煤与油气协调开采物理相似模拟研究

吴 俊 ，马衍坤 ，张 通 ，刘 洋 ，杨 鑫 ，毛钧林 ，朱 敏 ，周国梁 ，谢志争 ，王鸣超

（1.安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001；2.合肥综合性国家科学中心 能源研究院（安徽省能源实验室），安徽 合肥 230031；3.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001）

鄂尔多斯盆地矿产资源种类多，储量大，拥有丰富的石油、天然气、煤炭、煤层气等能源资源，是我国重要的能源基地，但煤矿重叠情况比较普遍，目前包括大牛地、杭锦旗等9 个区块，当中有5 个区块都存在不同程度的重叠，大量的资源存在着较大的安全隐患[1-3]。之所以目前尚未出现煤油同一叠置区内密集开发利用的先例，是由于在煤与油气资源协调开采过程中，往往2 种资源的开采会相互产生扰动，煤炭开采造成采空区附近岩层运移破断进而诱发油气井筒及油气圈闭层稳定性的失衡，而油气井筒的损伤破坏则会导致油气大量泄露至采煤工作面，危及人员作业与生命安全；而石油开采井及相应管网线布设干扰煤层正常回采，造成油气开采与工作面回采发生冲突[4-9]。因此，破解煤与油气协调开采难题势在必行。

从国内外研究现状来看，专家学者针对煤与油气协调开采问题上的研究并不多。袁亮等[10-12]首先提出煤及共伴生资源精准开采的科学构想，为煤与油气资源协调开采的现阶段问题与未来研究方向展开了相应的梳理与规划；梁顺等[13-14]针对宾夕法尼亚州西南部地区长壁开采区内垂直页岩气井的稳定性进行了系统性的研究；刘颖凯[15]以宁夏双马煤矿为例，对废弃石油井内高压毒害油层气在周围煤层扩散渗流规律进行了研究；张健[16]以子长矿区为例，提出根据在当地煤与油气资源各自所占权重进行“保油采煤”或“保煤采油”的开采思路。由于我国煤与油气资源协调开发研究仍处于起步阶段，需结合多手段方法开展深入研究。

相似模拟实验可以较为直观的反应开采扰动岩体的采动力学响应特征和覆岩结构的运移规律，是研究煤油气协调开采采动覆岩协同响应规律的有效方法[17-19]。为此，以陕北部气田与鄂尔多斯盆地内某井田南部煤与油气层叠区为研究对象，依据相似模拟试验方法与理论，采用“先油气后煤炭”的开采工序，分析煤与油气开采过程中覆岩应力演化、岩层运移、井筒稳定性，揭示煤与油气协调开采中相互扰动特征及井筒破坏规律，为煤与油气安全高效开采提供基础理论支撑。

1 物理模型

1.1 相似模拟试验装置和相似材料及相似比

试验采用尺寸：1 500 mm×1 000 mm×200 mm（长×高×宽）的二维相似模拟装置。模拟岩层为煤与油气叠置赋存地层，其中油气层位于煤层下部，实际模拟油气层深度为850 m，厚度60 m，煤层埋深650 m，厚度为10 m，实际模型模拟范围下至煤层底板以下260 m 处，上至煤层顶部以上135 m，未模拟部分地层采用配重块向模型顶板施加均布荷载实现。平面模型架水平两端及垂直下部四周用槽钢进行约束，将相应比例厚度的模拟煤岩层铺设在上方自由端。

试验采用河砂、石膏、石灰作为主要相似材料。以相似理论为基础，依据矿区煤层岩性和大量不同试验配比资料，选定的模型材料最佳合理配比见表1。

表1 相似材料用量配比Table 1 Similar material dosage ratio

各分层材料用量按下式计算：

式中：M为模型分层中总质量；ρ为模拟分层中的密度；l为模拟分层的长度；b为模拟分层的宽度；h为模拟分层的高度。

试验以相似三定理为基本依据，本着几何相似、动力相似、运动相似的准则，根据模拟煤矿的岩层岩性及工作面条件，确定实际与模型的相似比常数，具体为：几何相似比为500；密度相似比为1.67；时间相似比为25；应力相似比为833.33。

由于相似模拟岩层受试验台实际尺寸的限制，采用配重块模拟覆岩自重，重力补偿载荷为Gm=p×b×l×h×g=1 500×0.2×1.5×0.81×9.8=3 572.1 N。

1.2 应力位移监测点布置和试验步骤

应力及位移监测装置布置示意图如图1。

图1 应力及位移监测装置布置示意图Fig.1 Layout diagrams of stress monitoring device and displacement monitoring device

相似模型模拟范围下至煤层底板以下275 m处，上至煤层顶板以上135 m，共计34 层，整体厚度为420 m。为监测煤与油气资源协调开采时，煤与油气资源覆岩应力位移分布变化规律，试验模型中共布设16 个应力监测点，应力监测点编号依次为M1 系列至M3 系列。模型中共布设312 个位移监测点，测线从上至下编号A～L, 从左至右编号1～26；由于一般油气井直径10～35 cm，其尺寸相比于实际地形尺寸可以忽略，因此在进行相似模拟试验过程中，可将其视为1 条垂直线，共设置3 条红色井筒测线，其间距依据实际井筒布置情况。

试验方案分为模型构建、准备阶段和资源模拟开挖3 个阶段。

1）模型构建阶段。①按照表1 中材料配比及用量，进行称重，放入适量水并搅拌均匀；②将配比好的材料放入模型槽中，并在装填抹平过程中放置监测装置，即做好1 层地层，之后在其上面撒上云母以便分层，依次将材料放置槽中至规定高度。

2）准备阶段。模型制备好7～10 d 后，拆掉部分挡板，继续干燥7 d。在模型表面各观测点采用大头针穿25 cm²正方形纸片，以便通过照相机观测与记录岩层破断位移情况。

3）模拟开挖阶段。模型达到开挖条件后，先对油气层上方进行开挖，采用类似煤层开挖的方式来模拟油气采收过快导致的地层压缩，考虑到实际的可操作性，最终确定开挖高度为1 cm，模拟油气储层实际压缩5 m 的情景。（之所以采用类似2 层煤层开挖的方式来模拟煤与油气开采，简化油气模拟层，是因为本研究的目标旨在煤与油气资源开采后覆岩结构特征的演化，即煤炭开采后产生的卸荷效应，造成油气层上方盖层封闭失效及覆岩内井筒失稳）。模型稳定后，开始模拟煤层开采，为防止边界效应，预留边界煤柱，根据工作面实际推进速度，对煤层进行分步开挖，并监测相应数据。

2 覆岩运移及应力演化规律

2.1 覆岩运移演化规律

煤与油气相似模拟采用“先油气后煤炭”的开采方式，煤与油气覆岩位移场演化规律如图2。

图2 煤与油气覆岩位移场演化规律Fig.2 Evolution law of displacement field of coal and oil-gas overburden

在油气层采收完毕后，油气层邻近覆岩未出现明显的垮塌断裂，岩层运移现象不明显。随后进行煤层开采，就煤层上覆岩层运移来说，在煤层推进方向的下沉量变化幅度较小，即煤层的破碎程度在推进方向较为完整，在煤层顶板垮落方向上，随着“两带”高度不断发育，其煤覆岩层最终平均下沉量为1.8 cm 左右。就油气层邻近覆岩运移来说，随着煤层开采范围的扩大，工作面下方层间岩层共受到了2 次扰动，当工作面推进距离至100 m 时，位于油气层上方的基本顶发生第1 次错断下沉，其平均下沉量为0.65 cm，当工作面推进距离至175 m 时，位于油气层上方的基本顶发生第2 次错断下沉，随工作面不断向前进行推进，第2 次错断下沉处逐渐将第1 次错断下沉处压实，当工作面开采进行充分采动阶段时，层间岩层位移下沉趋于稳定，二次破断基本顶平均位移下沉量为0.6 cm。在煤层开采初期，岩层运移在油气层邻近岩层与煤覆岩层都有发生，随着煤层开采范围的扩大，岩层运移程度逐渐向煤层顶部附近岩层转移，说明煤层采动作用在叠置资源协调开采过程中对整体岩层稳定性影响程度较大。因此应着重关注煤层开采对煤与油气协调开采中的影响。

2.2 覆岩应力演化规律

采用“先油气后煤炭”的开采顺序，在油气层采收完毕后，未出现明显的扰动，但随着采煤工作面的推进，煤与油气资源覆岩的平衡状态发生变化，采动覆岩的应力变化曲线如图3。

图3 煤与油气资源采动覆岩及底板的应力变化曲线Fig.3 Stress curves of overburden and floor induced by coal and oil and gas resources

由图3 可得：油气层采收完毕后，煤层底板应力测点M2-2 存在应力集中的现象，应力集中系数为1.09，且油气层开采边界上方皆有应力上升的趋势；当煤层开采工作面推进距离至75 m 时，出现煤层底板应力向下传递的现象，油气层开采边界上方应力进一步上升；当煤层开采工作面推进至100 m 时，油气层上方应力集中处达到承载上限，造成层间岩层破断滑动，此时应力集中系数为1.19；当煤层开采工作面推进至175 m 时，此时油气层上方发生第2 次关键层破断，原先初次破断应力集中处沿水平向两侧转移且原先应力集中处向内部偏移，此时煤层底板产生一定的卸压；当煤层开采工作面推进至325 m，进入充分采动阶段，随着工作面不断向前推进，油气层上方形成稳定结构且油气层开采边界上方应力不断上升，煤层底板相继经历应力集中-卸压的过程，处于煤覆岩层中的应力监测点整体变化并不明显；在煤层采动初期，煤层上方邻近岩层采动应力响应较低直至充分采动阶段，应力监测点M1-2 处与应力监测点M1-4 监测值逐渐上升。

3 井筒稳定性分析

随着煤与油气资源不断采出，覆岩内发生应力集中转移与岩层运移破断，岩层间相互运动错断是造成井筒损伤破坏的根本原因。其中井筒损伤变形主要形式为井筒水平剪切变形破坏、井筒拉伸变形破坏、井筒压缩变形破坏及井筒剪切变形、拉伸变形与压缩变形综合变形[20]。

本次相似模拟采用红色测线代替井筒的方法，井筒破断主要由岩层移动变形所导致，具体体现为：井筒破断处岩层间相对竖向位移量较大或相对剪切位移量较大；而岩层组合形式对岩层移动变形占重要作用，本次相似模拟选取典型岩层代表，层间岩层处岩层组合形式为“硬-软-硬”，而煤覆岩层处岩层组合形式为“软-硬-软”，具体见表1（5-20 层）。

3.1 层间相对竖向位移量及岩层破坏组合

各井筒测线内相邻岩层相对竖向位移量如图4。

图4 各井筒测线内相邻岩层相对竖向位移量Fig.4 Relative vertical displacement of adjacent rock strata in each wellbore measurement line

将各岩层组合的相对竖向位移量进行对比可以得出：6+7 与14+15 号岩层组合形成的相对竖向位移量远远大于其他岩层组合形式，二者岩层组合形式为下软上硬型，两者相对竖向位移累积量的不同主要由于前者位于油气层上方且岩层厚度较厚，后者位于采空区上方且岩层较薄；序号为15+16、18+19 与5+6 的岩层相对竖向位移量较小，其三者岩层组合形式为下硬上软型，三者相对竖向位移累积量的不同主要由于岩层厚度不同以及所处位置的不同；其他序号9+10、10+11、19+20的岩层组合形式为下软上硬、下硬上硬及下软上软形式，其相对竖向位移较小的原因是岩层所在位置未破断以及岩层组合形式未发生明显位移。

将井与井之间层间相对竖向位移累积量进行对比可以得出，位于工作面中心线附近的井筒最易受岩层相对竖向移动造成破断。所以，从竖向位移方向上与岩层破坏组合形式的角度上，在煤与油气协调开采过程中，工作面中心处附近的井筒破坏程度最大且最易破坏的岩层组合形式为下软上硬型岩层。

3.2 层间相对剪切变形量及岩层破坏组合

各井筒测线内相邻岩层相对剪切变形量如图5。

图5 各井筒测线内相邻岩层相对剪切变形量Fig.5 Relative shear deformation of adjacent strata in each wellbore measurement line

与上节相对竖向位移量进行比较，大部分岩层组合相对剪切变形量有明显的提高；其中以6+7、14+15 号的下软上硬型岩层组合仍在层间相对剪切变形量中较为突出；15+16、18+19 与5+6 号的下硬上软型岩层层间相对剪切变形量仍比下软上硬型岩层小；其他型号岩层在层间相对剪切变形量均无明显变化；值得注意的是，井2 处6+7 号下软上硬型岩层层间相对剪切变形量较层间相对竖向位移量反而减小，这是由于井2 位于工作面中心处，随着工作面推进开采至结束，井2 经历了扭曲变形拉伸破坏过程，最终呈现为拉伸-破坏形式。

将井与井之间层间相对剪切变形累积量进行对比可以得出，工作面中心线处井筒最易受岩层相对剪切移动造成破断。所以，从剪切变形方向上与岩层破坏组合形式的角度上，井筒受破坏扰动位置与竖向位移方向一致且岩层破坏组合形式为下软上硬型。

3.3 综合比对

各井筒测线竖向位移量与剪切变形量如图6。

图6 各井筒测线竖向位移量与剪切变形量对比图Fig.6 Comparison of vertical displacement and shear deformation of each wellbore measurement line

由图6，除工作面推进距离未经过井3 外，以煤层为基准线将井筒分为上下2 部分，井1 与井2上部的变形量远大于其各自下部的变形量，可以得出位于采空区上方且由软-硬-软岩层组合的煤覆岩层受煤层开采扰动造成井筒破坏的程度远大于位于层间岩层中由硬-软-硬组合而成的岩层，且井筒处于下软上硬的岩层组合形式时最易受到破坏的主要形式为剪切变形破坏；在工作面开采至停止后，位于工作面中心处的井2 受损伤破坏程度最大，其下方损伤破断模式为拉伸-剪切破坏。试验结果与梁顺等[13-14]基于数值模拟软件得到的易发生井筒损伤破断的岩层组合以及易发生井筒损伤破断位置基本一致，说明了试验结果具有一定的可靠性。

4 结 语

1）采用“先油气后煤炭”的开采工序，在油气层采收完毕后，整体结构未受到明显扰动；在煤层开采初期，岩层运移在油气层邻近岩层与煤覆岩层都有发生，其初次扰动范围为100 m，二次扰动范围为75 m；随着煤层开采范围的扩大，岩层运移程度逐渐向煤层顶部附近岩层转移，说明煤层采动作用在叠置资源协调开采过程中对整体岩层稳定性影响程度较大，应着重关注煤层开采对煤与油气协调开采中的影响。

2）采用“先油气后煤炭”的开采工序，待油气层采收完毕后，其油气层采收边界上方存在应力上升趋势且煤层底板存在应力集中现象。在此应力条件下进行煤层开采，采动初期，油气层采收边界上方应力不断上升，煤层底板存在应力传递现象，煤层顶板无明显应力变化，进入充分采动阶段，油气层采收边界上方应力集中沿水平向右侧偏移，煤层底板相继经历应力集中-卸压的过程，采空区后侧出现应力上升。

3）在煤与油气协调开采过程中，位于采空区上方的覆岩(软-硬-软)内井筒受煤层开采扰动变形程度远大于位于煤与油气资源之间的层间岩层（硬-软-硬）井筒。井筒破坏模式分为3 类，下方软薄与上方硬薄的剪切破坏，下方软厚与上方硬厚的拉伸-剪切破坏，其他相同岩层组合形式及层厚的剪切破坏，井筒主要破坏模式为剪切变形破坏，位于工作面中心处的井筒下侧则发生拉伸-剪切变形破坏。