新型抗彎、抗剪地面鉆井井身結構研究與應用＊

劉應科 周福寶 劉 春 胡勝勇 王圣程

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116）

新型抗彎、抗剪地面鉆井井身結構研究與應用＊

劉應科 周福寶 劉 春 胡勝勇 王圣程

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116）

將理論分析和數值模擬相結合，分析了影響地面鉆井井身結構穩定性的因素，設計了新型抗彎、抗剪井身結構，并在神華寧夏煤業集團烏蘭煤礦進行了工程應用。結果表明，所設計的新型抗彎、抗剪井身結構大幅度延長地面鉆井的有效抽采時間，單井最短抽采期為71d，最長抽采期達到760d，其中抽采期大于100d的鉆井占鉆井總數的81.8%，可以滿足卸壓瓦斯長期抽采的要求。

地面鉆井 井身結構 瓦斯抽采管 篩管

利用地面鉆井可抽出大流量、高濃度的瓦斯，截至目前已在我國開灤、鐵法、陽泉、晉城和淮南等礦區得到試驗應用。然而，在采動條件下地面鉆井的井身穩定性較差，易被剪切破壞，縮短了鉆井的抽采期。梁運培、胡千庭等以淮南礦區地面鉆井的瓦斯抽采試驗為基礎，對鉆井的穩定性進行了考察，認為地面鉆井采用三段成孔工藝的穩定性較高；李國君、劉長久等基于采動條件下低透氣性煤層頂板的運移規律，提出了具有三開井身結構的地面鉆井井身結構。但是，在煤層群條件下多次開采保護層時，地面鉆井井身要經歷多次開采沉降破壞，對其穩定性提出了更高的要求。因此，研究新型抗彎、抗剪的鉆井井身結構，以最大限度的延長鉆井的抽采期，具有顯著的經濟和社會效益。

1 地面鉆井井身穩定性分析

1.1 瓦斯抽采管的布置形式

地面鉆井井身一般為三開結構，在其施工過程中，利用套管和水泥砂漿對一開和二開段進行固井，三開段往往不固井。為提高瓦斯抽采效果，常在地面鉆井下段布置瓦斯抽采管，特別是對沒有固井的三開部分，瓦斯抽采管在一定程度上也起到套管的作用，增大了鉆井的井身穩定性。在地面鉆井瓦斯抽采過程中，若瓦斯抽采管發生破壞，將會嚴重影響瓦斯抽采的效果。

由于煤層開采后深部巖層首先發生垮落和水平移動，故假設瓦斯抽采管的上部為固定端，其下部隨巖層垮落運移而彎曲、擺動。為分析瓦斯抽采管布置形式對鉆井井身穩定性的影響，建立了瓦斯抽采管彎曲變形的數學模型，見圖1。

圖1 瓦斯抽采管受力模型圖

沿瓦斯抽采管向下為x軸，巖層水平方向為y軸。在外力F作用下，瓦斯抽采管向一側發生彎曲變形，其撓度v可用式（1）表述：

式中：E——管材的彈性模量，GPa；

I——瓦斯抽采管橫截面的慣性矩，m4；

l——瓦斯抽采管長度，m；

m——瓦斯抽采管未彎曲管段長度，m；

θ——瓦斯抽采管轉角，（°），

通過上述分析可知，當增大瓦斯抽采管的長度時，其最大撓度值變大，彎曲變形能力增強，則在巖層水平變形相同的條件下受力較小，從而降低了瓦斯抽采管被破壞的可能性，增強地面鉆井的整體穩定性。因此為增強地面鉆井井身穩定性，應盡量延長瓦斯抽采管的長度，故采用貫穿于整個地面鉆井井身的布置形式。

1.2 篩管的受力分析

瓦斯抽采管分為實管和篩管兩部分，其中地面鉆井穿過上部被保護層的部分應設置為篩管，以通過篩管管壁上的圓孔或條縫抽采卸壓瓦斯。由于管壁上布置有圓孔或條縫，所以受力時易被破壞。為研究實管和篩管在受力作用下的應力分布，以對比二者之間的破壞狀態，采用數值模擬軟件ANSYS11.0進行了模擬分析。建立的實管及篩管的模型見圖2。

圖2 模型網格圖

所建模型中，實管和篩管長10m，管徑?140mm，壁厚7mm，其中篩管上的圓孔按三角形錯位布置，螺旋線圓周上有10個圓孔，圓孔孔徑為?22mm，管材的力學參數為彈性模量200 GPa，泊松比0.26，抗剪強度40MPa，抗拉強度160MPa。

鋼管處在地面鉆井中，假設其頂端和底端固定，由于圍巖發生水平移動和變形，接觸鋼管后產生剪切力。巖層錯動時，變形最大部分首先與鋼管接觸，此時鋼管外壁與巖層接觸位置產生擠壓作用，鋼管受擠壓的部分沿著某一徑向發生錯動。由上述分析，鋼管約束及加載方式見圖3，約束鋼管的x、z方向的自由度，使其只能沿y方向擺動，鋼管外壁施加徑向應力。

圖3 鋼管約束及加載

若在鋼管外壁施加15MPa的徑向應力，實管和篩管的等效應力云圖見圖4，xy平面切應力云圖見圖5。

從數值模擬計算的結果及圖4和5可知，實管上的最大應力和最大切應力分別為83.3MPa和25.3MPa而篩管上的最大應力和最大切應力分別為118.2MPa和51.8MPa，分別是實管的1.4和2倍。

通過對ANSYS分析的結果對比可知，實管和篩管的最大應力值均未超過許用應力（160MPa），但是篩管的最大切應力（51.8MPa）超過了許用切應力（40MPa），說明在相同的受力條件下，實管不被破壞，而篩管由于圍巖的剪切應力而失效。因此，應采取措施以加強篩管的抗彎、抗剪能力。

2 井身結構設計

基于以上理論分析和數值模擬研究分析，在現有井身結構的基礎上提出抗彎、抗剪地面鉆井井身結構設計原則：鉆井井身結構要分段設計，針對不同煤巖層性質，作相應強化固井措施；瓦斯抽采管與套管、井壁之間留有一定的間距，既留出了瓦斯抽采管發生彎曲變形所需的空間，又使巖層發生水平移動或變形時對地面鉆井的破壞作用得到緩沖；瓦斯抽采管應貫穿整個井身；瓦斯抽采管的篩管段應強化設計。在此基礎上，設計了新型地面鉆井井身結構，并在神華寧夏煤業集團烏蘭煤礦得到應用。

2.1 礦井概況

烏蘭煤礦是神華寧煤集團公司主力礦井之一，位于石炭井礦區烏蘭煤田北部，井田內有可采及局部可采煤層17層，總厚度30.9m，主采煤層為2＃、3＃、7＃和8＃煤層。2＃和8＃煤層均為煤與瓦斯突出煤層，3＃和7＃煤層為非突出煤層，瓦斯含量高。

2.2 地面鉆井抽采瓦斯方案

由于烏蘭煤礦采用常規措施難以從根本上消除瓦斯威脅，因此提出了保護層開采聯合地面鉆井的瓦斯治理技術，整體思路是：首先開采7＃煤層，保護下部8＃煤層，再開采8＃煤層，7＃、8＃煤層開采對2＃、3＃煤層進行二次保護，進行兩次卸壓抽采，消除其突出危險性，被保護層的卸壓瓦斯采用地面鉆井抽采。地面鉆井抽采卸壓瓦斯見圖6。

烏蘭煤礦試驗區域地面鉆井的施工工藝如下：試驗區域選在5757工作面，共施工14口地面鉆井，每個鉆井的瓦斯抽采管均與瓦斯匯總管連接，再接入泵房，統一處理。

圖6 地面鉆井抽采卸壓瓦斯示意圖

2.3 施工工藝

（1）鉆井工程。

一開：用?273mm潛孔錘鉆頭開孔，鉆進至基巖3～5m后，下?244mm套管，然后用水泥封固好套管。

二開：換?219.5mm潛孔錘鉆頭鉆至距地面50m處，下?193.7mm套管，然后用為1.50～1.75比值的水泥漿固井至地面。

三開：換?177mm潛孔錘鉆頭鉆至7＃煤層頂板上方10m的位置完鉆。

（2）完井工程。

三開施工完畢后，下入?139.7mm的瓦斯抽采管，其中穿過上部被保護層即2＃和3＃煤層的管段為篩管，其余管段為實管。

圖7 地面鉆井井身結構圖

抽采瓦斯篩管段用金屬絲進行纏繞處理，金屬絲間距約為1mm，既增強了篩管的抗壓強度和抗剪強度，同時可防止煤屑及砂子等雜物涌入瓦斯抽采管影響瓦斯抽采效果。烏蘭煤礦地面鉆井的井身結構見圖7。

2.4 效果分析

2007年8月，受采動卸壓的作用，地面1＃鉆井、2＃鉆井先后涌出瓦斯，并連管抽采。截止2009年11月30日，礦井保護層開采試驗區域已經抽出純瓦斯1436.96×104m3，其中2＃鉆井已抽采純瓦斯305.57×104m3，抽采期間單井最大瓦斯抽采量達到24826m3／d，抽采半徑達到200m，取得了顯著的效果。

在地面鉆井抽采期間，單井最短抽采期為71d，最長抽采期為760d，其中抽采期大于100d的鉆井占鉆井總數的81.8%，說明地面鉆井穩定性強，可以滿足卸壓瓦斯長期抽采的要求。

3 結論

根據對地面鉆井井身結構穩定性的研究和現場試驗，可得出如下結論：

（1）增大瓦斯抽采管的長度，其最大撓度值變大，彎曲變形能力增強，從而降低了瓦斯抽采管被破壞的可能性。

（2）在相同受力條件下，篩管的最大應力和最大切應力分別是實管的1.4和2倍，易被破壞失效，因此篩管段纏繞間距為1mm的金屬絲以增強篩管的抗彎、抗剪能力。

（3）提出了新型抗彎、抗剪地面鉆井井身結構的設計原則，以提高鉆井的穩定性。

[1] 周德昶.地面鉆井抽放瓦斯技術的發展方向[J].中國煤層氣，2007（1）

[2] 梁運培，胡千庭，郭華等.地面采空區瓦斯抽采鉆孔穩定性分析[J].煤礦安全，2007（3）

[3] 李國君，劉長久.鐵法礦區地面垂直采空區井技術[J].中國煤層氣，2005（4）

[4] 王沖，李巨龍，羅開艷.煤層氣勘探中采用欠平衡鉆井的地層適應性分析[J].中國煤炭，2011（6）

Study and application of new bending and shearing resistant surface borehole structure

Liu Yingke，Zhou Fubao，Liu Chun，Hu Shengyong，Wang Shengcheng
（School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Theoretical analysis and numerical simulation were combined to study the influencing factors on the stability of surface borehole structure，and a new bending and shearing resistant borehole structure was designed and applied to Wulan coal mine of Shenhua Ningxia Coal Industry Group.The results showed that the new borehole structure significantly enlonged the effective gas drainage time of surface boreholes，with the shortest period of 71days and the longest period of 760days for one borehole.The boreholes with drainage period over 100days accounted for 81.8%，meeting the requirements for the long－term gas drainage for the pressure relief.

surface boreholes，borehole structure，pipes for gas drainage，screen pipes

TD712.63

A

國家自然科學基金（固相粒子封堵含瓦斯煤（巖）裂隙的機理及應用基礎：51174199）

劉應科（1984－），河南省平頂山市人，中國礦業大學安全及技術工程專業在讀博士研究生，研究方向為礦井瓦斯災害治理。