煤层气裸眼洞穴完井造成的应力集中带与煤粉产出的关系_王庆伟.pdf

第41卷第6期 2013年12月 文章编号l001-1986201306-0035-03 煤田地质与勘探 COALGEOLOGY 2.中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083; 3.中国煤炭地质总局，北京100039 摘要通过对煤层气洞穴完井周围应力分布特征分析，基于弹性理论基础，建立了极限平衡方程， 进而推出因造穴而产生的应力集中带峰值点至洞穴壁的距离R.从材料力学理论和施工作业统计 观测实据出友，解释了煤层气洞穴井中应力集中带R值与煤粉产出量之间的关系即同等地质环 境下，煤层气开采地质参数若无大的差异时，则煤层气裸眼洞穴完井煤粉产出量的多少与应力集 中峰值点距井壁值R的绝对值大小呈正相关关系．由此证实了“应力状态改变导致煤基质破裂是煤 粉产生的可能原因”，该认识对于煤层气工业生产具有一定的实际意义． 关键词煤层气井；煤粉产出；裸眼洞穴完井；应力集中带 中图分类号P618.13文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-l 986.2013.06.009 Relationship between the stress-concentrated zone caused by cavity-completed wells and the coal powder output WANG Qingwei口气CAODaiyong1, WANG Tong2 I. China Chemical Geology and Mine Bureau, Beijing I 00013, China; 2. College of Geoscience 3. China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China Abstract Based on the elasticity theory and analyzing the characteristics of stress distribution near the cav- ity-completed wells, the paper establishes the limit equilibrium equation, then deduces the “R”which says the dis- tance between the sidewall of the cavity-completed wells and the peak stress. The relation between the stress-concentrated zone caused by cavity-completed wells and the coal powder output is concluded by means of the theory of mechanics of materials and the statistical observations of construction records, the conclusions are as follows the relationship is positive between the output amount of coal powder and the distance of the peak stress caused by cavity-completed wells if there is not big difference in conditions of the geological environment and the CBM geological parameters. The conclusion confirms that the coal powder may be produced if the original stress state changes. It has certain practical significance to CBM industrial production. Key words CBM wells; coal powder output; cavity-completed wells; stress -concentrated zone 我国是世界上煤炭生产和消费大国，埋深2000m 以浅煤层气地质资源量约36.81万亿m3[1J，煤层气 资源、储量非常丰富。煤层渗透率低是制约煤层气开 发效率的最大因素［2-7）。当前，国内外主要采用裸眼 洞穴完井、水力压裂改造、多元气体驱替和定向羽 状水平钻井等技术来提高渗透率［ι14），其中裸眼洞 穴完井成本最低。国外煤层气开发经验表明，裸眼 洞穴完井不仅能够增强钻孔和储层的连通性，而且 收稿日期2012-09-23 煤层裂隙也会被诱导张开，在井筒周围可形成大范 围的渗透率增强带［2,15-16）。 然则，据材料力学计算，当物体内部有孔洞、 缺口或微弱裂隙存在时，会在该处产生应力集中［17）。 当应力超过煤岩体的强度时，煤岩体出现塑性破坏， 应力向周边转移直至达到新的平衡[18）。由于煤岩体 的低杨氏模量和高泊松比性质［19），在原岩应力场平 衡破坏至新平衡产生过程中，应力状态改变导致煤 基金项目国家科技重大专项课题（201IZX05038-001）；国家自然科学基金项目（41272181 作者简介王庆伟（1982一），男，河南周口人，工程师，博士研究生，从事煤层气勘探与开发科研工作． ChaoXing 36 煤田地质与勘探第41卷 基质破裂是煤粉产生的可能原因（20］。这种应力集中 带与煤粉的关系至今鲜有文献报道，因而进行这方 面研究具有先导意义，且对于煤层气工业生产也具 有一定的实际意义。 1 理论基础 1.1 应力集中带与煤粉产出的关系 所有材料在应力的作用下均发生变形［21］。若张 力方向与先存断裂面垂直，则在该破裂面的两端产 生应力集中区（17）。煤层气裸眼洞穴成形之时，原岩 应力场平衡被破坏致使煤岩层压力场重新分布，垂 直作用于洞穴之上的应力就会发生改变，并被部分 地转移到洞穴的壁面，在煤层中形成了指向洞穴的 单向负荷，引起媒体因缺乏支撑而向洞穴中移动。 这种影响向煤层内不断延续，可以扩展到洞穴周围 数十米半径范围。 煤是一种低强度材料（低杨氏模量和高泊松 比t9,22］，也即具有流变特性［22］。由于在煤层中造穴， 形成卸压区，从而使媒体进入流变阶段[16］，因此完 井时必定形成一个应力集中带。在应力集中作用下， 从稳定流变阶段进人加速破坏的失稳流变阶段，或 由于前方煤体的侧向应力，从而煤岩的弹性自调节 效应可能导致煤粉的产生。而随着向岩体深部发展， 应力状态由单向应力状态向双向应力状态转变，其 抗压强度逐渐增加，直到某一半径R（笔者目的之一 就是为盘化这个R值）处岩体又处于弹性状态。且当 煤储层存在补给边界或越流补给时，随着抽水时间 的延续，最终形成稳定的压力降落漏斗（23刊，即被 称之为漏斗区域，其降落压力与应力带相叠加，用 经典力学理论推知［17,21］必有尖峰压力产生。故，煤 粉与应力带之间的相关性就有了力学原因的解释。 1.2 方程式推演 通常而言，多数学者将煤层气裸眼洞穴视为椭 圆形孔（25-26］，依据弹性理论来导出切向应力及径向 应力的表达式，这对分析井筒周围的应力分布具有 一定的指导意义。这里仍沿用此方法（图1），在极限 平衡区内任取一单元体，其受力状态见图2，由此 即可建立极限平衡方程（25-26 m（σxdσx-mσx-2σyJdx 0 1 式中σx为横向应力，即地层应力；σy为纵向应力 （地层压力）；m为煤厚；f为层面间的摩擦系数，一 般取0.3;x为媒体内某点距洞穴的距离。 根据极限平衡区的条件有 σv Re＋严旦σx2 ’1-Slll I 式中Re为煤体的单轴抗压强度；为煤体内摩擦角。 y x 图l洞穴井周围极限平衡区应力状态 Fig. I The stress state of the limit equilibrium zone in cav- ity-completed wells 制 UHhtt’ ATIlt - a’ lEB B - mT, dx} 图2洞穴井周围极限平衡区单元体应力状态 Fig. 2 The unit body stress state of the limit equilibrium zone in cavity-completed wells 由式（1）和式（2）可导出支承压力巧的表达式 2主，坚坐壁、 σy Noe m 1才回币’3 式中的为煤体的残余强度，可在实验室测定。 式（3）中令σykyHk为调整系数，取值为1; y为上覆地层岩体密度；H为开采深度），即可得出 应力集中带峰值点至洞穴壁的距离R为 ml-sin,p R h一一一4 2/lsin,p N0 2 实例分析 面积在数平方公里到数十平方公里范围内的井 田，内部不存在明显边界，是一个相对完整的岩体（191, 其区块内煤层气开采地质参数也必然无大的差异， 在此基础上所测得实验数据必定具有科学对比性。 为此，选取3口临近（相距约5km）煤层气裸眼洞穴 井，该3口井位于沁水盆地某区块，各孔地质参数 如表l。 表1沁水盆地某区块3口井基础参数表 Table.I Basic parameters of3 wells in a block of Qinsbui basin 内摩擦角储层压力 媒体残余 煤厚 井号 ／（。）/MPa 强度 Im /MPa Z-1 15 2.31 56.5 6 P-2 3 3.28 64.3 10 P-3 3 3.88 61.3 8 ChaoXing [6］何伟钢，唐书恒，谢晓东．地应力对煤层渗透性的影响［巧．辽 宁工程技术大学学报，2000,194 353-355. 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