（流体机械及工程专业论文）地面井用可调节套管接头的设计与研究.pdf

摘 要 摘要 煤层气的主要成分是甲烷，温室效应l t - , - - 氧化碳大2 0 倍以上，对地球臭氧层 的破坏力是二氧化碳的7 倍。煤矿瓦斯严重制了煤矿安全、高效、低耗、集约化 生产；对煤矿安全生产带来极大威胁。一起起因煤矿瓦斯引起的安全事故，对从 事煤矿安全生产的专家提出了新的挑战和技术课题。为了有效的治理煤矿瓦斯， 淮南矿业集团申请了地面钻井抽采采动区、采空区卸压瓦斯方法。 淮南煤田埋深在2 0 0 0 m 以上，共有保有和预测煤炭储量为5 0 1 0 0 m t 。面对丰 富而巨大的煤炭和煤层气资源，实现了煤与瓦斯资源高效共采。充分发挥淮南的 资源、区位和市场优势，变资源优势为经济优势，变废为宝，变害为利，减少资 源浪费和环境污染。地面井开采煤层气的使用把突出高瓦斯煤层，转化为非突出、 低瓦斯煤层开采，并实现了综采放顶煤技术。由于瓦斯等到预先治理，长期制约 生产的“以风定产”、“四位一体”综合防突措施得到解决。但在大采高、块推进、 巨厚流沙层厚度、采空区巨厚坚硬砂岩顶板的条件下，钻井筛管有时被错断，造 成地面钻井突然停气，为了解决这一技术难题，淮南矿业集团委托安徽理工大学 设计一种可调节的套管接头。 可调节套管接头的研究就是为避免上述现有技术所存在的不足之处，为在地 面钻井孔内抽采瓦斯的刚性套管提供一种可以进行角度调节，并可进行轴向伸缩 的可调节套管接头，使原有的刚性套管形成具有转角、伸缩的功能，以适应地表 的变形，减小套管的弯曲应力，防止套管断裂。本课题在研究过程中首先对原有 的套管进行剪切强度，剪切弯曲强度，弯曲强度及弯曲变形的计算，并对钻井筛 管在井下的受力进行分析，应用采空区岩移规律建立力学模型。在选材和设计时 以不低于原有套管强度为准则，采用等强度设计，通过受力分析及上覆岩层移动 规律对钻井筛管结构进行优化设计。然后对设计的钻井筛管接头进行有限元分析。 制作试件并进行了现场使用，根据使用情况做总结。 图 2 7 】表【8 参【4 8 】 关键词：地面井；采空区；可调节套管接头；有限元分析 分类号：( t h l 2 ) ； 摘要 a b s t r a c t t h em a i nc o m p o s i t i o ni sm e t h a n e ( c b m ) ，g r e e n h o u s eg a st h a nc a r b o nd i o x i d e m o r et h a n2 0t i m e st h es i z eo ft h ed e s t r u c t i v ef o r c eo ft h ee a r t h so z o n el a y e r , t h es e v e n t i m e si sc a r b o nd i o x i d e m i n eg a ss e r i o u sm a d ec o a lm i n es a f e t y , h i g he f f i c i e n c y , l o w c o n s u m p t i o n ，i n t e n s i v ep r o d u c t i o n ；t ob r i n gg r e a tt h r e a to fs a f e t yp r o d u c t i o ni nc o a l m i n e t h em i n eg a sc a u s ec a u s et o g e t h e ri ns a f ea c c i d e n to fs a f e t yp r o d u c t i o ni nc o a l m i n e ，t h ee x p e r t ss u g g e s tan e wc h a l l e n g ea n dt e c h n i c a li s s u e i no r d e rt oe f f e c t i v e l y c o n t r o lo fh u a i n a nm i n i n gg r o u pm i n eg a s ，f o rt h eg r o u n dc a i c a id y n a m i ca r e a ， d r i l l i n gp u m p i n gg a sm e t h o dr o o f - f l o o rm i n e d o u ta r e a s h u a i n a nc o a lb u r i e dd e p t h2 0 0 0 ma b o v e ，i nt o t a lp o s s e s s i n ga n df o r e c a s t i n gc o a l r e s e r v e sf o r5 010 0 m t f a c i n gt h er i c ha n dh u g ec o a la n dc b mr e s o u r c e sa n dr e a l i z e t h ee f f i c i e n c yo fr e s o u r c eo fc o a la n dg a so u t b u r s to fm i n i n g g i v ef u l lp l a yt ot h e r e s o u r c eo fh u a i n a n ，l o c a t i o na n dm a r k e ta d v a n t a g e s ，b e c o m er e s o u r c ea d v a n t a g ef o r e c o n o m i ca d v a n t a g e ，f o r p r o f i t ，c h a n g i n gh a r mr e u t i l i z e d ，r e d u c et h ew a s t eo f r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h eu s eo ft h ec b mw e l lm i n i n gc o a lg a s ，t h e p r o m i n e n tt u r n e dt h eo u t s t a n d i n g ，l o wg a sc o a lm i n i n g ，a n dr e a l i z e dt h el o n g - w a l lt o p c o a lc a v i n gt e c h n o l o g y b e c a u s eo ft h eg a su n t i lg o v e m a n c e ，h a sl o n gr e s t r i c t e di n a d v a n c eb yp r o d u c t i o no f ”d i n g c h a nw i n d ”f o u r - i n o n e ”c o m p r e h e n s i v eo u t b u r s t p r e v e n t i o nm e a s u r e ss o l v e d b u ti nt h eb i gm i n i n gh e i g h t ，b l o c kp r o p u l s i o n ，t h i c k q u i c k s a n dl a y e rt h i c k n e s s ，g o a ft h i c kh a r ds a n d s t o n er o o fc o n d i t i o n s ，d r i l l i n gs i e v e t u b ei ss o m e t i m e sb a db r e a k ，c a u s i n gt h eg r o u n dt od r i l l i n gh es u d d e n l ys t o p p e dg a s ，i n o r d e rt os o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m s ，h u a i n a nm i n i n gg r o u pe n t r u s ta n h u iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yd e s i g naa d j u s t a b l ec a s i n gc o u p l i n g s a d j u s t a b l ec a s i n gj o i u t r e s e a r c hi st oa v o i dt h e e x i s t i n gt e c h n o l o g y t h e d i s a d v a n t a g e so ft h ep r e s e n ti nt h eg r o u n df o rd r i l l i n gh o l eg a se x t r a c t i o nr i g i db u s h i n g p r o v i d e sac a nu n d e r t a k ea n g l ea d j u s t m e n t ，a n dm a yc a r r yo na x i a lt e l e s c o p i c a d j u s t a b l ec a s i n gc o u p l i n g s ，m a k et h eo r i g i n a lr i g i dc a s i n gf o r mac o m e r , a d j u s t a b l e f u n c t i o n ，t oa d a p tt ot h es u r f a c ed e f o r m a t i o n ，r e d u c et h eb e n d i n gs t r e s so ft h ec a s i n g p i p e ，p r e v e n tc a s i n gf r a c t u r e t h i st o p i ci nt h ep r o c e s so fr e s e a r c h i n go nt h ec a s i n go f t h eo r i g i n a lf i r s ts h e a rs t r e n g t h ，s h e a rt h eb e n d i n gs t r e n g t h ，b e n d i n gs t r e n g t ha n d i i 摘要 b e n d i n gd e f o r m a t i o nc a l c u l a t i o n ，a n dt h ed r i l l i n gs i e v et u b ei nu n d e r g r o u n d ，a n a l y z i n g t h ef o r c ea p p l i e dg o a fr o c km o v e m e n tr u l em e c h a n i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d i nt h e s e l e c t i o na n dd e s i g nw i t hn ol e s st h a nt h eo r i g i n a lc a s i n gi n t e n s i t y , t h ec r i t e r i af o rs u c h s t r e n g t hd e s i g n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs t r e s sa n dm o v e m e n tr u l e so fo v e r l y i n gs t r a t a o fd r i l l i n gs i e v et u b es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a n dt h e nt od e s i g no fd r i l l i n gs i e v e t u b ec o n n e c t o r sf o rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p r o d u c t i o na n dt h ef i e l du s es p e c i m e n s ， b a s e do nt h eu s i n gc o n d i t i o ns u m m i n g - u p f i g u r e 2 7 t a b l e 8 】r e f e r e n c e 4 8 】 k e y w o r d s ：g r o u n dw e l l s ；m i n e d - o u t ；a d j u s t a b l ec a s i n g j o i n t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 引言 引言 淮南煤田在埋深2 0 0 0 m 以上，共有保有和预测煤炭储量为5 0 1 0 0 m t 。整个煤 田的煤层气资源密度在1 4 2m m 3 k m 2 以上，最高密度达4 0 5m m 3 k m 2 ，这在世 界上也是少有的。据初步估算，埋深在2 0 0 0 m 以上共有煤层气资源5 9 2 8 0 m m 3 。 面对丰富而巨大的煤炭和煤层气资源，尽快实施煤与瓦斯资源高效共采。充分发 挥淮南的资源、区位和市场优势，变资源优势为经济优势，变废为宝，变害为利， 对减少资源浪费和环境污染，实现安全、高效、低耗、集约化生产，具有重要意 义。 目前井下已有的抽放瓦斯( 煤层气开采) 方法，主要有开采煤层的采空区顶 板走向高抽巷( 或项板走向钻孔) 法；开采煤层顶板远距离穿层钻孔法，该法对 处于裂隙带内的卸压煤层瓦斯具有良好的抽放效果。由于弯曲下沉带内的破裂裂 隙稀少，故卸压瓦斯无法大量向高抽巷或钻孔汇集，因此，该法不具备抽采弯曲 下沉带内的卸压煤层瓦斯；顶板远距离穿层钻孔法，是由开采煤层的回风巷，向 上覆卸压煤层打远距离穿层钻孔，由于钻孔往往要穿过开采煤层的采空区冒落带， 钻孔的抽采服务时间也较短。因此该法也不是弯曲下沉带卸压瓦斯预抽的理想方 案；低透气性高瓦斯软厚煤层远程卸压瓦斯抽方法，由于受钻孔施工长度限制， 不能对开采层的上覆所有卸压煤层瓦斯实施全层同时抽采。由于煤矿井下瓦斯抽 采工程和工作全部在井下实施，这样既影响干扰井下安全生产，同时又受井下空 间、时间和采掘接替的制约和影响，由此人们开始寻求地面抽采瓦斯措施。 地面钻井开采煤层气方法，目前采用类似石油天然气的工业开采设备和技术， 并结合煤层储气层的特点加以改进，对矿区尚未进行井下开采活动的煤层气进行 商业性开采。地面开采煤层气常用的钻井技术有三种：采空区钻井、水平井和垂 直井。 本文仅对垂直井用的可调节接头做结构设计，受力分析及现场试验。 第1 章绪论 1绪论 ， 1 1 地面钻井的技术特征 1 ) 地面钻井全层同时预抽开采层上覆远距离采动区卸压瓦斯方法，其特征是 首先开采距卸压煤层6 6 7 m - 9 6 8 m ，相对层间距为3 5 5 1 倍的下覆1 1 2 煤层。 受采动影响和下沉作用范围内的上覆1 2 、1 3 1 、1 3 2 和1 5 等煤层卸压瓦斯“解吸 扩散渗透活化”并产生卸压膨胀“增透效应”和卸压瓦斯解吸“增流效应”从而产生 大量的卸压解吸增流效应瓦斯。由于卸压膨胀和不同岩性的膨胀率差异，在垂直 和沿煤层层面方向产生膨胀变形压力和剪切力，处于弯曲下沉带的卸压煤层内， 形成顺层离层张性裂隙，为瓦斯卸压煤层沿层运移( 扩散渗透、低渗透渗透与 均值渗透) 提供了条件，预先由地面向各卸压煤层打穿层预抽地面钻井，在煤层 瓦斯压力和钻井抽放负压的作用下，上覆各卸压煤层的解吸“增流效应”瓦斯，分 别沿各卸压煤层的顺层( 离层) 张性裂隙向抽采钻井汇集，并通过抽采管路对上 覆各卸压煤层实施全层同时抽采瓦斯或开采煤层刽。 2 ) 下覆1 1 2 煤层开采所形成的卸压采空区，位于采空区的上覆煤岩层，由下 往上依次形成，冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。根据淮南潘一矿实测，冒落带高 度为8 5 1l m ，裂隙带高度为3 0 6 - 3 6 1 m 。由此判断，上覆1 2 、1 3 1 、1 3 2 和 1 5 等卸压煤层应处于弯曲下沉带内。由于弯曲下沉带内主要产生顺层离层张性裂 隙，竖向层间破断裂隙稀少，因而弯曲下沉带内的卸压煤层瓦斯无法沿竖向层间 破断裂隙流入开采层的采空区，只能在煤层瓦斯压力和钻井抽放负压的作用下， 沿各卸压煤层的顺层张性裂隙向抽放钻井汇集，为此，必须预先向个卸压煤层打 穿层抽采瓦斯钻井，一边实施分层抽采。 3 ) 处于不同卸压区域内的煤层卸压及裂隙分布形态是不同的。根据相对层间 距将卸压煤层瓦斯涌出分为近程( 近距离) 、中程和远程瓦斯涌出，处在冒落带 上限高度以内的瓦斯涌出为近程瓦斯涌出。主要是采空内的遗煤、煤柱瓦斯涌出； 处在裂隙带的瓦斯涌出为中程瓦斯涌出；处在弯曲下沉带内的瓦斯涌出属远程瓦 斯涌出，该涌出瓦斯量只有少量通过稀少的竖向破断裂隙进入裂隙带而成为才中 程瓦斯涌出。因此本抽采方法，除采取高效的远程瓦斯抽采，同时还要对近程、 中程瓦斯进行同时抽采。 4 ) 地面钻井由地表向下，首先穿过巨厚流砂层( 或表土层) ，经采动区上覆所 有卸压煤层后，至开采层采空区底板l m 左右。卸压煤层段钻井，根据卸压煤层 条件差异下不同形状和孔径的筛管，不采取固井措施，为全层同时预抽卸压煤层 2 第1 章绪论 瓦斯提供条件【2 1 。 1 2 采动区、采空区瓦斯抽采技术方案的选择背景 煤矿瓦斯又称煤层气，瓦斯是一种混合气体，除少数矿井是c 0 ，外，大多数 矿井是甲烷( c h 。) 。瓦斯是煤矿生产过程中的伴生气体，并储存在煤体中，在 煤炭资源开采过程中，伴生的承压气体瓦斯也必然涌入采掘空间，可能造成瓦斯 爆炸、突出和燃烧等灾害事故。严重地制约煤矿安全、高效、低耗、集约化生产。 随着矿井开采深度增加，c h 。涌出量随着增大，瓦斯对安全生产的威胁和向大气 层排放量也增大。煤层瓦斯大量直接向大气层排放，不仅浪费了能源资源，而且 严重污染了环境，以甲烷为主要成分的瓦斯，温室效应比二氧化碳大2 0 倍以上， 对地球臭氧层的破坏力是二氧化碳的7 倍。另一方面，瓦斯( 煤层气) 也是一种 优质、高效、洁净的天然气能源资源。随着国家新能源资源政策的出台，人们逐 渐意识到，勘探、开发煤层气是补充和接替天然气资源最有前景和最为现实的途 争 径之一。 淮南煤田在埋深2 0 0 0 m 以上，共有保有和预测煤炭储量为5 0 1 0 0 m t 。整个煤 田的煤层气资源密度在1 4 2m m 3 l ( m 2 以上，最高密度达4 0 5 m m 3 k m 2 ，这在世 界上也是少有的。据初步估算，埋深在2 0 0 0 m 以上共有煤层气资源5 9 2 8 0 m m 3 。 面对丰富而巨大的煤炭和煤层气资源，尽快实施煤与瓦斯资源高效共采。充分发 挥淮南的资源、区位和市场优势，变资源优势为经济优势，变废为宝，变害为利， 对减少资源浪费和环境污染，实现安全、高效、低耗、集约化生产，具有重要意 义。 淮南石炭二迭系含煤地层，含煤3 2 4 0 层，含煤总厚度为4 2 7 8 m 。其中：可 采煤层1 5 层，可采层总厚度3 1 1 4 m 。主采1 3 1 煤层地应力很大，煤层平均厚度 6 m ，与最近的下覆11 2 煤层的平均层间距6 7 8 8 m ，煤层原始瓦斯压力为 2 - 6 4 m p a ，瓦斯含量1 0 2 6 m 3 t r ，煤层透气性系数为3 4 1 0 4 m p a d ，煤层钻 孔瓦斯流量衰减系数为0 2 2 6 5 d ，采煤工作面瓦斯涌出量在4 0 7 0 m 3 m i n 。目 前所有矿井均为煤与瓦斯突出矿井。煤的坚固系数f 值一般在o 3 0 5 之间，煤层 经多次构造运动，煤层结构遭受破坏形成鳞片状和粉末状的构造煤，煤层的破坏 类型一般为三至四类。综上参数判断，它是一个典型的低透气、远距离、构造煤、 搞瓦斯、突出松软厚煤层的特困条件，给瓦斯治理带来很大难度。 低透气、构造煤的瓦斯预抽，低透气、构造煤、突出松软煤层的煤层气开采 和区域消灾，已成为当前国内外公认的技术难题。淮南采取传统方法预抽煤层瓦 - 3 第1 章绪论 斯的抽采率在1 5 以下；利用地面钻井开采煤层气，其开采强度远远低于商业开 采标准。由于煤层瓦斯得不到预先有效治理，因此，生产过程中的瓦斯超限、瓦 斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁安全，制约着高产、高效的集约化生产 和综采放顶煤技术的应用。由于工作面要实施“四位一体”综合防突措施，和“以风 定产”措施，造成煤巷掘进月速度仅有4 0 6 0 m ，综采工作面平均日产只有1 7 0 0 t ， 但工作面平均相对瓦斯涌出量却高达2 4 5 m 3 t 。要将该面的平均日产由1 7 0 0 t 提 高到5 0 0 0 t ，工作面绝对瓦斯涌出量将达8 5m 3 t ，工作面的瓦斯将大量超限， 由此可见，采掘工作面不采取有效预抽瓦斯方法或预先开采煤层气，就不可能实 现安全生产，也无法实现安全高效集约化生产。 运用放顶煤技术歼采厚煤层时采煤方法的一次革命。该法与厚煤层分层开采 相比，具有高产、高效、低耗等优点。因此，淮南各突出矿井，对突出松软厚煤 层实施综放技术有着强烈的要求和愿望。煤矿安全规程规定，突出煤层不得 使用综采放顶煤采煤方法进行回采。因此，在运用该技术前，必须研究一套行之 有效的区域性消突措施。 淮南煤田规划生产原煤1o o m t ，其中：规划年产9 2 m t 的潘谢矿区，各矿的煤 层赋存条件、开采技术、矿井瓦斯等级均十分相似。通过开采11 2 下保护层，利 用地面钻井预抽上覆远距离采动区卸压瓦斯的典型试验，如果试验成功，不仅解 决安全生产问题，也为整个潘谢地区实现五大战略目标转移提供技术保证。即把 以安全为目的的瓦斯抽放，转为开采利用瓦斯资源为目的的瓦斯抽采；把单独开 采煤炭资源转为煤与瓦斯资源共采；把治理瓦斯技术由局部措施为主转为区域性 的综合措施；把突出、高瓦斯煤层转化为非突出、低瓦斯煤层开采；把低产、低 效、高耗矿井转为高产、高效、低耗的现代化矿井。 矿井瓦斯是制约生产发展，造成瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出的主要原因，控制 瓦斯灾害，消除煤与瓦斯突出，降低采掘面瓦斯涌出量，提高生产力，实现煤与 瓦斯共采的根本途径是预先抽出煤体中的瓦斯【3 j 。 针对淮南煤层群特征，彻底根治瓦斯灾害的关键，在于找到并掌握能使煤层 透气性大幅度提高的科学方法和与之相适应的瓦斯预抽技术。在煤层群开采中， 利用开采卸压所产生的卸压膨胀“增透效应”和卸压煤层瓦斯解吸“增流效应”，以 提高卸压煤层透气性和解吸瓦斯量，是经济有效措施，国内外有煤层群开采条件 的俄罗斯、美国和我国的阳泉和淮南等矿区，为了减少受采动影响的上覆卸压煤 层瓦斯涌出量和消突，都在应用卸压煤层瓦斯抽采技术，并取得很好效果。但这 些矿区的上覆卸压瓦斯抽采目标煤层，都处在采空区和采动区裂隙带内，对上覆 4 第1 章绪论 弯曲下沉带内的远距离卸压煤层瓦斯抽采方法、参数以及煤层透气性提高程度和 区域性消突效果，国内外都缺乏实践与考察研究【4 】。为此，淮南矿业集团公司与 中国矿大合作，对处于弯曲下沉带内的卸压煤层瓦斯，在井下利用卸压煤层底板 专用抽放巷和打上向网格式穿层钻孔，抽采远程卸压煤层瓦斯作了研究，但国内 外尚未见到有关地面钻井全层同时预抽上覆远距离采动区、采空区卸压瓦斯方法 的研究报道【2 j 。 目前井下已有的抽放瓦斯( 煤层气开采) 方法，主要有开采煤层的采空区顶 板走向高抽巷( 或顶板走向钻孔) 法；开采煤层顶板远距离穿层钻孔法，是将抽 放巷道或钻孔布置在开采层的采空区顶板裂隙带内，卸压煤层瓦斯在煤层瓦斯压 力和抽放负压的作用下，沿坚向破裂裂隙所形成的流放通道向抽放巷道或钻孔汇 集。因此，该法对处于裂隙带内的卸压煤层瓦斯具有良好的抽放效果。由于弯曲 下沉带内的破裂裂隙稀少，故卸压瓦斯无法大量向高抽巷或钻孔汇集，因此，该 法不具备抽采弯曲下沉带内的卸压煤层瓦斯；顶板远距离穿层钻孔法，是由开采 煤层的回风巷，向上覆卸压煤层打远距离穿层钻孔，由于钻孔往往要穿过开采煤 层的采空区冒落带，钻孔的抽采服务时间也较短。因此该法也不是弯曲下沉带卸 压瓦斯预抽的理想方案；低透气性高瓦斯软厚煤层远程卸压瓦斯抽方法，首先要 在远程卸压煤层底板掘进专用瓦斯抽放巷，再由该巷向卸压煤层打上向网格式 ( 3 0 m 3 0 m ) 穿层抽放钻孔，卸压瓦斯在瓦斯压力和抽放负压的作用下，沿卸压 煤层的顺层张性裂隙向抽放钻孔运移汇集，并通过管道得以抽放。该法虽能有效 地抽放弯曲下沉带内的卸压瓦斯，但也存在着明显的技术不足。一是远距离卸压 煤层的底板必须有专用的底板抽放瓦斯巷。二是专用瓦斯抽放巷的工程量很大， 消费高。而且抽放巷和钻孔全在井下施工，这样既影响、干扰井下安全生产，又 向地面排放大量矸石污染环境。三是回采工作面月进度一般在1 2 0 - 2 0 0 m ，而专 用岩巷的月进度一般在1 0 0 m 左右。由于采掘速度不配套，往往导致抽一掘一 采失衡。四是由于上向网格式穿层钻孔施工长度一般在1 0 0 一1 5 0 m 之间。由于受 钻孔施工长度限制，不能对开采层的上覆所有卸压煤层瓦斯实施全层同时抽采【5 j 。 由于煤矿井下瓦斯抽采工程和工作全部在井下实施，这样既影响干扰井下安 全生产，同时又受井下空间、时间和采掘接替的制约和影响，由此人们开始寻求 地面抽采瓦斯措施。 地面钻井开采煤层气方法，目前采用类似石油天然气的工业开采设备和技术， 并结合煤层储气层的特点加以改进，对矿区尚未进行井下开采活动的煤层气进行 商业性开采。 5 第1 章绪论 ，地面开采煤层气常用的钻井技术有三种：采空区钻井、水平井和垂直井。采 空区钻井只能抽采开采层采空区瓦斯；垂直井是煤层气开采的主要钻井类型，它 直接从地面钻入尚未开采的原始煤层。根据钻井的目的不同可分为取芯资料井、 测试井、观测井和生产井。生产井增加煤层气产量的措施目前有三种主要方法； 即压裂、洞穴完井以及二氧化碳和氮气注入法。 目前世界上，主要产煤国家对煤层气资源化开发利用程度较高，主要方法是 地面钻井开采。美国勇士盆地8 9 年有产气井9 8 0 口，年出售气量达7 亿m 3 ；圣 胡安瓮地8 9 年有产气井5 2 0 口，年产气量达1 9 亿m 3 。2 0 0 4 年美国煤层气产量 达5 0 0 亿m 3 ，煤层气资源开发获得很大成功；德国1 9 9 2 年开始应用地面钻井技 术，开发鲁尔煤f 日的煤层气；澳大利亚目前广泛应用地面采空区垂直钻井抽采技 术；加拿大煤层气资源储量占世界第二位，但地面钻井仍处于勘探试验阶段；英 国1 9 9 2 年开始在曼彻斯特和威尔士先后从地面打抽采钻井，由于煤层渗透率低， 目前正在研究低渗透率瓦斯抽采技术【6 】。 我国根据中国煤田地质总局全国煤层气资源评价课题组计算结果：煤层 气含量大于4 m 3 t ，埋深2 0 0 0 m 以浅的煤层气资源总量为1 4 3 4 万亿m 3 ，资源 量居世界第三。从全局来讲，我国的地面钻井抽采瓦斯仍处于勘探试验阶段。在 7 0 年代，为了解决瓦斯灾害，在抚顺、焦作、阳泉、白沙等矿区共打了4 0 余口 地面钻井，并实施了水力压裂等增气措施，但产气效果均不理想，但也取得了一 些经验。1 9 9 2 年，联合国开发计划署资助我国开发煤层气。同时在开滦、松藻、 铁法进行示范性开发煤层气试验。铁法试验了3 口地面钻井抽采采空区瓦斯，从 1 9 9 5 年6 月到1 9 9 7 年底共抽采3 0 7 3 万m 3 瓦斯；由于缺乏在松藻发高瓦斯、突 出松软煤层打钻经验，松藻三口井均告失败。1 9 9 5 年晋城矿区进行抽采规模，并 初步实现了商业化产销用体系【7 j 。 9 0 年代以来，两淮在地面勘探和开采煤层气方面做了大量工作，并取得一定 的成绩，先后共施工了测试井1 6 口，其中：淮南9 口，淮北7 口( 其中一口井兼 作压裂井) ；压裂试生产井1 0 口，其中：淮南3 口，淮北7 口。“九五”国家重 点科技攻关项目，淮南新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究。 共施工最高产气量3 2 7 7 m 3 d ，平均单井日产气9 0 6 m 3 ( 时间较短) ；美国德士 古公司与中联煤层气有限公司合作( 淮北局参股) 煤层气项目。该项目共施工5 u i 先到压裂生产井，产气效果均不理想( 单井最高产气量为2 0 1 6 m 3 a ) 。在原 因分析结论取得共识的基础上，决定在先导井组附近再打两口新井，并采用清水 压裂，单井平均日产气在1 0 0 0 m 3 以下，单井最高日产气虽达2 0 0 0 m 3 以上，但与 6 第1 章绪论 美国的煤层气商业开发标准( 3 0 0 0 m 3 d ) 仍有较大差距。 两淮数口煤层气压裂试生产井，日产气均未达到美国煤层气商业开发标准， 其根本原因是由于煤层的特殊性，而导致煤层气开采比天然气开采增加了难点和 特殊性，主要表现在： 一是两淮煤田经历多次构造运动，一些煤层的原生结构遭到破坏，形成鳞片 状和粉末状的构造煤，煤的破坏类型一般为三至四类，导致煤层储层裂隙的一割 理系统复杂化，煤质软松，煤层渗透率低和压裂效果差。 二是两淮的多数煤层，透气性系数低，钻孔瓦斯流量衰减系数大，属较难抽 放煤层。导致煤层气的排采不能取得很好的产能。 三是两淮煤田的地应力较大，而且分布不均，地应力越大，煤层的压裂难度 一般也越大，越不利于煤层的压裂与煤层气排放。 四是煤层松软给钻井、固井、完井和压裂等造成困难。特别是在钻井和完井 过程中极易发生井壁坍塌、井漏、卡钻，甚至埋井等事故。 五是煤层松软破碎和高剪切应力使钻井极不稳定，为了安全钻穿煤层，采取 提高钻井和完井液的密度，即增加固相含量。增加固相含量又极易污染煤层，处 理十分困难。 综上可见，两淮利用地面钻井开采煤层，在采取压裂增气措施的条件下，地 面钻井的日产气量仍然达不到商业开采要求，要攻克技术难点，取得重大技术突 破，必须提出瓦斯抽采信理念。根据范德瓦斯的瓦斯吸附与解吸合开采保护层岩， 被保护层卸压膨胀产生“增透效应”和卸压煤层瓦斯解吸“增流效应”原理。通过采 空区考察和相似模型模拟试验，探索出瓦斯赋集、运移规律，采场岩移、裂隙发 育规律。在此基础上，把瓦斯治理、开采程序、采空区和采动区岩移和裂隙发育 规律，瓦斯赋集运移规律相结合，开创了地面钻井全局同时预抽采动区、采空区 瓦斯新技术【别。 1 3 卸压瓦斯抽采关键技术研究 1 - 3 1 瓦斯吸附与解吸原理 煤是多孔物质，瓦斯与含碳物质在压力下具有范德瓦尔力引起的气体和固体 之间的结合，所导致的吸附。一般认为煤与瓦斯为吸附、吸收和游离三种状态共 存并呈可逆性。瓦斯吸附于煤的微孔表面上和煤的粒子内部，占据着分子结构的 空位或分子之间的空间。在同一煤层条件下，吸附作用大小与瓦斯压力成j 下比， 7 - 第l 章绪论 压力小到一定程度即不吸附而转为游离释放( 解吸) 。在一定的煤体温度和瓦斯 压力条件下，其可逆反映如图所示。 ， 暑 劬科 名日 舔 旧 巡 蝼 图1 潘一矿1 3 1 煤层含炭物质的等温吸附瓦斯曲线图 f i g 1t h ec u r v eo fi s o t h e r m a la d s o r p t i o nm a t e r i a lc o n t a i n i n gc a r b o ng a si np a ny ic o a l 媒体吸附瓦斯的大小，是按照范德瓦尔吸附原理和朗格缪尔等温吸附方程进 行的。含碳物质的等温高压吸附，在达到一定的压力时，吸附趋于饱和状态，吸 附量为极限值。煤体含有大量瓦斯时，好似煤体膨胀在瓦斯中，在自由空间限定 的条件下，则产生应变和应力。根据实验室测定结果表明：煤吸附瓦斯后产生体 积膨胀，放出瓦斯后体积收缩1 2 j 。 1 3 2 采空区岩移规律 煤层群中一个煤层被开采厚，受采动影响，围岩发生不同程度的破坏和变形， 邻近层距开采层越近，卸压越充分增流效应越显著( 即卸压膨胀增透效应和瓦斯 卸压解吸增流效应越大) 。根据岩层的破坏程度与位移状态可把岩移划分为几个 带【9 1 。 煤层开采后对下部岩层也有一定影响，但与上覆岩层不同，一是没有跨落现 象，多为膨胀变形；二是，岩体膨胀的方向与其重力方向相反。由于膨胀变形， 导致煤、岩体由下而上逐渐产生变形带与裂隙带【l0 1 。见图2 - a 煤层顶板的煤岩在地应力作用下而产生冒落下沉。由于卸压膨胀，在层与层 之间产生垂直层面膨胀力，另外，由于岩性、岩厚不同，因而在下沉过程中产生 非均性的层间错动，由此导致层与层及层理之间出现岩层( 离层) 裂隙。部分岩 层在下沉过程中弯曲、断裂而形成垂直( 穿层) 裂隙，由于两类裂隙的产生和下 沉分布不均性，使部分岩层冒落部分岩层离层、断裂，部分岩层仅弯曲下沉。当 采空区上覆岩层运动趋于稳定后，可划分为“竖三带”、“横三区”。即沿采空区垂 直方向由下而上分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，沿采空区走向和倾斜方向分 为煤壁支撑区影响区、离层区和重新压实区【l 。见图2 - b 。 8 第1 章绪论 ( a ) 1 、弯曲变形带2 、裂隙带3 、冒落带 4 、裂隙带5 、变形带 ( b ) i 、冒落带 i i 、裂隙带 i i i 、弯曲下沉带 口、煤壁支撑影响角a 、煤壁支撑影响区 b 、离层区c 、重新压实区 图2 采空区岩移规律 f i g 2t h em o v e m e n to fg o o fr o c k = 1 3 3采空区上覆岩层位移相似材料模型模拟实验 根据采空区岩移规律，淮南矿业集团公司做了相似材料模型模拟实验，其目 的在于：应用理论分析，实验室材料相似材料模拟方法掌握在不同地质条件、不 同回采参数条件下的采空区上覆岩层，在不同高度处的岩层垂直和水平位移规律、 裂隙发育规律以及瓦斯运移规律；通过模型模拟结果，对地面钻井破坏力学机理 和瓦斯储运规律进行分析，提出地面钻井的合理位置( 即破坏程度较小，抽采瓦 斯效果最好的位置) ，分析抗拉、抗剪、抗弯的最大受力部位，提出避免钻井受 力而破坏的方法和技术措施1 1 2 j 。 综上得出了一下结论： 1 、采空区上覆岩层的水平位移和垂直下沉量，由采空区项板向上直至地面 逐渐减小，距采空区顶板越近的水平位移和垂直下沉量越大【l 3 1 。 2 、当回采工作面采至店面钻井位置前，采空区的上覆岩层开始向采面方向 水平位移，直至最大位移量停止；当采面推过地面钻井位置后，又转向相反方向 水平位移，直至最终稳定。沿工作面倾斜位于采空区中部的岩层，先背采面推进 方向水平位移达最大值后，然后能恢复到原始位置，由于岩层横向松散膨胀而稍 稍超过原始位置；而处于工作面倾向两侧煤柱附近岩层，其水平位移向采空区方 向水平位移达最大值后，不在向原始位置恢复。若岩层最大水平位移量超过钻井 直径，将造成钻井内套管被剪切错断或挤扁。水平位移量越靠近采空区顶板越大。 3 、才高越大，下沉量、水平位移和水平剪应力越大。工作面回采推进速度 - 9 第l 章绪论 越快，水平位移速度越快，对钻井的套管和筛管破坏性越强【1 4 】。 4 、采空区的上覆岩层，由下而上扩散式形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。 由于下层岩层先于上层岩层下沉( 下沉不同步) ，因而对地面钻井的工作套管和 筛管产生巨大的拉伸力。 5 、冒落带和裂隙带内，离层裂隙和竖向破断裂隙发育；在弯曲下沉带内， 以离层张性裂隙为主，竖向破断裂隙稀少。离层裂隙和竖向破断裂隙，是采空区 冒落带、裂隙带内瓦斯赋集区，也是抽采采空区( 近、中距离) 瓦斯的网络通道； 离层裂隙是弯曲下沉带内瓦斯赋集区，也是抽采远距离被保护层卸压煤层瓦斯的 通道。因此，近、中距离和远距离瓦斯抽采不属于同一类型。必须采取不同的抽 采技术措蒯1 5 】。 6 、采空区两侧煤柱附近岩层的最终水平位移量，要大于工作面采空区沿倾向 中部的岩层水平移动量。因此，地面钻井布井位置不宜选在采空区上、下煤柱附 近【1 6 1 。 1 4 岩移与钻井最大受力部位分析 由于预抽采动区卸压煤层瓦斯的地面钻井，在采面回采之前己施工结束，当 采面推至或过钻井位置时，其钻井的工作套管及筛管均处于采空区的上覆采动区 中，根据模型模拟实验的采空区上覆采动区的岩移规律，地表以下的钻井套管和 筛管，因受到采动岩移而产生弯曲、水平位移、剪切( 挤压) 和拉伸应力作用， 当应力大于套管和筛管的整体强度时，套管和筛管就可能产生破坏。筛管和套管 是地面钻井抽放瓦斯的采集器和唯一输送瓦斯通道。因此，套管和筛管是地面钻 井抽采瓦斯的关键技术，必须分析钻井的筛管和套管的最大受力部位，而后采取 有效技术措施，预防钻井的套管和筛管不被破坏【l 7 1 o l 、地面钻井流沙段套管最大受力部位分析 地面钻井的工作套管由地表向下，穿过巨厚流沙后进入基岩，就像一根杠杆 插入基岩内；杠杆的支点就在基岩面附近，流沙层越厚杠杆的力臂就越长，才高 越大，采速越快，地表的下沉速度就越快，由此导致地表流沙层下沉量增大，下 沉速度加快，流沙向采空区中部的下沉盆地中心流速加快。作用在杠杆上的推力 也增大，力矩也随之增大。当力矩增大到套管的极限强度时，套管就会弯曲甚至 被破坏。由于最大受力点在支点，即在流沙层与基岩的交接面处，该处应首先弯 曲破坏【1 8 j 。 2 、处于基岩段的钻井最大受力部位分析 1 0 第l 章绪论 根据相似材料模型试验，在采高2 5 m ，平均采速2 m d 的条件下，采空区顶 板不同高度处的岩层水平位移量：垂距为4 0 m 、6 0 m 、8 0 m 处，水平位移量分别 为1 5 6 m 、5 6 m 和2 0 m 。由此可见，由采空区项板向上8 0 m 范围内，岩层有明显 的水平位移量。距采空区顶板越近，岩层水平位移量越大，水平剪应力也越大， 如遇坚硬厚砂岩，剪应力更大；反之，水平位移量和水平剪应力也逐渐变小。 综上分析可知：采空区顶板向上l o o m 范围内，是地面钻井抽采筛管和套管受 水平剪应力的主要部位，也是筛管或套管被错断或挤扁的危险段【1 9 1 。 3 、抽放套管和筛管受岩层下沉拉力最大部位分析 采空区的上覆岩层卸压后，煤岩层膨胀，在岩层的层与层之间产生膨胀压力， 使岩层层间离层。另外，由于各层的岩性不同，各岩层膨胀率存在差异，在层与 层之间产生层间剪切应力，也使层间出现离层。已经离了层的岩层，在岩层间还 未出现脱离的条件下，上一层的岩层自重要由下一层的岩层支撑，位于最下层的 岩层要支撑上覆所有岩层的重力。所以，位于最下边的采空区顶板岩层，在上覆 所有岩层重力作用下，首先要向采空区空间下沉、弯曲，在下层与上层之间出现 相对脱离( 离层裂隙) 现象【2 们。下层脱离上层后，转由上层支撑上覆所有岩层重 力，依次逐步发展到基岩面直至表土层面( 地面) 。 这种由下往上的扩散式离层下沉，造成下层岩层下沉先于上层岩层的不同步 现象，如果遇到厚层大块坚硬砂岩，拉着套管一起下沉极有可能将套管拉断1 2 。 基岩以上至地表，在顾桥、丁集矿地表有4 0 0 6 0 0 m 的流沙层段，该段新地 层一般具有“三含、三隔”的特征。即三段粘土隔水层( 膨胀粘土层) ，在三隔之 间有三段含水层( 流沙层) ，由于膨胀粘土层膨胀力很大，往往抱着套管，在下、 上隔层下沉不同步时，往往拉断钻井瞄j 。 2 抗挤压破坏筛管结构没计 。2 抗挤压破坏筛管结构设计 ， 2 1 设计背景 淮南矿业集团为了有效地治理瓦斯，利用能源，申请了“地面钻井抽采采动 区、采空区卸压瓦斯方法”的发明专利。该专利具有抽采半径大、可抽采所有穿过 煤层的卸压瓦斯、工程费用低、无井下工程、不影响生产等优点。从专利实施效 果来看，单井最大产气量达4 0 0 万m 3 ，取得了良好的安全社会效益和经济效益。 但在专利实施过程中也发现，在大采高( 3 o m ) 、快速推进( 7 0m d ) 的工 作面，部分井出现抽气量突然减少等现象。通过探井发现，钻杆大多只能下放至 地面井下部筛管的上段【2 3 1 。这表明此处的筛管己产生了变形。 根据采煤工作面采后顶板冒落规律，在冒落带和裂隙带内，若有坚硬的厚砂 岩，则将产生砌体梁大面积下沉、弯曲和水平位移，从而通过弯曲、剪切、挤压 等应力形式作用于筛管，致使筛管断裂或压扁，过流面积减小。此时，筛管内的 水、煤泥不能顺畅地排入采空区，逐渐沉淀在筛管内，造成水位不断上升。当水 位达到抽采煤层时，随着水位的增高，产气量逐渐减小，直至断气。 为了解决这一难题，拟采取新的、具有抗挤压破坏能力的筛管结构形式，以 保证筛管的通畅。 受淮南矿业( 集团) 有限责任公司煤矿勘察设计院的委托，安徽理工大学机 械工程学院高压水射流研究所就如何从结构上增强筛管的抗挤压能力，提出几种 设计方案，论证如下。 2 2 可采取的筛管结构方案简介 可采取的筛管结构方案基本上有三种即：“外抗”型、“内抗”型和“让抗”型。 2 2 1 “外抗”型方案： 所谓“外抗”方法，即采取增加筛管整体强度( 如增大管径、增厚管壁、采用 高级别材料等) ，充分利用钢材的机械性能，抵抗岩层变动时作用在筛管上的各 种应力( 主要为弯曲、挤压和剪切应力) 。该方法的特点是：筛管结构较为简单， 抗弯曲和抗剪切能力增加，并且具有较大的筛管过流面积。但由于筛管仍然是薄 壁管，其抗挤压的能力增加较小，筛管易被冒落的岩块挤瘪。同时，若增大管径， 则钻井尺寸加大，工程费用将显著增加【2 4 j 。 1 2 2 抗挤压破坏筛管结构设计 2 2 2 “内抗”型方案： 所谓“内抗”方法，即采取在筛管内部增加“加强筋”的办法，使筛管内部具有 支撑作用，从而防止筛管被挤瘪