為了準(zhǔn)確了解煤巖井壁穩(wěn)定性及坍塌規(guī)律,基于3DEC離散元軟件,完成了對煤層井壁穩(wěn)定的仿真模擬分析,驗(yàn)證了3DEC離散元軟件應(yīng)用于煤巖井壁穩(wěn)定研究的可行性和相對于彈性力學(xué)連續(xù)性介質(zhì)理論的優(yōu)越性�？紤]到簡化計(jì)算和邊界效應(yīng),物理模型采用內(nèi)外雙重建模;為更好地反映煤巖井周割理情況,內(nèi)層模型采用離散型裂隙網(wǎng)絡(luò)（discrete fracture network,DFN）技術(shù)。通過與不考慮割理面的彈性力學(xué)連續(xù)介質(zhì)模型對比,驗(yàn)證了割理發(fā)育對煤巖井壁穩(wěn)定的影響;通過位移云圖來評價(jià)煤巖直井和水平井的井壁穩(wěn)定性和垮塌掉落情況,且三維模型直觀地展示了井壁失穩(wěn)過程;完成了有效液柱壓力、割理和井眼走向?qū)γ簬r井壁穩(wěn)定的影響分析,得出結(jié)論:隨著有效液柱壓力的增大,井壁穩(wěn)定性越來越強(qiáng);割理尺寸、密度和產(chǎn)狀的情況對井壁穩(wěn)定仿真模擬影響巨大,模擬前應(yīng)充分統(tǒng)計(jì)割理分布情況;在所設(shè)條件下,沿最大水平主地應(yīng)力方向的水平井較直井更加穩(wěn)定。 

【文章來源】：科學(xué)技術(shù)與工程. 2020,20(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

物理模型

塔里木油田庫車北部構(gòu)造帶迪北區(qū)塊2012～2016年間共完鉆7口井,每口井均鉆遇煤層。煤層主要分布在侏羅系中統(tǒng)克孜努爾組和下統(tǒng)陽霞組,埋深普遍超過4 000 m。由于煤巖本身特性,煤層段易發(fā)生井徑擴(kuò)大、井眼坍塌、遇阻卡鉆、鉆井液漏失等井下復(fù)雜情況。同時(shí),經(jīng)實(shí)鉆證實(shí),庫車北部構(gòu)造帶侏羅系煤系地層井壁穩(wěn)定性差,且煤系地層油氣水活躍,安全密度窗口窄,事故復(fù)雜頻發(fā),大斜度井條件下安全鉆井問題更加突出。以DB-X01井為例,煤巖與割理力學(xué)參數(shù)如下:煤巖體積模量1.5 GPa,剪切模量0.9 GPa,密度為1 267 kg/m3。割理法向剛度為6.82 GPa,割理剪切剛度15.9 MPa,割理內(nèi)聚力為2.4 MPa,割理內(nèi)摩擦角12°。

在有限次迭代后,觀測點(diǎn)位移趨于穩(wěn)定,模型達(dá)到平衡,如圖2所示。根據(jù)圖3所示位移云圖可知,在井壁處的最大徑向位移3.76 cm,達(dá)到井眼尺寸的18.8%,說明已經(jīng)發(fā)生了井壁失穩(wěn)。受割理面的影響,率先出現(xiàn)塊體掉落的方位并不嚴(yán)格對應(yīng)于最大水平主應(yīng)力方位,而是被割理切割而成的較小塊體先行掉落。但整體上而言,仍是沿著最大水平主應(yīng)力方向位移較大,與巖石力學(xué)經(jīng)典理論相符合。且根據(jù)位移云圖可得出結(jié)論,割理面的出現(xiàn)使得煤巖塊體的位移表現(xiàn)出非連續(xù)性,是由于割理弱面的存在,根據(jù)弱面準(zhǔn)則,割理面先于煤巖本體發(fā)生破壞。在觀測點(diǎn)位移圖中(圖4),(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)兩點(diǎn)的位移大于(0,0.1,1)、(0,-0.1,1)的位移,是由于(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)兩點(diǎn)在最大水平主應(yīng)力方向。然而,(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)兩點(diǎn)雖然處于應(yīng)力對稱位置,但點(diǎn)(0.1,0,0)的位移仍大于點(diǎn)(-0.1,0,0)的位移,這是因?yàn)殡m然兩個(gè)觀測點(diǎn)的應(yīng)力大小相等,但是兩點(diǎn)所在的位置割理發(fā)育情況不同,導(dǎo)致了位移的差異,這也證明了割理在研究煤巖地層井壁穩(wěn)定中的重要性。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]煤中弱面對煤巖抗拉強(qiáng)度影響的力學(xué)試驗(yàn)分析[J]. 艾池,李曉璇,李玉偉,賈丹,張軍.  中國煤炭地質(zhì). 2017(02)
[2]基于3DEC的隧道開挖圍巖變形特性研究[J]. 高永濤,柴金飛,吳順川,金愛兵.  礦業(yè)研究與開發(fā). 2015(08)
[3]吐哈盆地沙爾湖凹陷侏羅系煤層氣勘探新認(rèn)識[J]. 李新寧,梁輝,姚夢多,蒲振山,鄭玉萍,張品,李宏偉,賈雪莉,王德潤.  科學(xué)技術(shù)與工程. 2015(16)
[4]層理性泥頁巖大斜度井井壁穩(wěn)定性研究[J]. 趙凱,鄧金根,蔚寶華,譚強(qiáng),袁俊亮.  科學(xué)技術(shù)與工程. 2013(05)
[5]離散單元法評價(jià)煤層井壁穩(wěn)定性[J]. 尹虎,李黔,郭亮,蔣理波,李強(qiáng).  天然氣工業(yè). 2012(11)
[6]三維離散元在煤層水平井井壁穩(wěn)定中的應(yīng)用[J]. 屈平,申瑞臣,付利,張學(xué)磊,楊恒林.  石油學(xué)報(bào). 2011(01)
[7]節(jié)理巖體數(shù)值計(jì)算方法及其應(yīng)用（一）:方法與討論[J]. 朱煥春,Brummer Richard,Andrieux Patrick.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2004(20)
[8]煤系泥巖組分特征及其對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響[J]. 孟召平,彭蘇萍.  煤田地質(zhì)與勘探. 2004(02)
[9]巖石弱面結(jié)構(gòu)對井壁穩(wěn)定性的影響[J]. 劉向君,葉仲斌,陳一健.  天然氣工業(yè). 2002(02)
[10]煤巖力學(xué)特性測試與煤層氣井水力壓裂力學(xué)機(jī)理研究[J]. 李志剛,付勝利,烏效鳴,李同林.  石油鉆探技術(shù). 2000(03)



本文編號：3498621