接触面算法采用增广lagrange算法。

不同倾角下套管剪切变形区应力分布如图3。从图3可知：随着岩层倾角增大，套管剪切面区域的Mises应力越大，且高应力区范围逐渐扩大，并出现应力集中现象。剪切面区域可划分为应力集中区A、应力集中区B和应力集中区C；当应力集中区A和B连通后，形成了应力集中带；当应力集中带的应力全部达到极限应力时，套管将在断裂面处发生断裂。不同倾角下套管剪切变形区最大等效应力变化如图4。从图4可知：岩层倾角与套管变形区最大主应力近似呈正线性相关，尤其是当岩层倾角为30°时，其套管剪切变区最大主应力达到了663.9 MPa，即将达到套管的极限强度689 MPa。由此可知，在相同的条件下，岩层倾角增大会提高套管的剪切破坏概率，严重影响瓦斯抽采钻井的稳定性。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基岩裸露山区煤层倾角对地表移动规律的影响研究[J]. 王启春,李天和,郭广礼.  煤炭科学技术. 2016(09)
[2]地面瓦斯抽采钻井变形破坏主控因素分析[J]. 张军.  煤矿安全. 2012(12)
[3]地面钻井套管耦合变形作用机理[J]. 孙海涛,郑颖人,胡千庭,林府进.  煤炭学报. 2011(05)
[4]地面钻井剪切变形破坏模型及其空间规律分析[J]. 孙海涛,林府进,张军.  采矿与安全工程学报. 2011(01)
[5]地面瓦斯抽采钻孔变形破坏影响因素及防治措施分析[J]. 孙海涛,张艳.  矿业安全与环保. 2010(02)
[6]岩层移动对瓦斯抽放钻孔的破坏研究[J]. 沈健,金洪伟,许家林.  煤矿安全. 2010(03)
[7]中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J]. 程远平,付建华,俞启香.  采矿与安全工程学报. 2009(02)

博士论文
[1]采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究[D]. 孙海涛.重庆大学 2008

硕士论文
[1]地表移动变形随煤层倾角及地表坡度变化规律的数值模拟分析[D]. 靳飞.太原理工大学 2016
[2]寺河矿W2301工作面多巷掘进工艺优化设计研究[D]. 李忠晓.辽宁工程技术大学 2012



本文编号：3632874