深部软弱煤层井段应力分析
2018-05-14李驰李涛涛
李驰 李涛涛
摘 要：煤层气作为一种被广泛采用的高效清洁能源，通常使用水平定向钻井技术在煤层中钻进并延深，使抽采率提高。由于开采煤层深度不断增大，深部软弱煤层中塌孔失稳时有发生，对开采效率和经济效益影响严重。本文通过Abaqus有限元软件建立井眼的几何模型并分析煤层不同埋深，钻孔不同深度等因素对钻孔的影响，得出了如下结论：（1）随着煤层埋深逐渐增大，地应力增大大。（2）随着钻机打钻深度逐渐加深，应力集中系数缓慢减小，最大应力明显增大。（3）井眼中间段应力最大，为增强钻井稳定性，建议加固井段中间处。
关键词：钻井；应力；有限元；埋深
文献标识码：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
我国对煤层气资源的相关勘探研究从20世纪80年代逐步发展，虽然储量丰富但进展较慢。一方面，为有效降低煤矿开采时瓦斯的涌出量，对煤层气进行探查、抽采很有必要。另一方面也能作为清洁高效能源使用，经济环保。[1]据统计，我国大型煤矿最大开采深度接近1500m，超过1000m开采深度的煤矿有30多处，并且全国大型煤矿的平均开采深度以18～12m每年的速度加深。由于开采煤层气过程中扰动了原岩应力的平衡状态，在拉伸模量小[2]、微裂缝发育、构造复杂的煤层中容易导致钻孔失稳发生，诱发卡钻、憋泵和掩埋钻头等事故。[3]
目前对煤层中水平井的失稳研究并不多，大多数水平井稳定性研究成果是以页岩气条件为基础得出的。与泥页岩地层相比，煤层的力学强度低、脆性、应力敏感等不同属性使得对煤层中钻孔垮塌机理展开研究很有必要。
本文通过理论分析和数值模拟分析在不同埋深下钻孔周边应力分布情况。并分析在相同应力下，钻井的不同方位的应力分布，应力的分布情况和井壁稳定性分析。根据以上分析结果，对钻孔过程中有可能出现的井眼破坏位置进行加固，可以让作业者提前采取行动，减少经济损失。
1 井眼几何模型
1.1 深部煤矿概况
本文主要以新汶矿区为例进行分析，以成庄矿2102巷地应力数据作为对比。新汶矿区是我国煤矿开采深度最大的矿区之一，平均开采深度已超过1000m。其应力如下表所示。
如图1所示，以新汶矿区地应力数据为依据，构建三维模型。模型尺寸10m×10m×8m，钻孔直径10cm。本次数值模拟把煤看作各向同性材料，煤质密度为1460kg/m3，杨氏模量为3.4Gpa，泊松比为0.2，垂直应力30.5Mpa，最大水平主应力42.19Mpa。
1.2 應力云图分析
如图2所示，在1120m埋深地应力作用下，钻孔周围应力最大为120Mpa，应力集中于钻孔的上下两侧。受地应力影响，圆形钻孔发生形变，形成长轴平行于y方向的椭圆形。
3 结论
本文通过分析深部井段应力特征，从不同深度、不同剖面特征得出结论如下：
（1）随着煤层埋深逐渐增大，地应力增大，对地质结构产生的作用下，形变增大。
（2）随着钻机打钻深度逐渐加深，应力集中系数缓慢减小，最大应力明显增大。
（3）井眼中间段应力最大，为增强钻井稳定性，建议加固井段中间处。
参考文献：
[1]刘徐三.煤层瓦斯抽采水平定向钻孔钻进工艺及稳定孔壁冲洗液技术研究[D].成都理工大学，2013.
[2]申卫兵，张保平.不同煤阶煤岩力学参数测试[J].岩石力学与工程学报，2000：860-862.
[3]刘大伟，王益山，虞海法.煤层多分支水平井安全钻井技术[J].煤炭学报，2011，12：2109-2114.
作者简介：李驰（1991-），男，山西晋城人，山西金鼎高宝钻探有限责任公司员工。
