劉應(yīng)科 周福寶 劉 春 胡勝勇 王圣程

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

新型抗彎、抗剪地面鉆井井身結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用＊

劉應(yīng)科 周福寶 劉 春 胡勝勇 王圣程

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

將理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了影響地面鉆井井身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，設(shè)計(jì)了新型抗彎、抗剪井身結(jié)構(gòu)，并在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)烏蘭煤礦進(jìn)行了工程應(yīng)用。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的新型抗彎、抗剪井身結(jié)構(gòu)大幅度延長(zhǎng)地面鉆井的有效抽采時(shí)間，單井最短抽采期為71d，最長(zhǎng)抽采期達(dá)到760d，其中抽采期大于100d的鉆井占鉆井總數(shù)的81.8%，可以滿足卸壓瓦斯長(zhǎng)期抽采的要求。

地面鉆井 井身結(jié)構(gòu) 瓦斯抽采管 篩管

利用地面鉆井可抽出大流量、高濃度的瓦斯，截至目前已在我國(guó)開灤、鐵法、陽(yáng)泉、晉城和淮南等礦區(qū)得到試驗(yàn)應(yīng)用。然而，在采動(dòng)條件下地面鉆井的井身穩(wěn)定性較差，易被剪切破壞，縮短了鉆井的抽采期。梁運(yùn)培、胡千庭等以淮南礦區(qū)地面鉆井的瓦斯抽采試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)鉆井的穩(wěn)定性進(jìn)行了考察，認(rèn)為地面鉆井采用三段成孔工藝的穩(wěn)定性較高；李國(guó)君、劉長(zhǎng)久等基于采動(dòng)條件下低透氣性煤層頂板的運(yùn)移規(guī)律，提出了具有三開井身結(jié)構(gòu)的地面鉆井井身結(jié)構(gòu)。但是，在煤層群條件下多次開采保護(hù)層時(shí)，地面鉆井井身要經(jīng)歷多次開采沉降破壞，對(duì)其穩(wěn)定性提出了更高的要求。因此，研究新型抗彎、抗剪的鉆井井身結(jié)構(gòu)，以最大限度的延長(zhǎng)鉆井的抽采期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 地面鉆井井身穩(wěn)定性分析

1.1 瓦斯抽采管的布置形式

地面鉆井井身一般為三開結(jié)構(gòu)，在其施工過程中，利用套管和水泥砂漿對(duì)一開和二開段進(jìn)行固井，三開段往往不固井。為提高瓦斯抽采效果，常在地面鉆井下段布置瓦斯抽采管，特別是對(duì)沒有固井的三開部分，瓦斯抽采管在一定程度上也起到套管的作用，增大了鉆井的井身穩(wěn)定性。在地面鉆井瓦斯抽采過程中，若瓦斯抽采管發(fā)生破壞，將會(huì)嚴(yán)重影響瓦斯抽采的效果。

由于煤層開采后深部巖層首先發(fā)生垮落和水平移動(dòng)，故假設(shè)瓦斯抽采管的上部為固定端，其下部隨巖層垮落運(yùn)移而彎曲、擺動(dòng)。為分析瓦斯抽采管布置形式對(duì)鉆井井身穩(wěn)定性的影響，建立了瓦斯抽采管彎曲變形的數(shù)學(xué)模型，見圖1。

圖1 瓦斯抽采管受力模型圖

沿瓦斯抽采管向下為x軸，巖層水平方向?yàn)閥軸。在外力F作用下，瓦斯抽采管向一側(cè)發(fā)生彎曲變形，其撓度v可用式（1）表述：

式中：E——管材的彈性模量，GPa；

I——瓦斯抽采管橫截面的慣性矩，m4；

l——瓦斯抽采管長(zhǎng)度，m；

m——瓦斯抽采管未彎曲管段長(zhǎng)度，m；

θ——瓦斯抽采管轉(zhuǎn)角，（°），

通過上述分析可知，當(dāng)增大瓦斯抽采管的長(zhǎng)度時(shí)，其最大撓度值變大，彎曲變形能力增強(qiáng)，則在巖層水平變形相同的條件下受力較小，從而降低了瓦斯抽采管被破壞的可能性，增強(qiáng)地面鉆井的整體穩(wěn)定性。因此為增強(qiáng)地面鉆井井身穩(wěn)定性，應(yīng)盡量延長(zhǎng)瓦斯抽采管的長(zhǎng)度，故采用貫穿于整個(gè)地面鉆井井身的布置形式。

1.2 篩管的受力分析

瓦斯抽采管分為實(shí)管和篩管兩部分，其中地面鉆井穿過上部被保護(hù)層的部分應(yīng)設(shè)置為篩管，以通過篩管管壁上的圓孔或條縫抽采卸壓瓦斯。由于管壁上布置有圓孔或條縫，所以受力時(shí)易被破壞。為研究實(shí)管和篩管在受力作用下的應(yīng)力分布，以對(duì)比二者之間的破壞狀態(tài)，采用數(shù)值模擬軟件ANSYS11.0進(jìn)行了模擬分析。建立的實(shí)管及篩管的模型見圖2。

圖2 模型網(wǎng)格圖

所建模型中，實(shí)管和篩管長(zhǎng)10m，管徑?140mm，壁厚7mm，其中篩管上的圓孔按三角形錯(cuò)位布置，螺旋線圓周上有10個(gè)圓孔，圓孔孔徑為?22mm，管材的力學(xué)參數(shù)為彈性模量200 GPa，泊松比0.26，抗剪強(qiáng)度40MPa，抗拉強(qiáng)度160MPa。

鋼管處在地面鉆井中，假設(shè)其頂端和底端固定，由于圍巖發(fā)生水平移動(dòng)和變形，接觸鋼管后產(chǎn)生剪切力。巖層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，變形最大部分首先與鋼管接觸，此時(shí)鋼管外壁與巖層接觸位置產(chǎn)生擠壓作用，鋼管受擠壓的部分沿著某一徑向發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。由上述分析，鋼管約束及加載方式見圖3，約束鋼管的x、z方向的自由度，使其只能沿y方向擺動(dòng)，鋼管外壁施加徑向應(yīng)力。

圖3 鋼管約束及加載

若在鋼管外壁施加15MPa的徑向應(yīng)力，實(shí)管和篩管的等效應(yīng)力云圖見圖4，xy平面切應(yīng)力云圖見圖5。

從數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果及圖4和5可知，實(shí)管上的最大應(yīng)力和最大切應(yīng)力分別為83.3MPa和25.3MPa而篩管上的最大應(yīng)力和最大切應(yīng)力分別為118.2MPa和51.8MPa，分別是實(shí)管的1.4和2倍。

通過對(duì)ANSYS分析的結(jié)果對(duì)比可知，實(shí)管和篩管的最大應(yīng)力值均未超過許用應(yīng)力（160MPa），但是篩管的最大切應(yīng)力（51.8MPa）超過了許用切應(yīng)力（40MPa），說明在相同的受力條件下，實(shí)管不被破壞，而篩管由于圍巖的剪切應(yīng)力而失效。因此，應(yīng)采取措施以加強(qiáng)篩管的抗彎、抗剪能力。

2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上理論分析和數(shù)值模擬研究分析，在現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出抗彎、抗剪地面鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：鉆井井身結(jié)構(gòu)要分段設(shè)計(jì)，針對(duì)不同煤巖層性質(zhì)，作相應(yīng)強(qiáng)化固井措施；瓦斯抽采管與套管、井壁之間留有一定的間距，既留出了瓦斯抽采管發(fā)生彎曲變形所需的空間，又使巖層發(fā)生水平移動(dòng)或變形時(shí)對(duì)地面鉆井的破壞作用得到緩沖；瓦斯抽采管應(yīng)貫穿整個(gè)井身；瓦斯抽采管的篩管段應(yīng)強(qiáng)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型地面鉆井井身結(jié)構(gòu)，并在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)烏蘭煤礦得到應(yīng)用。

2.1 礦井概況

烏蘭煤礦是神華寧煤集團(tuán)公司主力礦井之一，位于石炭井礦區(qū)烏蘭煤田北部，井田內(nèi)有可采及局部可采煤層17層，總厚度30.9m，主采煤層為2＃、3＃、7＃和8＃煤層。2＃和8＃煤層均為煤與瓦斯突出煤層，3＃和7＃煤層為非突出煤層，瓦斯含量高。

2.2 地面鉆井抽采瓦斯方案

由于烏蘭煤礦采用常規(guī)措施難以從根本上消除瓦斯威脅，因此提出了保護(hù)層開采聯(lián)合地面鉆井的瓦斯治理技術(shù)，整體思路是：首先開采7＃煤層，保護(hù)下部8＃煤層，再開采8＃煤層，7＃、8＃煤層開采對(duì)2＃、3＃煤層進(jìn)行二次保護(hù)，進(jìn)行兩次卸壓抽采，消除其突出危險(xiǎn)性，被保護(hù)層的卸壓瓦斯采用地面鉆井抽采。地面鉆井抽采卸壓瓦斯見圖6。

烏蘭煤礦試驗(yàn)區(qū)域地面鉆井的施工工藝如下：試驗(yàn)區(qū)域選在5757工作面，共施工14口地面鉆井，每個(gè)鉆井的瓦斯抽采管均與瓦斯匯總管連接，再接入泵房，統(tǒng)一處理。

圖6 地面鉆井抽采卸壓瓦斯示意圖

2.3 施工工藝

（1）鉆井工程。

一開：用?273mm潛孔錘鉆頭開孔，鉆進(jìn)至基巖3～5m后，下?244mm套管，然后用水泥封固好套管。

二開：換?219.5mm潛孔錘鉆頭鉆至距地面50m處，下?193.7mm套管，然后用為1.50～1.75比值的水泥漿固井至地面。

三開：換?177mm潛孔錘鉆頭鉆至7＃煤層頂板上方10m的位置完鉆。

（2）完井工程。

三開施工完畢后，下入?139.7mm的瓦斯抽采管，其中穿過上部被保護(hù)層即2＃和3＃煤層的管段為篩管，其余管段為實(shí)管。

圖7 地面鉆井井身結(jié)構(gòu)圖

抽采瓦斯篩管段用金屬絲進(jìn)行纏繞處理，金屬絲間距約為1mm，既增強(qiáng)了篩管的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，同時(shí)可防止煤屑及砂子等雜物涌入瓦斯抽采管影響瓦斯抽采效果。烏蘭煤礦地面鉆井的井身結(jié)構(gòu)見圖7。

2.4 效果分析

2007年8月，受采動(dòng)卸壓的作用，地面1＃鉆井、2＃鉆井先后涌出瓦斯，并連管抽采。截止2009年11月30日，礦井保護(hù)層開采試驗(yàn)區(qū)域已經(jīng)抽出純瓦斯1436.96×104m3，其中2＃鉆井已抽采純瓦斯305.57×104m3，抽采期間單井最大瓦斯抽采量達(dá)到24826m3／d，抽采半徑達(dá)到200m，取得了顯著的效果。

在地面鉆井抽采期間，單井最短抽采期為71d，最長(zhǎng)抽采期為760d，其中抽采期大于100d的鉆井占鉆井總數(shù)的81.8%，說明地面鉆井穩(wěn)定性強(qiáng)，可以滿足卸壓瓦斯長(zhǎng)期抽采的要求。

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)地面鉆井井身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：

（1）增大瓦斯抽采管的長(zhǎng)度，其最大撓度值變大，彎曲變形能力增強(qiáng)，從而降低了瓦斯抽采管被破壞的可能性。

（2）在相同受力條件下，篩管的最大應(yīng)力和最大切應(yīng)力分別是實(shí)管的1.4和2倍，易被破壞失效，因此篩管段纏繞間距為1mm的金屬絲以增強(qiáng)篩管的抗彎、抗剪能力。

（3）提出了新型抗彎、抗剪地面鉆井井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，以提高鉆井的穩(wěn)定性。

[1] 周德昶.地面鉆井抽放瓦斯技術(shù)的發(fā)展方向[J].中國(guó)煤層氣，2007（1）

[2] 梁運(yùn)培，胡千庭，郭華等.地面采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性分析[J].煤礦安全，2007（3）

[3] 李國(guó)君，劉長(zhǎng)久.鐵法礦區(qū)地面垂直采空區(qū)井技術(shù)[J].中國(guó)煤層氣，2005（4）

[4] 王沖，李巨龍，羅開艷.煤層氣勘探中采用欠平衡鉆井的地層適應(yīng)性分析[J].中國(guó)煤炭，2011（6）

Study and application of new bending and shearing resistant surface borehole structure

Liu Yingke，Zhou Fubao，Liu Chun，Hu Shengyong，Wang Shengcheng
（School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Theoretical analysis and numerical simulation were combined to study the influencing factors on the stability of surface borehole structure，and a new bending and shearing resistant borehole structure was designed and applied to Wulan coal mine of Shenhua Ningxia Coal Industry Group.The results showed that the new borehole structure significantly enlonged the effective gas drainage time of surface boreholes，with the shortest period of 71days and the longest period of 760days for one borehole.The boreholes with drainage period over 100days accounted for 81.8%，meeting the requirements for the long－term gas drainage for the pressure relief.

surface boreholes，borehole structure，pipes for gas drainage，screen pipes

TD712.63

A

國(guó)家自然科學(xué)基金（固相粒子封堵含瓦斯煤（巖）裂隙的機(jī)理及應(yīng)用基礎(chǔ)：51174199）

劉應(yīng)科（1984－），河南省平頂山市人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全及技術(shù)工程專業(yè)在讀博士研究生，研究方向?yàn)榈V井瓦斯災(zāi)害治理。