偏转法瓦斯抽放钻孔在层间的软、硬缝:一个案例研究在新郑煤矿,中国

文摘

煤炭和天然气的爆发会导致严重的煤矿灾害。钻孔的钻探predrain气体是一种有效的措施防止这类事故的发生。然而,由于复杂的地质情况,钻井轨迹往往偏离设计轨迹,导致可怜的天然气开采。解决瓦斯抽放钻孔偏斜的问题,一个层次分析法(AHP)模型建立了基于地质因素、技术因素和人为因素。AHP模型用于各种影响因素的权重,并结合钻井模型分析和工程实例。最后,结果表明,软、硬夹层的最重要的因素是影响钻孔的偏斜。岩石钻井模型主要是形成力量的影响。方位角的变化的规律性在钻井不明显当遇到层的角度小于临界值。当井眼倾斜向下,偏转角范围从0到4°,偏转的钻孔主要发生在岩层的接口。当遇到层的角度大于临界值,钻孔倾斜向上,- 6°的偏转角和挠度发生在岩石界面。 The trajectory curve obtained by theoretical predictions from field data is found to be consistent with that of an actual project.

1。介绍

煤炭和天然气的爆发会导致严重的灾难在煤矿1- - - - - -5]。为了应对这个问题,许多学者进行了相关研究岩石力学和气体流量6- - - - - -13]。目前,利用钻探钻孔predrain煤层气是一种常见的和有效的措施防止这类事故的发生14,15]。然而,柔软而outburst-prone煤层开采时,问题如埋钻、注水井,并把演习容易发生,与实际钻井轨迹往往偏离了轨迹设计(16,17]。这导致不合格的气体控制钻井施工不仅浪费时间,人力,材料,和财政资源,还严重影响瓦斯抽放效果。因此,有必要研究气体钻井的偏转法在软outburst-prone煤层18,19]。

针对钻孔偏斜的问题,高et al。20.]分析了钻头的横向渗透能力,不同于其轴向渗透能力。倾角和钻头侧向力的基于加权残余法决定。王等人。21)获得钻孔之间的接触特性,计算了动态对钻头侧向力,导致偏差控制机制基于运动稳定性和动态侧向力。高和郑22]研究了钻孔底部的形成特征的变化过程中空气钻井。大型空气钻井各向异性指数被发现导致更严重的偏差,和钻头牙齿的穿透深度的增加加剧这种偏差。莫林和主教练威尔肯斯23)报道,有些倾向于垂直于裂缝罢工在钻井过程中,用偏差对数描述井眼轨迹的三维空间。陈等人。24)提出了井筒模型形成一个非线性耦合的底部钻孔下组装完整的螺旋钻。刘等人。25)建立了一个线性弹性模型基于孔隙流体渗流井塌的失败和获得软煤层坍塌的衰减规律与气体渗流压力;煤层的基本力学参数和流体渗流和井眼轨迹的空间也进行了分析。等因素的影响钻井的井眼方位角的崩溃提供了理论支持,软岩层和煤层钻孔的挠度。

尽管上述研究覆盖研究法律和控制钻孔偏斜,由此产生的偏转法有些模糊,做出定性和定量的分析偏转法是不可能的。很少有人研究在天然气处理钻孔偏斜,这工作侧重于解决问题的瓦斯抽放的盲区,无法实现有效的瓦斯抽放。偏转法和气体处理钻孔的主要影响因素进行了分析,以及钻孔偏转轨迹方程确定。此外,偏转的大小之间的关系,确定主要影响因素。介绍了用层次分析法(AHP)的模型影响因素的权重进行排序,分析了钻井模型和工程实例。然后派生偏转法,允许有效的预测煤层气去实现。泵提供了一个强有力的保证预防煤和天然气爆发和气体溢出的发生,确保一定的研究基础和控制钻孔偏斜的汽油矿山和煤/瓦斯突出矿井。

2。钻孔偏斜影响因素

文献综述、实地调查表明,钻孔偏斜的主要影响因素在钻探天然气开采深度、岩性、岩石倾向,钻井速度、钻机性能和配套设施。这些影响因素可以分为三个方面:地质因素、技术因素和人为因素。

2.1。地质因素

钻孔偏斜的地质因素是客观原因。的主要地质因素是岩石各向异性、软弱夹层,和岩石的角度:(我)岩石各向异性。岩石各向异性有重要影响钻井方向和方法的选择。换句话说,岩石各向异性的程度决定了用于钻井的技术和技术的形成。(2)软弱夹层。软、硬夹层的原则影响钻井轨迹是,当钻井通过坚硬的岩石形成锐角,不同压力阻力的软岩和硬岩导致钻井的轨迹曲线沿着方向垂直于岩层。当进入软岩从坚硬的岩石,钻孔的钻探工具的轴将偏离正常的岩层。然而,井壁的岩性坚硬的岩石上面相对困难,这限制了井眼的钻井工具。最终结果是,井眼的轨迹基本上会抵消在原来的方向;当钻孔进入从软岩石坚硬的岩石,然后通过坚硬的岩石,最终结果仍然是一个抵消沿途的硬摇滚方面。(3)岩石的角度。在层片麻岩是发达国家和岩石角是急性,钻井轨迹将弯曲的方向垂直于层角。

2.2。技术因素

技术因素影响钻井过程的整个生命周期。的主要技术因素是设备安装、钻具结构、钻具重量:(我)设备安装。钻探地点和受限空间的不均匀基础意味着钻孔倾角通常小于必需的。此外,磁场的磁性设备将干扰指南针用于确定钻孔位置。这些因素会影响钻井轨迹。设备没有充分稳定时,设备将在钻井过程中来回摇摆,导致钻井轨迹偏差,产生严重的安全隐患。(2)钻井工具结构。钻具结构的影响钻井轨迹主要反映在钻井工具长度、井壁间隙、刚度和钻井工具。井壁间隙的大小和钻工具的长度确定的偏转角度钻的钻孔工具。当井壁差距增加或钻工具的长度减少,偏转角的钻孔的钻工具将会增加。更严格的钻井工具会经历更少的变形作用下的轴向压力,从而减少对钻井轨迹的影响。(3)自重的钻探工具。定向钻井过程中,主井眼钻井工具包括钻头、螺杆电机、非磁性降低管,探测管,非磁性上管、钻杆。随着钻孔深度的增加,钻杆的重量变得更重,对井眼轨迹的影响变得更大。

2.3。人为因素

人为因素确定钻井的效率。主要的人为因素是钻井方法,钻井过程参数,钻压(钻压)选择、钻井速度和选择:(我)钻进方法。有许多施工方法在煤矿地下开采。不同的钻探方法有不同特点的破碎岩石和井壁差距,最终影响钻井轨迹的偏差。目前的钻探方法包括冲击钻探、旋转钻探,冲击旋转钻井,振动钻井和混合钻探。采用合理的开采方法的条件可以有效地控制钻孔轨迹,提高钻井效率。(2)钻井过程参数。钻井参数对钻孔轨迹的影响主要反映在协调钻井压力和钻井速度。如果钻机的钻井压力太大,会导致井眼的钻井工具弯曲,和钻头将井壁的偏向一边。优化处理和合理协调钻井压力和钻井速度可以有效地降低钻井轨迹的偏差。(3)钻压选择。钻井压力过高时,将过度和刀具切削体积将成为完全埋在岩层。同时,冷却和粉放电条件的底部钻孔恶化,和增加钻头的磨损,使钻井少有效。钻重量的选择取决于岩石研磨,可钻性,粒子大小、数量、等级、下唇的金刚石钻头,和其他因素。(iv)钻井速度的选择。转速是影响钻井效率的主要方面。严格控制钻杆的钻井速度,实现更多的研磨和更少的进步提高了钻井合格率。柔软和更少的砂岩石,钻井速度可以通过增加转速增加;硬和研磨岩石,转速过高不仅降低了钻井效果,也损害了钻井发展的过程。在选择钻井速度、钻头类型、冲洗液(有或没有润滑剂),钻井平台的能力,钻柱的强度和刀具也应该考虑,适当的速度应该通过综合分析来确定。

3所示。层次分析法模型

层次分析法(26,27)是一种有效的方法将semiqualitative和半定量的问题转化为定量系统。它适用于系统与复杂的评价结构。层次分析法的基本原理和主要步骤如下:首先,根据实际的场景的特点,问题是分解一层一层地,和总体目标的层次分析法结构模型,建立了层次目标;第二,低级目标的判断矩阵构造更高层次的目标,和相同级别的评价指标比较成对计算权重值相对于更高层次的目标(层次单排序表)。最后,结果结合总目标重量值获得总排序表。

3.1。建立层次分析法模型

从内部和外部原因和确定挠度考虑定量因素的可操作性,选择地质因素(U₁),技术因素(U₂)和人为因素(U₃)被纳入了AHP模型。具体地说,拟议的AHP模型考虑了岩石各向异性(U₁₁)、软硬互层的层(U₁₂),床上用品(角U₁₃),设备安装(U₂₁),钻井工具结构(U₂₂),重量的钻工具(U₂₃),钻井方法(U_31日),钻井参数(U₃₂),钻压(U₃₃)和钻速的选择(U₃₄),总共10个影响因子。提出了层次分析法的结构模型如图1。

3.2。确定的重量

根据上面描述的AHP模型,判断矩阵的第二和第三级目标是使用1 - 9尺度方法构造。结合实际经验,这使得各影响因子的权重值在每个判断矩阵计算(表1- - - - - -4)。最后,第三个的重量值增加从底部和二级目标,总目标和结果进一步合成来获得每个影响因素的总重量排名(28,29日]。(我)确定每一层的判断矩阵。每个标准层的基础上,建立了从比较每一对元素结果表,每一层的判断矩阵与下一个被从表中获得1- - - - - -4。结果如下:(一)判断矩阵一个_z准则层对目标层Z(30.]: (b)判断矩阵一个_U1指标层和标准层之间Z: (c)判断矩阵一个_U2指标层和标准层之间U₂: (d)判断矩阵非盟₃指标层和标准层之间U₃: (2)计算重要性排名。根据判断矩阵的最大特征值对应的特征向量可以用下面的方程,计算是判断矩阵和特征向量是归一化形成各个评价因子的重要性的顺序,也就是说,重量分配: 用平方根方法解这个方程,我们计算判断矩阵对于每一行元素的乘积米然后计算立方根的米_我。向量 是归一化 ,以及由此产生的 特征向量。根据上述步骤,判断矩阵的特征向量一个_z可以计算为(0.606,0.265,0.129)。(3)一致性测试。确定重量分布合理,判断矩阵的一致性需要测试使用以下表达式: CR一致性指数,CI是随机一致性比率的判断矩阵,RI平均一致性判断矩阵的指数,然后呢N判断矩阵的顺序;的RI值判断矩阵,有序的从1 - 9,展示在表5。计算判断矩阵的最大特征值和转换 在哪里代表了我th元素 ,判断矩阵的顺序n= 3。 已知的数据表5代入方程(3)和最大特征值计算;在这种情况下,Max = 3.03。如表所示6国际扶轮= 0.58和CR = 0.025 < 0.1。这表明该判断矩阵具有满意的一致性,所以每个组件 可以用来作为权重系数。同样,第二级集可以计算重量:CR1 Max = 3.01 = 0.01 < 0.1, Max = 3.08, CR2 = 0.060 < 0.1, Max = 4.06, CR3 = 0.02 < 0.1。(iv)计算每层对目标层的组合权重。每个元素的合成权重到目标层是指综合各因素的相对权重的每个目标层判断矩阵(上层)。这个重量计算使用自顶向下的方法,也就是说,分层技术合成。复合重量和总排名列在表中6。(v)整体排名一致性比例如下: 因此,层次的总排序结果满足一致性要求。

4所示。现场试验

4.1。测试网站的概述

14205工作面新郑煤电有限公司有限公司是一个平面的地面高程+ 134.9 - 137.2米。工作面海拔范围从152.0−−193.0米,工作面斜率是187米,罢工的长度是668米,煤层倾角是划分°。煤厚度是0.5 -12米,底部离煤层巷道是12 - 15米。现场调查表明,矿区主要是用于钻井现场的初始阶段,和气体控制井眼钻在巷道壁在稍后的阶段。网站布局如图2。

4.2。测试结果

共有421套钻孔倾角数据bottom-draining站点收集14205年的道路。前角的变化(θ)和方位角(α每个钻孔部分归纳在表格的)7。由于大量的钻孔数据,并不是所有的数据可以被列在这里。但是请注意,顶角和方位角变化在81.9%的情况下;即偏差发生在大多数钻井过程。(我)方位的变化。图3显示了水井40-53的方位角的变化关系图。总体上方位角变化的一般特征如下。在钻井过程中,方位角的身体表现出不断增加的趋势。一半的病例是向左倾斜偏转角的0°,和另一半是向右倾斜偏转角的0 - 1.7°,总体增加的趋势。(2)倾角的变化。根据实地调查所收集的数据14205年网站底部巷巷道,钻探区是石灰岩的主要成分(l7和l8)、砂质泥岩和2 - 1煤层。的l7石灰石l8石灰岩最伟大的力量,单轴抗压强度约62.0 - -62.3 MPa。砂质泥岩相对较弱,与单轴抗压强度一般在19.0 - -42.3 MPa。因此,14205年网站底部巷巷道,钻探开采从上面将涉及钻井通过软硬互层结构。(一)当遇到层的角度小于临界值。使用SPSS数据平台对现场数据进行排序,关键的角被发现25至35°。图4显示,当遇到层的角度小于临界值,整体向下偏转的钻孔是0到4°和整体偏移量从1到6.1米(3.0米)的平均水平。当遇到层的角度小于临界值,垂直方向的偏移量更大更深的水井。垂直位移会增加钻孔的程度,所以逐渐远离井眼轨迹设计轨迹(图5)。井眼轨迹偏转的条件与地质模型区域对应变化l8石灰石在图6。相对柔软砂质泥岩产生小偏差钻井时,而通过岩石钻探l8石灰石产生很大的偏差。“soft-hard-soft”岩层意味着有必要钻之间通过接口硬岩和软岩。当遇到层的角度小于临界角,导致向下偏转的主要力量。(b)当遇到层的角度大于临界值。当遇到层的角度大于临界值,数字7和8显示有一个整体向上偏转,钻偏转角的0 - 6°和整体偏移1 - 7.2米(4.1米)的平均水平。垂直方向的抵消由于层的角度大于临界值的增长随着钻孔变得更深。因此,在多大程度上倾斜钻孔轨迹,偏移量逐渐增加。钻孔偏斜而地质模型图对应l8石灰石在图9。砂质泥岩诱发小偏差,而通过钻探l8石灰石产生明显的变形量。通过“soft-hard-soft”当钻井岩石界面,如果遇到层的角度大于临界角,合力主要向坚硬的岩石界面,所以主要的偏转是向上的。

4.3。测斜仪轨迹拟合和预测

从岩石取心钻井轨迹数据收集在这项研究中,建立了井眼轨迹非线性回归方程。散点图的轨迹如图10。

最终的拟合结果如下:

综合分析、理论分析和预测模型具有良好的一致性。因此,该方法可以充分代表了偏转在钻井的过程中,允许在钻井过程中实现可调控制。

5。结论

对瓦斯抽放钻孔偏斜的问题,建立了层次分析法模型对各种影响因素的权重,并分析结合钻井模型和工程实例。从本研究的主要结论如下:(1)软、硬夹层影响瓦斯抽放钻孔偏斜的因素至关重要。(2)在钻井过程中,当有软、硬夹层接口,关键钻孔倾角范围从25到35°。倾角大于临界角时,倾角通常向上偏转- 6°角,和钻孔偏斜主要发生在岩石层界面。当遇到层的角度小于临界值,整个钻探角度向下偏转,倾斜角从0到4°。(3)预测的理论模型和现场数据轨迹曲线相一致,使钻井过程的初步控制。这提供了一种新的思维方式对钻孔偏斜治理。

数据可用性

所有数据、模型或代码生成或通讯作者在研究过程中可以从使用要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(52074120),项目河南省高校科技创新人才(19 hastit047),河南省和科技项目(182102310012)。这种支持。

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