基于上覆巖層應力場和裂縫場演化的采動井套管破斷特征及防控對策

李延河 ，倪小明 ，王保玉 ，譚學斌

（1.平頂山天安煤業股份有限公司, 河南 平頂山 467000；2.中國平煤神馬控股集團有限公司, 河南 平頂山 467000；3.河南理工大學 能源科學與工程學院, 河南 焦作 454000；4.河南理工大學 煤系氣資源高效開發研究院, 河南 焦作 454000）

0 引 言

煤層開采過程中上覆巖層受采動影響發生巖層移動，極易引起煤礦地面采動井套管發生破斷。因此需要根據套管破斷機制提出針對性的井筒增穩措施。目前的井筒增穩措施主要有：煤層薄弱頂板加固技術、井筒環空技術、新型材料加固技術、加強件加固技術等。采用錨桿+錨索+錨網混合方法對煤層薄弱頂板進行加固，該技術施工相對繁瑣、井下施工時會影響煤礦生產進度[1-3]。采用在井筒內預留環空水泥的方法適用于巖層采動影響較小的層位，當巖層位移超過環空距離時，增穩效果較差[4-6]。新型材料加固技術是優化選取具有一定強度和彈性的材料制作套管，同時選取具有一定流塑性的新材料代替傳統泥漿固井，提高井筒抗擠壓變形能力[7-9]，材料成本的高低對其應用前景影響較大。與其他井筒增穩技術相比，加強件加固技術具有施工簡便、增穩成本低、不影響井下生產、適用于各種地形等優點[10-11]，具有較廣闊的應用前景。預防套管破斷的關鍵在于確定采動井套管破斷的位置和長度范圍。國內外研究者通過理論計算、相似模擬試驗、數值模擬等方法研究了特定覆巖組合下的離層應力分布特征[12-16]，但針對不同型號下的套管破斷層位和長度指示意義不明確。筆者以平頂山礦區為例，基于采煤工作面上覆巖層離層產生機制，采用理論計算與數值模擬相結合的方法，研究上覆巖層離層段應力和位移分布規律，分析最佳布井區域下的采動井套管主要破斷類型，結合常用套管力學參數，得出“兩場”（煤層采動過程中上覆巖層應力場和裂隙場）演化下的套管破斷位置及長度等特征，并提出對應的防控對策，以期為現場地面采動井套管薄弱位置的技術防控提供指導和借鑒。

1 平頂山礦區地質概況

平頂山礦區位于河南省中部，東起沙河和汝河交匯帶的洛崗斷層，西抵紅石山附近的郟縣斷層，南至湛河北岸煤層露頭，北至汝河附近的襄郟斷層。主要開采的煤層有二1 煤和四2 煤。其中二1 煤層埋深160.87～1 003.85 m，煤厚0.34～7.80 m，平均5.81 m，煤層平均傾角6°，結構簡單，是本次研究煤層。二1 煤層直接頂板多為泥巖、砂質泥巖，局部為細中粒砂巖。底板以深灰色泥巖、砂質泥巖為主，炭質泥巖偽底常零星分布。采用的地質資料來源于平頂山礦區首山一礦，該礦設計生產能力240×104t/a，采用豎井開拓，走向長壁后退式采煤方法，全部垮落法管理頂板。目前該礦正在開采的己二采區為雙翼采區，己二采區東翼布置有1 個回采工作面、1 個掘進工作面；西翼布置有1 個準備工作面。礦區位置及礦井含煤地層柱狀情況如圖1 所示。

圖1 平頂山礦區地理構造及含煤地層柱狀圖Fig.1 Histogram of geographical structure and coal-bearing strata of Pingdingshan mining area

2 采動井套管破斷位置及防控對策研究流程

采動過程中離層段位置、應力和位移分布特征以及布井位置的不同，導致采動井套管破斷類型、破斷位置和長度范圍存在差異。煤礦地面采動井套管破斷位置，長度等特征及防控對策的研究流程可描述為：

1）根據研究區圍巖巖性組合及關鍵層判別方法確定出關鍵層。

2）基于數值模擬技術，研究研究區上覆巖層離層段應力和位移分布規律，分析上覆巖層高度、工作面水平距離與應力、位移關系相關性，并擬合出相關函數。

3）根據上覆巖層應力、位移函數關系和目前常用套管的力學參數，確定出套管薄弱位置和長度范圍，分析薄弱位置處的套管受力情況，判斷套管的破斷類型，并選擇相應的局部防控對策。

將筆者提出的煤礦地面采動井套管破斷特征防控政策的具體研究流程進行總結，如圖2 所示。

圖2 采動井套管破斷位置及防控對策研究流程Fig.2 Research process on location and prevention and control measures of casing breakage in mining wells

3 基于數值模擬的離層段應力和位移分布

3.1 關鍵層的確定

根據上覆巖層離層段形成機理可知，離層段位置發育在關鍵層下部。根據文獻[17]的關鍵層判別方法，結合平頂山礦區鉆孔柱狀，對二1 煤上覆巖層的關鍵層層位進行計算。具體方法為

1）垮落帶高度主要與煤層采高、上覆巖性和厚度、上覆巖層冒落填充厚度有關，其關系滿足：

式中：Sn為冒落活動空間，m；h為煤層厚度，m；mn為煤層上覆巖層厚度 （n=1，2， ··· ，k），m；KAmn-1為冒落填充厚度，m；KA為巖石的碎脹系數，取1.4。

當KAmn>Sn時，則垮落帶終止，第1～n-1 層為直接頂，第n層巖層為基本頂。

2）確定出煤層直接頂和基本頂層位后，以基本頂為起始硬巖層，第k層巖層對n層硬巖層的載荷作用為

式中：En為第n層巖層的彈性模量，GPa；hn為巖層厚度，m； γn為體積力，kN/m3。

當(qn)k+1<(qn)k時，第k+1 層巖層對硬巖不起作用，那么第k+1 層巖層為下一硬巖層。

則第n層硬巖的累計載荷為

3）關鍵層層位可以通過比較各硬巖層間破斷距判識[18]，按固支梁計算第n層硬巖層的破斷距和周期來壓步距為

式中：Ln為第n層硬巖層的破斷距，m；L′n為周期跨距，m；hn為巖層厚度，m；qn為累計載荷，MPa；RT為抗拉強度，MPa。

根據剛度條件，當Ln

根據式（3）—式（5）計算累計載荷、破斷距、周期來壓步距等參數并判斷主關鍵層、亞關鍵層等，計算結果見表1。

表1 關鍵層位置計算所需基本參數及計算結果Table 1 Basic parameters and calculated results of key layer location calculation

從表1 可看出，二1 煤上覆巖層發育3 層硬巖。其中厚45.75 m 的砂質泥巖為主關鍵層，厚21.87 m的中砂巖為亞關鍵層。

3.2 上覆巖層應力和位移分布規律

3.2.1 模型的構建

1）模型結構。采用3DEC 數值模擬軟件，對不同開采距離下的上覆巖層應力、位移進行研究。根據平頂行礦區鉆孔柱狀，建立地層模型。模型尺寸為300 m×5 m×200 m，模擬模型的傾角設置為0°；本構模型選取摩爾-庫倫模型；在煤層上部2、5、12、20、43、50、60、70、86、90 m 高度處分別設置應力、位移測線。模型結構如圖3 所示。

圖3 模型結構及邊界條件Fig.3 Model structure and boundary conditions

2）力學參數的確定。離散元模擬需要塊體力學參數和節理力學參數2 部分。根據平頂山礦區地質資料設置模擬力學參數，模型塊體力學和節理力學參數見表2。

表2 模型的塊體力學和節理力學參數Table 2 Block mechanics and joint mechanics parameters of model

3）邊界條件的確定。完成模型參數賦值后需要對模型邊界條件進行設置。根據實際開采情況，允許模型頂部可以自由移動，模型底部固定，側面限制水平位移，頂部施加19.78 MPa 自重應力載荷。模型邊界條件設置如圖3 所示。

3.2.2 模擬結果

選取煤層上覆20、60、90 m 處的測線數據，分別對工作面推進40、80、120 m 時垂向應力、垂向位移和水平應力、水平位移隨上部巖層高度的變化進行模擬，并對離層發育高度進行分析，由于條件限制，未能進行相似物理模擬試驗，因此對比楊兆彪等[20]進行的相似物理模擬結果，從裂隙層位發育規律的角度側面驗證本文的模擬結果，部分模擬結果如圖4 所示。從圖4 可以看出：

圖4 上覆巖層應力和位移分布規律Fig.4 Distribution pattern of stress and displacement in overlying strata

1） 圖4a 為隨工作面推進過程中，離層發育高度的變化曲線。隨著工作面的推進，離層高度呈先增加后減慢的發育趨勢。工作面推進60 m 以內時，離層高度勻速發育至上覆巖層20 m 左右，工作面推進60～100 m 時，離層高度加速發育至130 m 處，工作面繼續推進，離層高度不再發育。離層發育速度變化的高度節點與關鍵層位置相對應，關鍵層位置計算結果（表1），驗證了模擬的正確。

2）圖4b、圖4c 分別為不同工作面推進距離下，巖層水平應力和垂向應力隨上部巖層高度的變化。正負號代表了模型模擬的應力和位移的方向；其中，水平應力、位移大于0 為x軸正方向；垂直應力、位移大于0 為z軸正方向。工作面推進過程中，上覆巖層應力呈現出“波動-線性降低”的變化規律。煤層上覆20 m 以內巖層出現周期性應力集中和釋放，20 m 以上呈近似線性變化。

3）圖4d、圖4e 分別為不同工作面推進距離下，巖層水平位移和垂向位移隨上部巖層高度的變化（圖中y軸負值表示巖層向下移動）。巖層的位移主要以垂向位移為主，隨著工作面的推進，巖層位移均呈增長趨勢。工作面推進過程中，上覆巖層位移呈現出“幾乎未發生變化-類雙曲線型”的變化規律。工作面推進距離小于20 m 時，上覆巖層基本保持穩定，沒有發生垂向位移；20 m 以后，上覆巖層出現向上位移-彎曲下沉-向上位移的變化，且隨著推進距離增加，范圍逐漸擴大，最終趨于定值。

4）圖5 為楊兆彪等[20]相似物理模擬試驗煤層開挖穩定后的結果。對比圖4a，可以看出，隨著工作面推進至上覆巖層穩定時，上覆巖層“三帶”發育規律與其相似物理模擬結果相似，側面驗證了模擬的準確性。

圖5 煤礦采動井套管破斷類型及套管加強件Fig.5 Types of casing breakage and reinforcement components in coal mining wells

4 套管破斷主要類型及防控對策

4.1 煤礦采動井套管破斷主要類型

在煤礦采動區施工煤層氣井時，由于采動塌陷會引起上覆巖層移動，導致井壁錯斷引起套管失穩變形，降低采動井的使用壽命，目前，常見的煤礦采動井套管破斷類型主要包括彎曲破斷、壓縮破斷、拉伸破斷和剪切破斷4 種類型，見表3。

表3 采動井套管破斷類型Table 3 Types of casing breakage in mining wells

研究表明，巖層位移、破斷對套管產生的多為不均勻載荷，不均勻載荷下的套管強度一般為均勻載荷時的5.0%～12.5%[21-22]。內壓在0.1 MPa 時的套管臨界載荷見表4。當套管材質、外徑相同時，套管的壁厚越大，其臨界非均勻載荷越大。因此，通過在套管關鍵部位加設套管加強件，可以有效減緩采動應力對采動井套管的損傷。

表4 煤礦采動井常用套管臨界載荷Table 4 Critical load of commonly used casings in coal mining wells

考慮到套管易變形破斷這一在采動區施工煤層氣井所面臨的主要問題，目前平頂山礦區地面采動井均采用“避、讓、防、疏”的設計施工理念（見表5）[23]，分析獲得了地面井結構穩定性高、抽采效果好的最佳布井區域；通過“局部固井+懸掛完井”技術，讓開巖層移動量（圖6a）；三開常采用外徑139.7 mm、壁厚10.54 mm 的N80 或P110 鋼型篩管，增加套管強度。

表5 采動井局部防護技術的技術原理及應用范圍Table 5 Technical principles and application scope of local protection technology for mining wells

圖6 煤礦采動井套管破斷類型及套管加強件Fig.6 Types of casing breakage and reinforcement components in coal mining wells

根據實際開發經驗以及采動上覆巖層應力和位移的模擬結果，發現有部分位置的套管仍會發生損毀，井下電視觀測表明（圖6b），拉伸變形和剪切錯斷為采動井套管損毀的主要類型，需要對套管破壞安全性進行分析，確定鉆井套管易損毀位置和長度，根據套管破斷類型加設抗剪切或抗拉伸的套管加強件（圖6c），提高采動井壽命。

4.2 套管破斷的防控對策

為了確定出研究的各參數與應力、位移關系，采用相同的模擬條件，分別進行采高1、3、5 m 情況下的數值模擬，根據相關數值模擬的應力、位移結果，分別進行單一參數與應力、位移擬合，擬合結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 單一參數與應力相關性分析Fig.7 Correlation analysis of single parameter and stress

圖8 單一參數與位移相關性分析Fig.8 Correlation analysis of single parameter and displacement

從圖6 和圖7 可看出，上覆巖層高度、工作面水平距離與應力、位移關系相關性較好，上覆巖層的應力和位移與上覆巖層高度有較高的負相關關系，與距工作面的水平距離有較高的正相關關系。為了提高預測精度，進行多參數擬合，擬合結果為

式中：Dh為水平位移變化量，10-3m；Ph為水平應力，MPa；Dv為垂向位移變化量，10-3m；Pv為垂向應力，MPa；H為上覆巖層距離煤層頂板的高度，m；Hm為煤層厚度，m；ΔL為測點距工作面的水平距離，m。

根據多參數擬合式（6）—式（9），以煤層厚度5 m，距離工作面距離50 m 為例，對采動井位置的應力和位移進行計算（圖6）。

從圖8 可看出，計算結果與模擬結果基本吻合，可用此公式確定套管破斷的位置和長度。

在進行加強件的安裝時，需要綜合考慮采動過程中上覆巖層的最大應力和位移，確定套管薄弱范圍，因此，通常將抗拉伸的加強件放置在主要離層發育的關鍵層下方，抗剪切的加強件放置在主要離層發育的關鍵層上部軟硬巖層互層處。

根據擬合的應力、位移公式，結合關鍵層位置、上覆巖性組合和采動井常用套管臨界載荷（表4），分別得出采高5 m 條件下的N80 和P110 套管加設抗剪切加強件和抗拉伸加強件的位置和長度，見表6。

表6 套管加強件的位置與長度Table 6 Location and length of casing reinforcement

由圖9 可以看出，采用P110 套管的采動井穩定性更高，建議研究區地面采動井三開采用P110 套管，并在煤層上部46 m 亞關鍵層處加設抗拉伸加強件，增加采動井穩定性。

圖9 多參數擬合公式結果對比Fig.9 Comparison of multi parameter fitting formula results

5 結 論

1）根據研究區圍巖巖性組合及關鍵層判別方法確定出關鍵層；基于數值模擬技術，得出研究區上覆巖層離層段應力和位移分布規律并擬合出上覆巖層應力、位移函數。

2）平頂山礦區采動井實際開發經驗顯示，最佳布井區域下的采動井套管主要破斷類型主要以拉伸縮徑和剪切破斷為主，分別確定出N80 和P110 套管的主要破斷位置和長度。

3）建議研究區地面采動井三開時采用P110 套管，并采用套管加強件技術進行套管進行局部加固，在煤層上部46 m 亞關鍵層處加設抗拉伸加強件，可以增加采動井穩定性。