深部軟弱煤層井段應力分析

李馳 李濤濤

摘 要：煤層氣作為一種被廣泛采用的高效清潔能源，通常使用水平定向鉆井技術在煤層中鉆進并延深，使抽采率提高。由于開采煤層深度不斷增大，深部軟弱煤層中塌孔失穩時有發生，對開采效率和經濟效益影響嚴重。本文通過Abaqus有限元軟件建立井眼的幾何模型并分析煤層不同埋深，鉆孔不同深度等因素對鉆孔的影響，得出了如下結論：（1）隨著煤層埋深逐漸增大，地應力增大大。（2）隨著鉆機打鉆深度逐漸加深，應力集中系數緩慢減小，最大應力明顯增大。（3）井眼中間段應力最大，為增強鉆井穩定性，建議加固井段中間處。

關鍵詞：鉆井；應力；有限元；埋深

文獻標識碼：A

Abstract：As a widely adopted green energy with high calorific，CBM increase pumping and extracting rate by horizontal directionally drilled technology.Because of the depth of coal mining is increasing，hole collapse problem have a serious impact on mining and economic efficiency.In this paper，Abaqus finite element software is used to establish the geometric model of borehole and analyze the influence of different buried depth of coal seam and different depth of borehole on borehole.The following conclusions are drawn：（1）With the increase of coal seam burial depth，the ground stress increases.（2）As drilling depth deepens，the stress concentration factor decreases and the maximum stress increases.（3）The stress in the middle section of the borehole is the largest.In order to enhance drilling stability，it is recommended to reinforce the middle part of the well.

Key words：Well drilling；stress；finite element；buried depth

我國對煤層氣資源的相關勘探研究從20世紀80年代逐步發展，雖然儲量豐富但進展較慢。一方面，為有效降低煤礦開采時瓦斯的涌出量，對煤層氣進行探查、抽采很有必要。另一方面也能作為清潔高效能源使用，經濟環保。[1]據統計，我國大型煤礦最大開采深度接近1500m，超過1000m開采深度的煤礦有30多處，并且全國大型煤礦的平均開采深度以18～12m每年的速度加深。由于開采煤層氣過程中擾動了原巖應力的平衡狀態，在拉伸模量小[2]、微裂縫發育、構造復雜的煤層中容易導致鉆孔失穩發生，誘發卡鉆、憋泵和掩埋鉆頭等事故。[3]

目前對煤層中水平井的失穩研究并不多，大多數水平井穩定性研究成果是以頁巖氣條件為基礎得出的。與泥頁巖地層相比，煤層的力學強度低、脆性、應力敏感等不同屬性使得對煤層中鉆孔垮塌機理展開研究很有必要。

本文通過理論分析和數值模擬分析在不同埋深下鉆孔周邊應力分布情況。并分析在相同應力下，鉆井的不同方位的應力分布，應力的分布情況和井壁穩定性分析。根據以上分析結果，對鉆孔過程中有可能出現的井眼破壞位置進行加固，可以讓作業者提前采取行動，減少經濟損失。

1 井眼幾何模型

1.1 深部煤礦概況

本文主要以新汶礦區為例進行分析，以成莊礦2102巷地應力數據作為對比。新汶礦區是我國煤礦開采深度最大的礦區之一，平均開采深度已超過1000m。其應力如下表所示。

如圖1所示，以新汶礦區地應力數據為依據，構建三維模型。模型尺寸10m×10m×8m，鉆孔直徑10cm。本次數值模擬把煤看作各向同性材料，煤質密度為1460kg/m3，楊氏模量為3.4Gpa，泊松比為0.2，垂直應力30.5Mpa，最大水平主應力42.19Mpa。

1.2 應力云圖分析

如圖2所示，在1120m埋深地應力作用下，鉆孔周圍應力最大為120Mpa，應力集中于鉆孔的上下兩側。受地應力影響，圓形鉆孔發生形變，形成長軸平行于y方向的橢圓形。

3 結論

本文通過分析深部井段應力特征，從不同深度、不同剖面特征得出結論如下：

（1）隨著煤層埋深逐漸增大，地應力增大，對地質結構產生的作用下，形變增大。

（2）隨著鉆機打鉆深度逐漸加深，應力集中系數緩慢減小，最大應力明顯增大。

（3）井眼中間段應力最大，為增強鉆井穩定性，建議加固井段中間處。

參考文獻：

[1]劉徐三.煤層瓦斯抽采水平定向鉆孔鉆進工藝及穩定孔壁沖洗液技術研究[D].成都理工大學，2013.

[2]申衛兵，張保平.不同煤階煤巖力學參數測試[J].巖石力學與工程學報，2000：860-862.

[3]劉大偉，王益山，虞海法.煤層多分支水平井安全鉆井技術[J].煤炭學報，2011，12：2109-2114.

作者簡介：李馳（1991-），男，山西晉城人，山西金鼎高寶鉆探有限責任公司員工。