發(fā)布時間：2017-08-31 01:46

  本文關鍵詞：長壁開采區(qū)內(nèi)垂直頁巖氣井穩(wěn)定性研究

  更多相關文章： 長壁開采 頁巖氣 氣井穩(wěn)定性 采動影響 弱接觸面

【摘要】：近年來隨著美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,在東部阿巴拉契煤田內(nèi)出現(xiàn)了很多穿長壁開采區(qū)的垂直頁巖氣井。由于井筒直徑較小(15~40 cm),對煤層開采引起的巖層移動變形更為敏感,尤其是在具有高采出率的長壁開采影響下,井筒容易出現(xiàn)大變形甚至失穩(wěn)。針對該問題,論文以美國賓夕法尼亞州西南部地區(qū)匹茲堡煤層與深部馬塞勒斯頁巖氣的協(xié)調開采為工程背景,運用理論分析、理論計算和數(shù)值模擬等研究方法對長壁開采區(qū)內(nèi)垂直頁巖氣井的穩(wěn)定性問題展開較為系統(tǒng)地研究,主要研究工作及成果如下:(1)長壁開采引起的覆巖運動是導致穿過采區(qū)的垂直頁巖氣井發(fā)生各類變形的根本原因。煤層采動影響下,氣井失穩(wěn)模式包括剪切失穩(wěn)、拉伸失穩(wěn)、壓縮(屈曲)失穩(wěn)以及剪切和拉伸或壓縮變形共同作用下的扭曲失穩(wěn),其中剪切失穩(wěn)是垂直頁巖氣井失穩(wěn)的最主要模式。(2)軟硬巖層間的弱接觸面是影響垂直氣井穩(wěn)定的關鍵因素。接觸面上的水平剪切、垂向拉伸和壓縮變形對于接觸面的法向、切向剛度和內(nèi)摩擦角的變化更為敏感。隨接觸面的剛度增加,層間水平剪切和垂向壓縮近似按對數(shù)函數(shù)減小,垂向拉伸離層近似線性減小;隨接觸面內(nèi)摩擦角增大,層間剪切位移按對數(shù)函數(shù)減小,垂向拉伸和壓縮變形近似按線性和對數(shù)函數(shù)增加。井筒上述變形對于巖體的彈性參數(shù)、強度參數(shù)的變化敏感性很弱。(3)通過開展圍巖賦存特征對氣井變形影響的數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)接觸面上的水平剪切、垂向拉伸和壓縮變形均隨煤層采高和覆巖內(nèi)單層巖層厚度增加而按對數(shù)或線性函數(shù)增大。巖層組合為“上硬下軟”形態(tài)時層間接觸面上的剪切位移更大;基巖上部第一層巖層較薄時,其與上方表土層間的接觸面上并不會出現(xiàn)很大的剪切位移;覆巖內(nèi)極薄軟弱夾層對井筒剪切變形無特殊影響。傾斜煤層傾角愈大,井筒愈易發(fā)生剪切扭曲失穩(wěn);傾斜煤層走向長壁工作面宜按照“先深水平、后淺水平”的順序開采,傾斜長壁工作面采用仰斜、俯斜開采皆可。(4)通過開展賓尼法尼亞州西南部地區(qū)長壁開采區(qū)內(nèi)垂直頁巖氣井穩(wěn)定性的地質評價,認為:無論氣井穿過水平地表還是山體布置,井筒變形都是在開采淺埋煤層時較為嚴重,隨埋深增加井筒變形先有一定程度減小,之后再繼續(xù)擴大;地表起伏山體對井筒各類變形具有不同程度的“強化”作用;井筒在煤層附近、地表或山頂附近變形量最大、失穩(wěn)風險最高;橫向上,對30~70 m寬保護煤柱而言,井筒均是偏離煤柱中心7.5~10 m、靠近后回采的工作面布置最佳。(5)通過三維數(shù)值模擬揭示了氣井變形隨工作面推進的動態(tài)演化規(guī)律。隨保護煤柱兩側工作面逐漸接近和遠離井筒,井筒各類變形按照“緩慢-快速-再次緩慢”的動態(tài)過程變化。井筒發(fā)生快速變形(增大或減小)對應的工作面推進范圍因煤層埋深和井筒到兩側工作面的水平距離不同而異。通常,井筒在煤柱兩側工作面尤其是后開采的工作面推過井筒50 m(煤層埋深300 m)或100 m(煤層埋深100 m)以后,累積變形量最大、失穩(wěn)幾率最高。我國海相頁巖氣開發(fā)已進入規(guī)�；_發(fā)初期階段,煤系頁巖氣與上部煤層協(xié)調開采的情況在我國尚未見諸報道,但我國沁水、鄂爾多斯等盆地既是頁巖氣資源的富集區(qū),也賦存豐富的煤炭資源,預計后期上述地區(qū)會出現(xiàn)煤炭與頁巖氣協(xié)調開采的局面,面臨長壁開采區(qū)內(nèi)垂直頁巖氣井的穩(wěn)定性控制問題。此外,本課題研究與我國已具有豐富工程實踐基礎的煤層氣抽采領域卸壓區(qū)地面井的穩(wěn)定性研究具有一定的相似性。論文的研究思路、內(nèi)容以及部分結論可以為煤層氣地面井的穩(wěn)定性研究提供一定參考,研究具有一定的科學意義與工程應用價值。
【關鍵詞】：長壁開采 頁巖氣 氣井穩(wěn)定性 采動影響 弱接觸面
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD325
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• Extended Abstract10-32
• 變量注釋表32-33
• 1 緒論33-48
• 1.1 研究背景與意義33-36
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀36-45
• 1.3 研究內(nèi)容與技術路線45-46
• 1.4 主要創(chuàng)新點46-48
• 2 長壁開采區(qū)內(nèi)垂直氣井失穩(wěn)模式及影響因素分析48-72
• 2.1 氣井失穩(wěn)模式48-52
• 2.2 井壁應力分布及失穩(wěn)判定準則52-57
• 2.3 長壁開采區(qū)內(nèi)垂直氣井穩(wěn)定性影響因素57-70
• 2.4 本章小結70-72
• 3 圍巖賦存特征對頁巖氣井變形影響的模擬研究72-100
• 3.1 氣井變形對圍巖力學性質變化的敏感性分析72-82
• 3.2 圍巖結構對氣井變形影響的模擬研究82-92
• 3.3 地層條件對氣井變形影響的模擬研究92-98
• 3.4 本章小結98-100
• 4 賓夕法尼亞州西南部地區(qū)頁巖氣井穩(wěn)定性地質評價100-134
• 4.1 地質及開采技術條件100-104
• 4.2 二維模型建立104-110
• 4.3 結果分析與討論110-126
• 4.4 與前人研究的對比126-128
• 4.5 基于地形影響的布井位置選擇128-132
• 4.6 本章小結132-134
• 5 長壁開采對垂直頁巖氣井穩(wěn)定性的動態(tài)影響134-163
• 5.1 三維模型建立134-140
• 5.2 數(shù)據(jù)分析及討論140-159
• 5.3 二維、三維數(shù)值模擬的對比研究159-161
• 5.4 本章小結161-163
• 6 基于井筒穩(wěn)定性有效控制的開采設計及相關建議163-181
• 6.1 保護煤柱設計及布井位置優(yōu)化164-171
• 6.2 傾斜煤層工作面布置及開采設計171-177
• 6.3 相關建議及保障性措施177-180
• 6.4 本章小結180-181
• 7 結論與展望181-185
• 7.1 主要結論181-184
• 7.2 展望184-185
• 參考文獻185-200
• 作者簡歷200-203
• 學位論文數(shù)據(jù)集203

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本文編號：762759