采场上覆软弱夹层区域钻井受力与破坏机制研究

发布时间：2020-06-20 23:10

【摘要】：瓦斯是威胁煤矿安全生产的重要因素之一,瓦斯的有效抽采是保证煤矿安全生产的重要举措。地面钻井抽采是一种高效的煤矿瓦斯开发模式,但是,煤层开采过程中上覆岩层运动剧烈,对钻井井身产生显著的剪切、挤压和拉伸等破坏作用,甚至造成钻井破断,当地层中含有软弱夹层时,钻井损害现象更加严重和频发,钻井易破断失效已成为制约该项技术推广应用的关键难题之一。本文通过采用基础理论及案例分析、基础实验研究和数值模拟实验相结合的方法,对采动条件下地层中软弱夹层区域的运动规律及钻井破坏特征进行了研究。1)通过对采动条件下覆岩的垮落特征及淮南矿区、晋城矿区的实际工程案例分析,得到:(1)岩层运动过程中,移动界限和拐点界限与套管破坏之间存在动态响应关系,将老顶垮落临界点时的断裂位置划分为应力缓冲区,应力集中区(应力拉伸区与应力挤压区)及应力松散区;确定了套管变形中弯曲内侧下部位置为极易破坏的危险区域;(2)统计了淮南顾桥矿、谢桥矿、潘一矿、张集矿,晋城成庄矿的钻井破坏情况,并从套管的破坏形式、钻井井身结构、围岩岩性等方面对套管破坏进行了分析,得出软弱岩层处套管发生破坏的概率达到82.8%,发生位置多为软弱岩层的层面处;另外,分析了扶余油田、新立油田的石油开采钻井的破坏情况,亦是如此,分许结果与研究内容基本符合。2)对地层中软岩夹层区域进行了针对性研究,通过实验室实验对HSH(硬-软-硬)特殊结构试件在单轴载荷条件下的运动规律进行了探索,实验结果表明:(1)实验试件的应力-应变曲线图与软弱岩石的应力-应变曲线图,其峰前的趋势基本相似,验证了模拟实验的可行性和正确性;(2)试件经过单轴抗压试验后,破坏全部是从中部的软弱夹层开始发生,说明软岩相邻岩层的错动是由于软岩自身发生破坏造成的;随着试件软弱夹层强度的增大,上下砂岩岩块的相对滑移量成线性减小,而随着试件软弱夹层厚度的增大,试件出现了两段不同的变化趋势;3)利用数值模拟分析软件FLAC3D模拟了现实的地层移动及钻井受力情况:(1)在工作面推过140m,即扰动效果达到软岩位置时,钻井套管的整体受力特征显示为软岩区域剪切力迅速增大,并针对性的对比了有无软岩两种情形下软岩位置的最大剪切力情况,发现在软岩处套管受到的最大剪切力显著增大;(2)分析了软岩区域内岩层分界面与软岩内部的滑移相对量,以此来探究岩层运动导致钻井破坏的根本原因:软岩自身的可塑性较强,与相似模拟实验结果吻合;(3)采用敏感系数分析法,确定了力学参数应该成为考虑软岩岩层加剧岩层运动强烈程度的第一要素。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD325
【图文】：

水平位移,软弱岩层,采场覆岩,晋城矿区

2 覆岩移动变形规律与钻井破坏关键区域分析身自身弱点，可以发现在护壁套管发生破坏的概率较大，占比达到了，破坏多发生于软弱岩层或其相邻处，15 处破坏中只有 1 处发生在较中，其他全部发生在软弱岩层，高达 93.3%，在发生于软弱夹层的 1，发生于软弱岩层层面的破坏共有 8 处，占一半之上，而发生在岩层内有 6 处，说明，钻井套管破坏是由于软弱岩层自身的软弱特性造成了证了前文所述的钻井破坏过程的分析。晋城矿区钻井破坏情况山西晋城矿区在单一开采煤层条件下采用地面钻井技术抽采瓦斯。为了得晋城矿区采场覆岩运动规律，文光才对采场覆岩力学参数及岩层移动场试验检测。得出覆岩位移随工作面推进在走向和倾向方向的位移分10 和 2-11[73]。

实验模型

h on Sliding Deformation of Compostaining Soft Interlayer by Experime表面分布广泛，储量极多，其中泥岩和页岩将近占地。软岩自身性质的研究已经有很多学者进行了探究，而（硬-软-硬）结构的实验模型，使软岩作为一种夹层结研究组合实验模型的破坏过程及力学分析。（Experimental Model）何参数设计能够人为控制人工复合岩体各夹层特征量，来代替天煤和岩石物理力学性质测定方法》中第七部分《单轴算方法》[76]，设计模型尺寸为 50mm×50mm×100mm组成，其中泥岩的倾角为 15°，厚度为 30mm。模型如模型，改变其软岩的几何参数和力学参数，进行对比

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