强胶结砂砾岩地层钻井提速关键技术研究及应用

针对强胶结砂砾岩地层钻井过程中面临的岩石可钻性差、研磨性强、单只钻头进尺少,五段制轨道降斜段施工摩阻扭矩大、时效低等诸多技术难题,从高效PDC钻头研制、五段制轨迹高效控制及配套提速工具应用等方面着手,研究形成了适合强胶结砂砾岩地层钻井提速的关键技术,并在胜利油田盐222区块成功应用,大幅度提高了钻井机械钻速,钻井周期由初期的60d缩短至30d左右,取得了良好的现场应用效果,为强胶结砂砾岩油藏的高效开发提供了有效技术保障。     

提速工具配套钻头的优化改进

近年来,提速工具发展迅速,在深部难钻地层取得了很好的应用效果,但配合工具使用的钻头在深部地层易出现钻头损坏.为提高提速工具配套钻头使用寿命,从冠部曲线、布齿、复合片优选等方面对其进行优化改进,使其更契合提速工具的工作特点,进一步提高单趟钻进尺和机械钻速,以满足深井钻井提速和降低钻井成本的需要.     

弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层,富水性弱,但多个工作面回采期间发生突水,查明突水机制是矿井水害防治的关键。通过水文地质特征分析,阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征。采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射、X衍射试验等方法,获得了顶板隔水层岩石物理力学性质。基于关键层理论分析、导水裂隙带与采动富水异常区层位关系及相似模拟试验成果,建立了4种条件下巨厚砂砾岩含水层突水的水文地质结构模型,揭示了砂砾岩含水层不同条件下的突水机制,并明确了研究区突水点的突水机制,提出了隔水保护层失稳导致突水的工程判据。研究结果表明：研究区东部局部区域含水层富水性中等,以往多次突水均发生在弱富水区;砂砾岩含水层下顶板泥岩中黏土矿物含量达到59.6%,亲水性强,具有良好的隔水作用;但在采动作用下顶板隔水层岩体卸压后强度降低,厚度较薄时,受上部岩层载荷和采动富水区静水压力作用易发生破坏,成为良好导水通道;砂砾岩含水层物理力学性质特殊,采动扰动后孔隙裂隙发育,形成了富水变化异常区;弱胶结砂砾岩突水的强度与下部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关;研究区弱胶结砂砾岩发生突水的工程判据为...     

弱胶结软岩地层中煤巷支护技术研究

查干淖尔一号矿井的主要巷道设在2号煤层中,为中生代白垩纪地层,成岩年代较晚,岩层胶结性较差,煤层顶、底板主要以泥岩、砂质泥岩为主,为典型的弱胶结软弱围岩巷道。针对该类软岩的特点,确定一次高强、均匀让压,先柔后刚、柔让适度;二次强刚、阻抗防水,强化围岩、整体稳定的支护理念,在全煤巷道采用锚索+U36浅底拱型钢棚+锚注+底板抗阻锚索束加固方案,取得了良好的支护效果。     

弱胶结砂砾岩含水层下安全开采水害防治技术研究

为了解决煤层开采顶板弱胶结砂砾岩含水层带来的水害威胁问题,提出了“综合探查、提前疏放、采前评价”的综合防治技术体系,并对新疆某矿21105工作面进行了综合防治研究。研究结果表明,21105工作面疏放水效果明显,但仍存在溃水溃砂风险区,且排水系统薄弱,从防治水角度暂不具备回采条件。     

弱胶结软岩地层马头门稳定性分析

本文对影响马头门稳定性的因素及其作用方式进行了研究,认为开挖使围岩应力重分布并引起围岩的力学软化是首要因素;围岩的吸水软化性是重要因素;其他仅影响马头门局部稳定性的为次要因素。文中通过采用数值分析的方法对开挖后围岩的力学软化进行了研究,马头门右侧硐室底部、左侧硐室两帮、马头门与井筒相贯线位置以及井筒上下一定高度范围内的围岩破坏严重,最大竖向位移值的为相贯线位置,其次为马头门右侧硐室底部;通过现场观测分析可知,开挖之初围岩主要发生力学软化,塑性位移增长速率大,同时伴随着岩体完整性的降低,锚索支护能对抑制围岩内应力软化的扩展有较好的效果。     

弱胶结地层重复采动覆岩渗透性演化规律研究

为研究西部地区弱胶结地层煤层群开采过程中覆岩渗透性演化规律,以伊犁矿区伊新煤业开采地质条件为基础,通过构建弱胶结采动地层数值计算模型,分析了重复开采扰动下弱胶结煤系地层覆岩的应力分布特征、塑性破坏区发育及渗透性演化规律。结果表明：近距离上位煤层开采时,采动支承压力峰值的应力集中系数达到1.81,采空区覆岩最大拉应力值达到0.9MPa;上位煤层工作面推进距离达到300 m时,采空区上行破坏区和下行破坏区相互导通;重复开采扰动下,弱胶结地层采动覆岩的孔隙压力大幅下降,采动渗流场呈现采空区四周渗流速度大于采空区中部渗流速度、采空区煤壁侧的渗流速度大于两侧和切眼侧渗流速度,当上行和下行破坏区连通时渗流速度大幅增大;近距离下位煤层开采,当煤层间岩层破坏区初次贯通时,上下煤层间岩层形成中间渗流速度大、两边渗流速度小的扇形渗流场,随着工作面持续推进,最大渗流速度位于工作面前方。     

弱胶结软岩地层相邻大断面巷道合理间距研究

基于相邻巷道开挖扰动和爆破振动对已有巷道影响的理论分析, 推导了相邻大断面巷道合理间距的确定公式。以麦垛山马头门硐室与主变电所巷道间距设计为依托, 利用数值方法计算变间距多个模型的开挖扰动影响, 以确定其巷道间距。研究结果表明, 麦垛山马头门硐室与主变电所巷道间距的理论计算值应不低于36.6 m;数值分析发现当巷道间距为40 m时, 马头门硐室与主变电所巷道中间围岩的应力场已接近原岩应力, 巷道围岩位移场与塑性区基本趋于对称稳定, 马头门硐室支护荷载与未受影响前基本一致。利用上述研究成果, 综合现场施工状况, 最终确定其间距为40 m。工程施工后硐室与巷道稳定, 验证了在软岩地层中该巷道间距设计的科学合理性。     

弱胶结砂砾层水平注浆细观模拟研究

为从细观角度分析弱胶结砂砾层水平渗透注浆过程,利用颗粒流软件建立水平注浆数值计算模型,基于正交试验和单因素试验,研究浆液黏度、注浆压力、注浆时间3个因素对浆液扩散半径和试样孔隙率的影响规律。使用回归分析方法拟合公式,得到扩散半径与3个因素之间的关系。模拟结果表明：浆液扩散半径与注浆时间、注浆压力呈正相关关系,与浆液黏度呈负相关关系,对扩散半径影响最为显著的因素是浆液黏度,其次是注浆压力和注浆时间;浆液扩散速度随时间递减,在注浆压力1.0 MPa工况下,注浆时间0.15 h浆液扩散速度为3.44 m/h,至3 h减小到0.32 m/h;试样孔隙率随注浆时间、注浆压力的增大而增大,随浆液黏度的增大而减小;花管同时注浆与单孔顺序注浆相比,在相同时间下浆液扩散范围更大,浆液扩散为一个整体。通过对比工程实例,发现利用颗粒流数值模拟结果能够较准确反映出砂砾层渗透注浆的一般扩散规律。     

地层含水率对弱胶结软岩巷道围岩稳定性影响

针对弱胶结软岩的力学性能受含水率影响大,以及在弱胶结地层中开挖巷道后围岩变形大的特点,以内蒙古五间房西一矿为工程背景,基于弱胶结软岩的室内力学试验、XRD矿物衍射分析和液塑限联合测定结果,建立五组不同含水率地层的数值仿真模型,分析弱胶结地层含水率分别为2%、5%、10%、15%和18%时开挖巷道后的围岩稳定性。研究结果表明：当地层含水率较低(≤5%)时,围岩塑性厚度和塑性区体积几乎没有变化,随着地层含水率的增加,围岩塑性厚度和塑性区体积近似呈线性增加;弱胶结地层中巷道围岩的最大变形发生在顶底板,往巷道两帮走,变形逐渐降低,围岩变形随着地层含水率的增加近似呈线性递增,但围岩的主要变形区间受地层含水率的影响不明显。     

伊犁四矿浅埋深弱胶结砂砾岩顶板水害防治技术研究

以伊犁四矿为背景,通过理论分析、现场实践等手段对浅埋深弱胶结砂砾岩顶板水害防治技术进行研究.结果表明:工作面发生突水溃沙需要同时满足水沙溃涌的物质基础和存在水沙流动的通道.对溃水溃砂风险和工作面排水系统进行评价,认为工作面局部区域仍存在溃水溃砂风险,且排水系统不够完善.矿山进一步疏放砂砾岩含水层的同时,需加强排水系统建...     

弱胶结软岩巷道围岩稳定性研究

内蒙古鲁新煤矿地处内蒙古中东部,围岩主要为砂质泥岩,其典型特征为胶结性差、抗压强度低、软化性强,该类型围岩在陕蒙地区煤矿建设有典型性。为了评判开挖后巷道围岩的稳定性及支护体系的长期安全,需要确定围岩岩体力学参数和初始应力场。首先运用通过多种现代室内实验和原位测量方法,确定该地区软岩物理力学参数和初始应力场分布。然后根据现场初始地应力的实测值模拟分析巷道开挖后产生的围岩位移,巷道开挖完成后的围岩位移的实际监测结果与模拟位移值的一致性表明,试验确定的围岩物理力学参数和初始应力场分布与实际情况是相符,可为后续巷道、采区的合理化布置与支护结构设计提供基础数据,有效地指导了巷道开挖施工。     

弱胶结软岩巷道支护技术研究

查干淖尔矿辅运大巷、回风大巷变形严重,属弱胶结软岩巷道。由于巷道原支护结构破坏严重,根据现有巷道具体情况,通过优化支护参数,应用软岩非线性大变形理论,提出了弱胶结软岩地层中全岩巷道的支护方案。针对弱胶结软岩的工程特性,水对弱胶结软岩岩性的重要影响,设计了在富水条件下的施工方法,并结合现场监测数据验证了支护方案的合理性。     

弱胶结软岩巷道断面形式及支护优化研究

为研究弱胶结软岩巷道最佳断面结构形式及相应支护措施,以新疆伊犁四矿区弱胶结软岩巷道为工程背景,对巷道断面形式多样、支护措施难以确定的特殊工况进行探究。结合FLAC3D数值软件,分析复杂地质条件下不同断面形式及相应支护措施下弱胶结软岩巷道的围岩变形及塑性区发展规律。研究表明:弱胶结软岩巷道中不同断面形式的选取对巷道围岩变形及塑性区分布有较大影响,其中矩形巷道围岩变形最为严重;对比五种断面形式的围岩变形量及塑性区分布范围,选定马蹄形断面进一步分析不同支护措施下巷道围岩的变形特征及塑性区发展规律,并与现场监测结果对比分析,提出适用于弱胶结软岩巷道的支护方式,即"二次锚网喷+预应力锚索"支护。     

弱胶结软岩地层煤矿立井全深冻结次生水害防治技术

全深冻结法凿井技术在解决西部富水弱胶结软岩地层井筒施工难题的同时,面临井筒次生水害的严峻挑战。钻孔环形空间水害和井筒井壁水害两类全深冻结井筒水害,极易造成重大经济损失,影响矿井建设和生产安全。结合大海则、葫芦素、红庆梁、胡家河、门克庆等西部矿区煤矿井筒冻结工程实际,介绍了全深冻结井筒次生水害防治技术,对西部矿区全深冻结井筒水害防治具有借鉴意义。     

弱胶结软岩回风巷支护技术研究

文中以某矿三层煤主回风巷为研究对象,结合弱胶结易风化的特点,提出加大支护强度、主动与被动让压相结合、帮部加强支护等具体措施对软岩巷道进行治理。为了验证支护效果,文中结合FLAC3D数值模拟,对巷道围岩变形进行验证,研究结果表明,新的支护方案能够有效较小围岩的位移及应力变形,是一种有效的支护方式,也为类似巷道支护提供借鉴。     

弱胶结极软岩巷道围岩控制技术研究

针对西一矿东一回风大巷弱胶结极软岩煤层巷道支护的技术难题,通过对该巷道地质条件分析、巷道变形破坏特征分析,提出了极软岩弱胶结巷道围岩控制机理。通过ANSYS、FLAC3D数值模拟及理论计算,提出了"16#工字钢棚+二次挂网+二次喷浆+底梁浇注"的联合支护方案。工程实践表明,该条巷道围岩得到了有效控制,保障了煤矿的安全生产。     

弱胶结软岩巷道底鼓变形机理及控制技术研究

以营盘壕煤炭煤业21103工作面巷道为研究背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测等手段,对弱胶结软岩巷道底鼓变形机理进行研究,得出影响巷道围岩变形的影响因素,提出连续抗滑桩支护的新方式,用以控制巷道底鼓,并对该支护方式进行实际论证。     

弱胶结地层大采高工作面覆岩“两带”发育高度研究

弱胶结岩体遇水易软化劣化,采用传统的地面和井下钻孔注水观测、钻孔电视观测难以准确的判断垮落带和导水裂隙带的界限,且钻孔易塌孔,钻孔电视成像较为模糊。以新上海一号煤矿为例,通过崩解试验和不同含水率下岩石力学测试,得出泥岩遇水泥化、砂岩遇水崩解,且强度随含水率的增大而降低;泥岩饱和单轴抗压强度大多数小于20MPa,砂岩单轴抗压强度0～70MPa不等,覆岩类型划分为中等;采用分布式光纤和并行电法等手段,15煤垮落带、导水裂隙带发育高度分别为46.7m、75m,垮采比为12.62,裂采比为20.27,并与数值模拟结果和经验公式进行对比,垮落带实测值较预计值大,导水裂隙带较实测值较数值模拟结果相对较大,与经验预计值相对偏小。研究结果可为类似矿井提供数据参考,也为弱胶结松软地层覆岩破坏提供技术监测手段。