煤與油氣協調開采物理相似模擬研究

吳 俊 ，馬衍坤 ，張 通 ，劉 洋 ，楊 鑫 ，毛鈞林 ，朱 敏 ，周國梁 ，謝志爭 ，王鳴超

（1.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.合肥綜合性國家科學中心 能源研究院（安徽省能源實驗室），安徽 合肥 230031；3.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

鄂爾多斯盆地礦產資源種類多，儲量大，擁有豐富的石油、天然氣、煤炭、煤層氣等能源資源，是我國重要的能源基地，但煤礦重疊情況比較普遍，目前包括大牛地、杭錦旗等9 個區塊，當中有5 個區塊都存在不同程度的重疊，大量的資源存在著較大的安全隱患[1-3]。之所以目前尚未出現煤油同一疊置區內密集開發利用的先例，是由于在煤與油氣資源協調開采過程中，往往2 種資源的開采會相互產生擾動，煤炭開采造成采空區附近巖層運移破斷進而誘發油氣井筒及油氣圈閉層穩定性的失衡，而油氣井筒的損傷破壞則會導致油氣大量泄露至采煤工作面，危及人員作業與生命安全；而石油開采井及相應管網線布設干擾煤層正?；夭?，造成油氣開采與工作面回采發生沖突[4-9]。因此，破解煤與油氣協調開采難題勢在必行。

從國內外研究現狀來看，專家學者針對煤與油氣協調開采問題上的研究并不多。袁亮等[10-12]首先提出煤及共伴生資源精準開采的科學構想，為煤與油氣資源協調開采的現階段問題與未來研究方向展開了相應的梳理與規劃；梁順等[13-14]針對賓夕法尼亞州西南部地區長壁開采區內垂直頁巖氣井的穩定性進行了系統性的研究；劉穎凱[15]以寧夏雙馬煤礦為例，對廢棄石油井內高壓毒害油層氣在周圍煤層擴散滲流規律進行了研究；張健[16]以子長礦區為例，提出根據在當地煤與油氣資源各自所占權重進行“保油采煤”或“保煤采油”的開采思路。由于我國煤與油氣資源協調開發研究仍處于起步階段，需結合多手段方法開展深入研究。

相似模擬實驗可以較為直觀的反應開采擾動巖體的采動力學響應特征和覆巖結構的運移規律，是研究煤油氣協調開采采動覆巖協同響應規律的有效方法[17-19]。為此，以陜北部氣田與鄂爾多斯盆地內某井田南部煤與油氣層疊區為研究對象，依據相似模擬試驗方法與理論，采用“先油氣后煤炭”的開采工序，分析煤與油氣開采過程中覆巖應力演化、巖層運移、井筒穩定性，揭示煤與油氣協調開采中相互擾動特征及井筒破壞規律，為煤與油氣安全高效開采提供基礎理論支撐。

1 物理模型

1.1 相似模擬試驗裝置和相似材料及相似比

試驗采用尺寸：1 500 mm×1 000 mm×200 mm（長×高×寬）的二維相似模擬裝置。模擬巖層為煤與油氣疊置賦存地層，其中油氣層位于煤層下部，實際模擬油氣層深度為850 m，厚度60 m，煤層埋深650 m，厚度為10 m，實際模型模擬范圍下至煤層底板以下260 m 處，上至煤層頂部以上135 m，未模擬部分地層采用配重塊向模型頂板施加均布荷載實現。平面模型架水平兩端及垂直下部四周用槽鋼進行約束，將相應比例厚度的模擬煤巖層鋪設在上方自由端。

試驗采用河砂、石膏、石灰作為主要相似材料。以相似理論為基礎，依據礦區煤層巖性和大量不同試驗配比資料，選定的模型材料最佳合理配比見表1。

表1 相似材料用量配比Table 1 Similar material dosage ratio

各分層材料用量按下式計算：

式中：M為模型分層中總質量；ρ為模擬分層中的密度；l為模擬分層的長度；b為模擬分層的寬度；h為模擬分層的高度。

試驗以相似三定理為基本依據，本著幾何相似、動力相似、運動相似的準則，根據模擬煤礦的巖層巖性及工作面條件，確定實際與模型的相似比常數，具體為：幾何相似比為500；密度相似比為1.67；時間相似比為25；應力相似比為833.33。

由于相似模擬巖層受試驗臺實際尺寸的限制，采用配重塊模擬覆巖自重，重力補償載荷為Gm=p×b×l×h×g=1 500×0.2×1.5×0.81×9.8=3 572.1 N。

1.2 應力位移監測點布置和試驗步驟

應力及位移監測裝置布置示意圖如圖1。

圖1 應力及位移監測裝置布置示意圖Fig.1 Layout diagrams of stress monitoring device and displacement monitoring device

相似模型模擬范圍下至煤層底板以下275 m處，上至煤層頂板以上135 m，共計34 層，整體厚度為420 m。為監測煤與油氣資源協調開采時，煤與油氣資源覆巖應力位移分布變化規律，試驗模型中共布設16 個應力監測點，應力監測點編號依次為M1 系列至M3 系列。模型中共布設312 個位移監測點，測線從上至下編號A～L, 從左至右編號1～26；由于一般油氣井直徑10～35 cm，其尺寸相比于實際地形尺寸可以忽略，因此在進行相似模擬試驗過程中，可將其視為1 條垂直線，共設置3 條紅色井筒測線，其間距依據實際井筒布置情況。

試驗方案分為模型構建、準備階段和資源模擬開挖3 個階段。

1）模型構建階段。①按照表1 中材料配比及用量，進行稱重，放入適量水并攪拌均勻；②將配比好的材料放入模型槽中，并在裝填抹平過程中放置監測裝置，即做好1 層地層，之后在其上面撒上云母以便分層，依次將材料放置槽中至規定高度。

2）準備階段。模型制備好7～10 d 后，拆掉部分擋板，繼續干燥7 d。在模型表面各觀測點采用大頭針穿25 cm2正方形紙片，以便通過照相機觀測與記錄巖層破斷位移情況。

3）模擬開挖階段。模型達到開挖條件后，先對油氣層上方進行開挖，采用類似煤層開挖的方式來模擬油氣采收過快導致的地層壓縮，考慮到實際的可操作性，最終確定開挖高度為1 cm，模擬油氣儲層實際壓縮5 m 的情景。（之所以采用類似2 層煤層開挖的方式來模擬煤與油氣開采，簡化油氣模擬層，是因為本研究的目標旨在煤與油氣資源開采后覆巖結構特征的演化，即煤炭開采后產生的卸荷效應，造成油氣層上方蓋層封閉失效及覆巖內井筒失穩）。模型穩定后，開始模擬煤層開采，為防止邊界效應，預留邊界煤柱，根據工作面實際推進速度，對煤層進行分步開挖，并監測相應數據。

2 覆巖運移及應力演化規律

2.1 覆巖運移演化規律

煤與油氣相似模擬采用“先油氣后煤炭”的開采方式，煤與油氣覆巖位移場演化規律如圖2。

圖2 煤與油氣覆巖位移場演化規律Fig.2 Evolution law of displacement field of coal and oil-gas overburden

在油氣層采收完畢后，油氣層鄰近覆巖未出現明顯的垮塌斷裂，巖層運移現象不明顯。隨后進行煤層開采，就煤層上覆巖層運移來說，在煤層推進方向的下沉量變化幅度較小，即煤層的破碎程度在推進方向較為完整，在煤層頂板垮落方向上，隨著“兩帶”高度不斷發育，其煤覆巖層最終平均下沉量為1.8 cm 左右。就油氣層鄰近覆巖運移來說，隨著煤層開采范圍的擴大，工作面下方層間巖層共受到了2 次擾動，當工作面推進距離至100 m 時，位于油氣層上方的基本頂發生第1 次錯斷下沉，其平均下沉量為0.65 cm，當工作面推進距離至175 m 時，位于油氣層上方的基本頂發生第2 次錯斷下沉，隨工作面不斷向前進行推進，第2 次錯斷下沉處逐漸將第1 次錯斷下沉處壓實，當工作面開采進行充分采動階段時，層間巖層位移下沉趨于穩定，二次破斷基本頂平均位移下沉量為0.6 cm。在煤層開采初期，巖層運移在油氣層鄰近巖層與煤覆巖層都有發生，隨著煤層開采范圍的擴大，巖層運移程度逐漸向煤層頂部附近巖層轉移，說明煤層采動作用在疊置資源協調開采過程中對整體巖層穩定性影響程度較大。因此應著重關注煤層開采對煤與油氣協調開采中的影響。

2.2 覆巖應力演化規律

采用“先油氣后煤炭”的開采順序，在油氣層采收完畢后，未出現明顯的擾動，但隨著采煤工作面的推進，煤與油氣資源覆巖的平衡狀態發生變化，采動覆巖的應力變化曲線如圖3。

圖3 煤與油氣資源采動覆巖及底板的應力變化曲線Fig.3 Stress curves of overburden and floor induced by coal and oil and gas resources

由圖3 可得：油氣層采收完畢后，煤層底板應力測點M2-2 存在應力集中的現象，應力集中系數為1.09，且油氣層開采邊界上方皆有應力上升的趨勢；當煤層開采工作面推進距離至75 m 時，出現煤層底板應力向下傳遞的現象，油氣層開采邊界上方應力進一步上升；當煤層開采工作面推進至100 m 時，油氣層上方應力集中處達到承載上限，造成層間巖層破斷滑動，此時應力集中系數為1.19；當煤層開采工作面推進至175 m 時，此時油氣層上方發生第2 次關鍵層破斷，原先初次破斷應力集中處沿水平向兩側轉移且原先應力集中處向內部偏移，此時煤層底板產生一定的卸壓；當煤層開采工作面推進至325 m，進入充分采動階段，隨著工作面不斷向前推進，油氣層上方形成穩定結構且油氣層開采邊界上方應力不斷上升，煤層底板相繼經歷應力集中-卸壓的過程，處于煤覆巖層中的應力監測點整體變化并不明顯；在煤層采動初期，煤層上方鄰近巖層采動應力響應較低直至充分采動階段，應力監測點M1-2 處與應力監測點M1-4 監測值逐漸上升。

3 井筒穩定性分析

隨著煤與油氣資源不斷采出，覆巖內發生應力集中轉移與巖層運移破斷，巖層間相互運動錯斷是造成井筒損傷破壞的根本原因。其中井筒損傷變形主要形式為井筒水平剪切變形破壞、井筒拉伸變形破壞、井筒壓縮變形破壞及井筒剪切變形、拉伸變形與壓縮變形綜合變形[20]。

本次相似模擬采用紅色測線代替井筒的方法，井筒破斷主要由巖層移動變形所導致，具體體現為：井筒破斷處巖層間相對豎向位移量較大或相對剪切位移量較大；而巖層組合形式對巖層移動變形占重要作用，本次相似模擬選取典型巖層代表，層間巖層處巖層組合形式為“硬-軟-硬”，而煤覆巖層處巖層組合形式為“軟-硬-軟”，具體見表1（5-20 層）。

3.1 層間相對豎向位移量及巖層破壞組合

各井筒測線內相鄰巖層相對豎向位移量如圖4。

圖4 各井筒測線內相鄰巖層相對豎向位移量Fig.4 Relative vertical displacement of adjacent rock strata in each wellbore measurement line

將各巖層組合的相對豎向位移量進行對比可以得出：6+7 與14+15 號巖層組合形成的相對豎向位移量遠遠大于其他巖層組合形式，二者巖層組合形式為下軟上硬型，兩者相對豎向位移累積量的不同主要由于前者位于油氣層上方且巖層厚度較厚，后者位于采空區上方且巖層較??；序號為15+16、18+19 與5+6 的巖層相對豎向位移量較小，其三者巖層組合形式為下硬上軟型，三者相對豎向位移累積量的不同主要由于巖層厚度不同以及所處位置的不同；其他序號9+10、10+11、19+20的巖層組合形式為下軟上硬、下硬上硬及下軟上軟形式，其相對豎向位移較小的原因是巖層所在位置未破斷以及巖層組合形式未發生明顯位移。

將井與井之間層間相對豎向位移累積量進行對比可以得出，位于工作面中心線附近的井筒最易受巖層相對豎向移動造成破斷。所以，從豎向位移方向上與巖層破壞組合形式的角度上，在煤與油氣協調開采過程中，工作面中心處附近的井筒破壞程度最大且最易破壞的巖層組合形式為下軟上硬型巖層。

3.2 層間相對剪切變形量及巖層破壞組合

各井筒測線內相鄰巖層相對剪切變形量如圖5。

圖5 各井筒測線內相鄰巖層相對剪切變形量Fig.5 Relative shear deformation of adjacent strata in each wellbore measurement line

與上節相對豎向位移量進行比較，大部分巖層組合相對剪切變形量有明顯的提高；其中以6+7、14+15 號的下軟上硬型巖層組合仍在層間相對剪切變形量中較為突出；15+16、18+19 與5+6 號的下硬上軟型巖層層間相對剪切變形量仍比下軟上硬型巖層??；其他型號巖層在層間相對剪切變形量均無明顯變化；值得注意的是，井2 處6+7 號下軟上硬型巖層層間相對剪切變形量較層間相對豎向位移量反而減小，這是由于井2 位于工作面中心處，隨著工作面推進開采至結束，井2 經歷了扭曲變形拉伸破壞過程，最終呈現為拉伸-破壞形式。

將井與井之間層間相對剪切變形累積量進行對比可以得出，工作面中心線處井筒最易受巖層相對剪切移動造成破斷。所以，從剪切變形方向上與巖層破壞組合形式的角度上，井筒受破壞擾動位置與豎向位移方向一致且巖層破壞組合形式為下軟上硬型。

3.3 綜合比對

各井筒測線豎向位移量與剪切變形量如圖6。

圖6 各井筒測線豎向位移量與剪切變形量對比圖Fig.6 Comparison of vertical displacement and shear deformation of each wellbore measurement line

由圖6，除工作面推進距離未經過井3 外，以煤層為基準線將井筒分為上下2 部分，井1 與井2上部的變形量遠大于其各自下部的變形量，可以得出位于采空區上方且由軟-硬-軟巖層組合的煤覆巖層受煤層開采擾動造成井筒破壞的程度遠大于位于層間巖層中由硬-軟-硬組合而成的巖層，且井筒處于下軟上硬的巖層組合形式時最易受到破壞的主要形式為剪切變形破壞；在工作面開采至停止后，位于工作面中心處的井2 受損傷破壞程度最大，其下方損傷破斷模式為拉伸-剪切破壞。試驗結果與梁順等[13-14]基于數值模擬軟件得到的易發生井筒損傷破斷的巖層組合以及易發生井筒損傷破斷位置基本一致，說明了試驗結果具有一定的可靠性。

4 結 語

1）采用“先油氣后煤炭”的開采工序，在油氣層采收完畢后，整體結構未受到明顯擾動；在煤層開采初期，巖層運移在油氣層鄰近巖層與煤覆巖層都有發生，其初次擾動范圍為100 m，二次擾動范圍為75 m；隨著煤層開采范圍的擴大，巖層運移程度逐漸向煤層頂部附近巖層轉移，說明煤層采動作用在疊置資源協調開采過程中對整體巖層穩定性影響程度較大，應著重關注煤層開采對煤與油氣協調開采中的影響。

2）采用“先油氣后煤炭”的開采工序，待油氣層采收完畢后，其油氣層采收邊界上方存在應力上升趨勢且煤層底板存在應力集中現象。在此應力條件下進行煤層開采，采動初期，油氣層采收邊界上方應力不斷上升，煤層底板存在應力傳遞現象，煤層頂板無明顯應力變化，進入充分采動階段，油氣層采收邊界上方應力集中沿水平向右側偏移，煤層底板相繼經歷應力集中-卸壓的過程，采空區后側出現應力上升。

3）在煤與油氣協調開采過程中，位于采空區上方的覆巖(軟-硬-軟)內井筒受煤層開采擾動變形程度遠大于位于煤與油氣資源之間的層間巖層（硬-軟-硬）井筒。井筒破壞模式分為3 類，下方軟薄與上方硬薄的剪切破壞，下方軟厚與上方硬厚的拉伸-剪切破壞，其他相同巖層組合形式及層厚的剪切破壞，井筒主要破壞模式為剪切變形破壞，位于工作面中心處的井筒下側則發生拉伸-剪切變形破壞。