地层中软弱夹层区域的运动规律及钻井破坏特征研究 本文关键词：地层，夹层，钻井，软弱，规律
地层中软弱夹层区域的运动规律及钻井破坏特征研究 本文简介：安全工程硕士毕业论文热门推荐6篇之第二篇：地层中软弱夹层区域的运动规律及钻井破坏特征研究摘要 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
地层中软弱夹层区域的运动规律及钻井破坏特征研究 本文内容：
安全工程硕士毕业论文热门推荐6篇之第二篇：地层中软弱夹层区域的运动规律及钻井破坏特征研究
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。
关键词：地面钻井；岩层运动；软岩；钻井破坏
Abstract
Gas is one of the important factors threatening the safety of coal mine production. Surface drilling and extraction is an efficient coal mine gas development model. However, in the process of coal seam mining, the overlying strata move violently, which causes significant shear, extrusion, stretching and other destructive effects on the drilling shaft, and even causes the drilling to break. When there is a weak interlayer in the local bed, drilling damage is more serious and more frequent, and drilling easily
broken failure has become one of the key problems restricting the popularization and application of this technology. In this paper, by using the basic theory and case analysis,
basic experimental research and numerical simulation experiment, the method of combining the mining area in the strata under the conditions of weak intercalated motion rule and characteristics of drilling was studied.
1） By analyzing the caving characteristics of overburden under mining conditions and the actual engineering cases of huainan mining area and jincheng mining area, the following conclusions can be obtained: （1） In the process of rock strata movement, there is a dynamic response relationship between the limit of movement and the limit of inflection point and casing failure. The position of the lower part of bending internal test in casing deformation is determined to be a dangerous area which is easily destroyed. （2） The drilling failure of guqiao mine, xieqiao mine, panyi mine, zhangji mine and jincheng chengzhuang mine in huainan is statistically analyzed. It is concluded that the probability of casing failure in the soft rock layer is up to 82.8%. In addition, the damage of oil drilling in fuyu oilfield and xinli oilfield is analyzed.
2） A targeted study was conducted on the soft rock interlayer area in the stratum,and the movement rule of HSH （hard-soft-hard） special structure specimen under uniaxial load was explored through laboratory experiments. The experimental results showed that: （1） The stress-strain curve of the test specimen is similar to the stressstrain curve of the soft rock, and the trend before the peak is basically similar, which verifies the feasibility and correctness of the simulation experiment.（2） After the uniaxial compression test, all the failures occurred from the weak interlayer in the middle, indicating that the dislocation of adjacent strata of soft rock was caused by the failure of soft rock itself. With the increase of the strength of the soft interlayer, the relative slip of the upper and lower sandstone blocks decreases linearly.
3） Using the numerical simulation analysis software FLAC3D to simulate the actual formation movement and drilling force: （1） When the working face is pushed over 140m, that is, the disturbance effect reaches the position of soft rock, the overall stress characteristics of the drilling casing show that the shear force in the soft rock area increases rapidly. In addition, the maximum shear force in the position of soft rock is compared with and without soft rock. It is found that the maximum shear force on the casing in the soft rock area increases significantly.（2） The relative amount of slip between the rock interface and the soft rock in the soft rock area is analyzed to explore the root cause of drilling failure caused by the rock movement.（3） By means of sensitivity coefficient analysis, it is determined that mechanical parameters should be the first factor to consider the intensity of the movement of soft rock strata.
Keywords: surface drilling; rock movement; soft rock; drilling damage
目 录
1绪论
1.1选题意义（SignificanceofTopic）
中国是世界煤炭资源大国，也是煤炭生产、消费大国。中国富煤贫油的能源特点和经济发展阶段，决定了煤炭将继续充当第一能源的角色。多年来，煤炭占据我国能源消费的主体地位，占比高达70%以上[1],国家"十三五"期间，煤炭在一次能源消费中的比重将逐步降低，但在相当长时期内，煤炭的主体能源地位不会变化[2].《国家能源中长期发展规划纲要（2004-2020年）》中也明确提出"坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略"目标[3].预计在低碳经济的目标下到2020年煤炭可占到一次消费能源的66%左右，到2050年仍占到40%以上[4].煤矿事故是制约煤炭工业稳定健康发展的主要因素，而瓦斯是煤矿事故中最大的"杀手"之一。近年来，我国煤炭生产安全形势逐渐好转，但是瓦斯事故却断发生，且往往造成人员的伤亡，造成恶劣的后果。据统计，新中国成立以来全国煤矿共发生一次死亡百人以上的恶性事故23起，死亡人数达3674人，其中瓦斯事故21起，死亡人数3440人，分别占煤矿事故的91.3%和93.6%[5].2018年以来，国有煤矿发生5起较大事故，占较大事故总起数的62.5%.特别是4月4日，黑龙江省龙煤集团鸡西矿业有限责任公司滴道盛和煤矿立井发生煤与瓦斯突出事故，造成5人死亡、5人受伤[6];5月14日，河南能源集团焦煤公司中马村矿39061切眼掘进工作面发生煤与瓦斯突出事故，造成4人死亡[7].
因此，为了有效解决瓦斯事故，必须加大瓦斯的抽采力度，降低瓦斯压力与瓦斯浓度。地面钻井是一种高效的瓦斯抽采方式[8],保证井身稳定持续工作是地面钻井高效抽采的关键。在煤矿生产过程中，煤层开采造成的扰动影响会破坏地下岩层应力的平衡状态，造成其重新分布，从而引起岩层移动[9].钻井井身的稳定是矿井高效抽采瓦斯的关键。采动影响造成的岩层运动是造成钻井井身破坏的主要原因之一。在煤层开采过程中，上覆岩层中相邻两岩层会产生挤压、离层和错动现象[10],钻井井身相应地会受到挤压、拉伸和剪切作用而发生挤压、拉伸和剪切破坏，如图1-1.上覆岩层运动越剧烈，井身结构受到的破坏作用越大，导致钻井破坏甚至失效。大量工程实践表明，当开采工作面上覆岩层中含有软弱夹层时，开采活动造成的扰动影响会更大。
软弱夹层，是指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带[11].其中涉及到两个概念，即软岩和夹层。软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，其抗压强度σc一般小于25MPa[12-13].软岩可分为地质软岩和工程软岩两大类别[14].地质软岩指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质；工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。地质软岩和工程软岩的关系是：当岩土工程破坏地层原始地应力，地层地应力开始重新向平衡状态转化，地层中的地质软岩开始受到工程载荷的影响。当地质软岩受到的工程载荷小于其强度时，地质软岩的基本受影响，不发生明显的塑性变形行为，此时地质软岩不作为工程软岩看待；当工程载荷大于地质软岩的强度，使地质软岩发生显著的变形破坏，地质软岩才作为工程软岩。
在埋深较大，地应力较高的深部地层，部分相对较硬的地质硬岩，如泥质胶结砂岩等，也呈现出显著的变形力学特征，则也应归类为工程软岩。工程软岩与地质软岩的判别与工程建设中的结构设计、施工工艺及方法息息相关，有重大意义。软岩的分类是当前国际土力学与基础工程界、岩石力学与工程地质界所关注的问题。许多研究者认为软岩是介于松散介质和坚硬岩石之间的岩类，比如SANTI,P.M通过对岩石抗压强度、粘土含量、水分含量、渗透性、耐久性等方面对工程中工程中的软弱岩石进行了定义[15].软岩可以来源于松散介质经沉积作用、成岩作用向坚硬岩石过渡的岩类，也可以来源于坚硬岩石经构造作用或风化作用向松散介质转化的岩类。
从20世纪60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休软岩定义多达几十种之多总括起来大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义三类。其中具有代表性和权威性的是国际岩石力学学会对软岩的定义以及1994年颁布的《工程岩体分级标准》，它提出了岩体基本质量由岩石间应力程度和岩体完整程度两个因素来确定并用定性划分与定量指标两种方法加以具体化[16].但这种分类方法的依据基本上是强度指标，在工程实践当中或多或少存在着局限性，若用于工程实践中会出现一些矛盾。90年代末期，由中国原煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程技术研究推广中心组织专家专题讨论指出了国际岩石力学学会关于软岩定义的缺陷，提出了新的软岩定义和分类，并提出了地质软岩和工程软岩的概念，指出了二者的区别和联系，并建议在软岩工程中应用工程软岩的涵义[17].此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系，通过不断的工程实践也证明了该定义对软岩界定的科学性、可靠性及实用性。
何满潮通过工程地质勘察、实验室试验及数值分析等方法提出了确定软岩工程岩体力学参数的新方法[18].目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，同时应强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。软岩有两个基本力学属性：软化临界荷载和软化临界深度，它揭示了软岩的相对性实质[19].夹层，指处于两层之间的岩层，通常空间较小。
《岩土工程勘察规范GB500212001》中对同一土层相间成韵律的沉积，当薄层与厚层的厚度比大于1/3时，定义为互层，厚度比在1/10-1/3,定义为夹层，厚度比小于1/10时称为夹薄层[20]按照类似的分法，有研究者将层状岩体继续细分为软岩层状岩体、硬岩层状岩体、软硬互层岩体、软岩夹层岩体和硬岩夹层岩体。认为层状岩体力学性能的薄弱环节，主要是软弱成分、不稳定成分及软弱结构，进而给出软弱夹层的解释：岩体内存在的层状或带状的软弱薄层，通常是指夹于相对坚硬岩层中的力学强度较低的岩石薄层，是层状岩体中一种特殊的成层结构，包含岩体结构中的软弱结构面、裂隙破碎带[21].
作为层状岩体的一种特殊形式，软弱夹层频繁出现在各大矿井岩体工程中[22].大量研究和工程实践表明，在矿井煤层开采过程中，软弱夹层对岩体的整体运动具有重要影响，甚至在某些条件下起决定性作用[23].因此，在地下工程设计和施工时，必须要考虑软弱夹层的影响，对其不同工况下的力学特性、破坏机理以及夹层特性与岩体整体稳定性间关系展开全面研究。如果对软岩加剧岩层运动的认识不够，就会造成开采方法及开采工艺使用不当，保护及应对措施不力，抽从而造成采钻井破坏，导致瓦斯抽采流量减小或者停抽，给矿井生产带来困难增加成本，延误工期，并且为运营安全埋下隐患。因此，对于软弱夹层加剧开采工作面覆岩运动机理的研究尤为重要，研究成果对钻井空间分布，钻井井身结构防护及优化具有重要指导意义。
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1.2 国内外研究现状
1.3 问题的提出与研究内容
2 覆岩移动变形规律与钻井破坏关键区域分析
2.1 上覆岩层采动变形与地面钻井失稳破坏规律
2.2 钻井主要破坏形式
2.3 国内钻井破坏情况及分析
2.4 本章小结
3 含软弱夹层复合岩体的滑移变形实验研究
3.1 实验模型
3.2 实验方法
3.3 结果分析
3.4 本章小结
4 软弱岩层对钻井受力的影响特性研究
4.1 软件介绍
4.2 基础数值模型及其参数
4.3 软岩变化参数模型
4.4 模拟结果分析
4.5 本章小结
5 结论与展望
5.1 总结（Conclusion
煤矿采动作用下地面钻井易发生破坏已经在很多实际工程案例中得到印证。钻井破坏的影响因素繁多，软弱夹层的存在对其也有影响。本文针对这一影响因素展开了一系列系统的研究工作，得到的主要结论有：
（1）分析了工作面在推进过程中直接顶与老顶的垮落运动及他们的相互影响关系，研究了老顶在垮落界限时极限弯曲段的应力分布特征，将老顶在垮落界限时极限弯曲段分为应力缓冲区，应力集中区（应力拉伸区与应力挤压区）及应力松散区，并以此为基础探明"T"型断裂的形成机理是由于岩层断裂点位于支撑点的前方位；分析了工作面推进过程岩层的运动变化以及钻井井身由上至下的破坏规律，提出了钻井上部与下部剪切破坏的不同的致因理论，即钻井上部是由于岩层移动界限的影响，下部是由于直接顶与老顶垮落的影响；
（2）分别分析了淮南矿区顾桥矿、谢桥矿、张集矿、丁集矿钻井的破坏情况，分析了钻井破坏处的破坏类型、埋深深度、破断层位、围岩岩性及位置，发 现淮南矿区的发生破断的高危位置在软岩与硬岩的交界面处；另外分析了山西晋城矿区成庄矿钻井随工作面的推进而发生的岩层移动量，基于此发现高危破坏处共有 5 处，并从岩性和埋深两个方面对这 5 处破坏位置进行了深入分析，发现 5处中有 3 处位于泥岩层面处，1 处位于泥岩内部，另外一处破坏处于埋深最大处；通过对所有工程案例中破坏的统计及分析，发现发生于软岩区域的钻井破坏比例高达 82.8%,并且还发现油田质地的情况亦如此；
（3）沥青-砂岩试件峰前变化曲线符合米勒提出的弹塑性体应力-应变曲线或弹粘性体应力-应变曲线，验证了沥青砂岩相似模拟试件的正确性，而峰后不同的原因是模拟试件的破坏是一种塑性破坏，而不是脆性破坏；软弱夹层不同强 度及不同尺寸对试件中上下砂岩相对滑移的影响干系为：随着试件软弱夹层软硬程度的增大，上下砂岩岩块的相对滑移量成线性减小，最大为 4.6mm,最小为0.8mm,其拟合方程为：y = -0.9963x+5.9529;而随着试件软弱夹层厚度的增大，整体呈现滑移量以 3J#为节点呈现处类"S"型增长，以 3J#视为一个节点，拟合方程为 y=0.6363x2-1.6194x+2.4359 与 y=-0.4442x2+2.2247x+1.5243
（4）分析了夹层不同强度和不同厚度试件的应力-应变图，得到：在几何试件中，除了 2J#试件由于砂岩破裂，其余的试件应力-应变曲线变化趋势相似，整体上在相同应变情况下，随着厚度减小，其所能承受的应力增大，且 2J#与 2.5J#试件整体上一直是增长趋势，3.0J#、3.5J#和 4.0J#则是先急速上升后缓慢降低减小的程度较小，后又缓慢增大；力学试件在应变为 0-0.05 区间内，不同力学特性的试件的应变曲线大同小异，整体上各个曲线在拐点处之前基本重合，拐点之后开始出现分叉，相同应变下，所承受应力大小为：4L#<6L#<8L#<10L#<12L#,另外，2#J 试件中软弱夹层厚度过小，可能会造成砂岩的破坏，成因是当沥青模拟材料压缩达到破坏极限后，承载力开始增大，超过砂岩的极限载荷；
（5）通过数值模拟软件 FLAC3D 研究了工作面推过钻井 140m 时整个套管上的 mises 应力，发现套管在软弱夹层（泥岩）区域内，mises 应力急剧增大，且达到了最大值 1000MPa 左右；针对软弱夹层区域内套管的受力情况，有泥岩模型中最大剪切力最高达到了 600MPa,是无泥岩模型的 6 倍；分析了泥岩与相邻岩层的滑移量的情况，结果与相似模拟实验吻合，即：岩层的滑移是一个随着埋深逐步递增的过程，而非突变；根据工作面的推进过程对套管的破坏的影响，将工作面推过 140m 至结束这段区域定义为"套管破坏危险区";
（6）利用敏感系数分析法对岩层运动强烈程度的关键因素进行了甄别，结果显示，几何因素敏感程度为 0.419,强度因素敏感程度为 0.798,所以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。
5.2 创新点（Creative Points）
本文的主要创新点为：
（1）本文通过相似模拟实验，探明了地层中软弱夹层上下相邻岩层相对错动较大的机理；（2）通过运用 FLAC3D 进行数值模拟，研究了软岩存在与否、工作面与钻井相对位置及钻井分布等因素对钻井套管破坏的影响规律。
5.3 不足与展望（Shortcomings and Prospects）
本文对煤矿采动影响条件下，上覆岩层中软弱夹层对岩层运动强烈程度及钻井受力进行了较多的研究，但是迫于问题的复杂性与时间的紧迫性，一些问题还需今后进一步的研究与优化：（1）砂岩-沥青相似模拟试件并不能完成真正代替真实的岩层特征形态，对比实验中为了改变软弱夹层参数而使用的沥青-中砂材料也不能完全代表现实中的软弱岩层；（2）对于软弱夹层可加强岩层运动的机理还可通过微观实验进行更加深入的研究，如采用电镜扫描实验，对比观察其内部结构破坏特征，从微观的角度阐释软弱夹层对岩层运动强烈程度的机理。
参考文献
地层中软弱夹层区域的运动规律及钻井破坏特征研究 来源：网络整理
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