王文楊昆何云王斌高斐潘葉信

1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454003;2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南焦作 454000;3.中國石油化工股份集團(tuán)有限公司華北油氣分公司,河南鄭州 450006;4.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢 430100;5.惟其信石油機(jī)械(天津)有限公司,天津 300308

我國鄂爾多斯盆地、塔里木盆地以及準(zhǔn)噶爾盆地等地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的煤炭、石油和天然氣等礦產(chǎn)資源。 這些礦產(chǎn)資源形成了獨(dú)具特色的平面上相互疊加、垂向上相互疊置的異體共伴生格局[1-3]。隨著我國天然氣、煤炭的開發(fā)力度進(jìn)一步加大,單一礦種開發(fā)模式不能滿足礦產(chǎn)資源有效利用的要求,且存在較為嚴(yán)重的浪費(fèi)和環(huán)境污染[4-5]。 煤-氣交叉開采逐漸常態(tài)化,暴露出來的安全問題也越來越多[6]。

以鄂爾多斯盆地為例,盆地內(nèi)油氣層埋深大于1 500 m,煤層埋深700 ～1 500 m,形成了天然氣井穿越煤層的現(xiàn)象[7]。 盆地內(nèi)煤與天然氣主要賦存層位如圖1 所示。 盆地內(nèi)煤礦又多以千萬噸級(jí)礦井為主,設(shè)計(jì)產(chǎn)量高,開采機(jī)械化程度高,巷道掘進(jìn)施工和工作面回采速度快,巷道布置可能會(huì)處于天然氣井附近,很可能會(huì)發(fā)生掘進(jìn)機(jī)碰撞天然氣井的情況,導(dǎo)致天然氣大量泄漏至采掘空間,有爆炸、中毒和窒息的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 鄂爾多斯盆地地質(zhì)賦存層位Fig.1 Geological focal points of the Ordos Basin

目前,國內(nèi)外在處理穿越開采煤層的天然氣井時(shí),主要有兩種方法[8]:一是采掘活動(dòng)進(jìn)行到天然氣井附近時(shí)對(duì)其進(jìn)行封堵,以免天然氣井失穩(wěn)后,天然氣進(jìn)入工作面和地下含水層,引發(fā)礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸、地下水污染;二是調(diào)整工作面開拓布局,使天然氣井穿過煤柱。 眾多學(xué)者在天然氣井井壁穩(wěn)定研究方面也取得了很多進(jìn)展。 陳秀榮[9]根據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論、多孔彈性介質(zhì)力學(xué)理論、巖石力學(xué)及聲學(xué)理論,對(duì)井壁圍巖的受力狀態(tài)、地應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)、巖石強(qiáng)度的測(cè)定方法以及泥頁巖水化應(yīng)力及其分布的確定、相應(yīng)計(jì)算方法等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和分析。 金衍等[10]、劉向君等[11]分析了結(jié)構(gòu)面發(fā)育對(duì)井壁穩(wěn)定的影響,表明結(jié)構(gòu)面的存在弱化了井壁的穩(wěn)定性,井壁失穩(wěn)與結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀密切相關(guān)。 李忠華等[12]基于損傷理論分析井壁穩(wěn)定問題。 李軍等[13-14]使用有限差分及有限元等方法進(jìn)行了井壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析,并基于多層組合厚壁圓筒理論,建立了套管、水泥環(huán)及井壁圍巖組合體的力學(xué)模型,對(duì)均勻地應(yīng)力作用下的組合體進(jìn)行了彈塑性分析。 丁振龍等[15]建立三維井筒穩(wěn)定模型,計(jì)算得到了井壁處的最大應(yīng)力,為解決天然氣井井壁穩(wěn)定問題提供了理論依據(jù)。 余夫等[16]通過建立地層-水泥環(huán)-套管的力學(xué)模型,應(yīng)用彈性力學(xué)理論引入壓力傳遞系數(shù)概念,分析了水泥環(huán)和地層的彈性模量、泊松比對(duì)套管與水泥環(huán)力學(xué)狀態(tài)的影響規(guī)律。 申昭熙等[17]認(rèn)為套管抗擠強(qiáng)度主要由徑厚比決定,屈服外壓和失穩(wěn)外壓等參數(shù)及其交互作用對(duì)套管的抗擠強(qiáng)度也有顯著影響,套管外徑和壁厚數(shù)據(jù)的變異系數(shù)對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響更顯著。

上述文獻(xiàn)中,眾多學(xué)者針對(duì)煤-氣交叉開采區(qū)內(nèi)的天然氣井保護(hù),無論是留設(shè)保護(hù)煤柱,還是從天然氣井本身的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,均屬于被動(dòng)保護(hù)。 本文以鄂爾多斯盆地的煤-氣交叉開采為研究對(duì)象,從主動(dòng)保護(hù)方面考慮,通過研究采掘振動(dòng)在煤層和天然氣井中的傳播衰減規(guī)律,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)監(jiān)測(cè)采掘活動(dòng)與天然氣井的距離,從而預(yù)防碰撞事故的發(fā)生,以期解決煤-氣交叉開采沖突問題,為類似地質(zhì)條件的煤-氣交叉開采提供參考。

1 天然氣井防碰撞振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

巷道掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生的巨大振動(dòng)以振動(dòng)波的形式向四周傳遞。 當(dāng)振動(dòng)波傳遞至天然氣井時(shí),天然氣井將發(fā)生受迫振動(dòng),振動(dòng)波會(huì)沿著天然氣井井筒繼續(xù)向上傳遞直至地表井口。 假設(shè)掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度不變,基于振動(dòng)波在煤巖層中傳播的衰減規(guī)律,振動(dòng)振幅能量隨傳播距離的增加呈指數(shù)關(guān)系衰減。 如果掘進(jìn)施工距離天然氣井較遠(yuǎn),則掘進(jìn)產(chǎn)生的振動(dòng)傳播到天然氣井時(shí)衰減較大,振動(dòng)傳遞至地表井口的振動(dòng)信號(hào)也較弱,表現(xiàn)在地面監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)幅值、能量較小;當(dāng)掘進(jìn)工作面接近天然氣井時(shí),振動(dòng)傳播到天然氣井時(shí)衰減變小,此時(shí)傳遞到井口的振動(dòng)信號(hào)變強(qiáng),表現(xiàn)在地面監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)幅值、能量變大。因此,振動(dòng)信號(hào)的幅值、能量與掘進(jìn)工作面距風(fēng)險(xiǎn)天然氣井間的距離存在對(duì)應(yīng)關(guān)系:掘進(jìn)工作面距天然氣井距離增大時(shí),振動(dòng)信號(hào)的功率譜相對(duì)幅值逐漸減小;反之,則逐漸增大。 利用安裝在天然氣井套管頭的振動(dòng)傳感器拾取掘進(jìn)機(jī)破碎煤巖傳播出來的振動(dòng)信號(hào),通過分析掘進(jìn)機(jī)破碎煤巖時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波沿地層和套管的傳播規(guī)律,建立天然氣井地面套管頭采集到的振動(dòng)信號(hào)特征與巷道掘進(jìn)工作面到天然氣井距離的關(guān)系,根據(jù)信號(hào)識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道掘進(jìn)趨近天然氣井的監(jiān)測(cè),原理如圖2 所示。

圖2 防碰撞監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig.2 Diagram of anti-collision monitoring principle

2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方法

2.1 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及信號(hào)采集裝備

試驗(yàn)均采用IEPE 壓電式加速度傳感器,傳感器型號(hào)為1A213E,軸向靈敏度100 mV/(m·s-2),量程49 m/s2,頻響范圍0.2 ～4 000 Hz。 該傳感器具有高靈敏度、高分辨率,基座應(yīng)變小、與地絕緣和抗干擾好以及低阻抗電壓輸出等特點(diǎn),主要用于地震試驗(yàn)和建筑振動(dòng)、地面振動(dòng)、地基振動(dòng)、壩體振動(dòng)等監(jiān)測(cè)。

采集儀采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)(DH5981),能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)傳輸,所有通道同步采樣,每通道采樣頻率最高128 kHz;同時(shí)具有智能化鋰電池組管理,可持續(xù)工作6 h。 該采集儀與筆記本電腦相連接,通過專用數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)采集、記錄、傳輸和保存功能。

2.2 鋼管敲擊振動(dòng)試驗(yàn)方案

以N80 級(jí)φ177.8 mm×9.19 mm 鋼管為介質(zhì)進(jìn)行敲擊振動(dòng)傳播衰減試驗(yàn),材質(zhì)與天然氣井相同,增加振動(dòng)試驗(yàn)的可靠性,鋼管水平放置,在鋼管上側(cè)距振源0 m、10 m、20 m、30 m、40 m 處布置IEPE 壓電式加速度振動(dòng)傳感器,傳感器通過IEPE信號(hào)輸入線連接至DH5981 信號(hào)采集儀,并輸出到電腦端,如圖3 所示。 設(shè)備連接完成后進(jìn)行試驗(yàn),通過力錘水平敲擊1 號(hào)振動(dòng)傳感器所在端的鋼管,查看電腦端是否能夠正常接收到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)。 設(shè)備連接無誤并確保周圍環(huán)境安靜、無噪聲的干擾后,方可進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)采用力錘對(duì)鋼管進(jìn)行敲擊,敲擊力度保持不變,進(jìn)行多次敲擊試驗(yàn)避免偶然誤差,采集儀實(shí)時(shí)接收各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波加速度等參數(shù)的信號(hào)(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)1)。

圖3 鋼管敲擊振動(dòng)試驗(yàn)示意圖Fig.3 Diagram of the steel pipe percussion vibration test

2.3 井下現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)

井下掘進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)是掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)時(shí),分別在距掘進(jìn)機(jī)不同距離處布置振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),研究掘進(jìn)機(jī)破碎煤巖時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波在煤巖中傳播衰減特性,從而發(fā)現(xiàn)振動(dòng)波在煤巖介質(zhì)中的傳播衰減規(guī)律。 掘進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)采用均方根值進(jìn)行分析。均方根值更能夠表現(xiàn)振動(dòng)波從開始振動(dòng)到振動(dòng)結(jié)束整個(gè)過程中振動(dòng)波的整體振動(dòng)強(qiáng)弱。

2.3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

鄂爾多斯盆地北部地區(qū)多數(shù)煤礦開采煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一般不含夾矸或局部含1 ～2 層夾矸,振動(dòng)波傳播過程中受實(shí)體煤外介質(zhì)影響較小,試驗(yàn)地點(diǎn)對(duì)煤層完整性有一定要求。 16061 工作面回風(fēng)巷已經(jīng)成型,沒有人員施工的影響,避免了施工產(chǎn)生的干擾振動(dòng)信號(hào),能夠得到較為準(zhǔn)確的掘進(jìn)振動(dòng)信號(hào)。 因此,試驗(yàn)地點(diǎn)選在16061 工作面。 該工作面位于礦井北翼,開采煤層為21煤層。 該工作面回采長(zhǎng)度1 550.99 m,寬150 m。 16061 回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與該回風(fēng)巷夾角為70°,該聯(lián)絡(luò)巷還有20 m 即將貫通,為試驗(yàn)提供了條件。

2.3.2 試驗(yàn)方案

如圖4 所示,布置1 ～4 號(hào)振動(dòng)傳感器。 1 號(hào)振動(dòng)傳感器布置在16061 回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)貫通點(diǎn)。沿回風(fēng)巷道在20 m、50 m、80 m 處依次布置2 ～4號(hào)振動(dòng)傳感器,振動(dòng)傳感器布置在聯(lián)絡(luò)巷貫通處一側(cè)的巷幫錨桿上。 計(jì)算得到傳感器距振源距離(表1)。 為保證數(shù)據(jù)普遍性和豐富性,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)2)。

表1 煤礦試驗(yàn)傳感器布置及距振源距離Table 1 Coal mine test sensor arrangement and distance from vibration source

圖4 井下掘進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)傳感器布置示意圖Fig.4 Diagram of underground excavation vibration test sensor arrangement

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 鋼管振動(dòng)衰減規(guī)律分析

選取試驗(yàn)1 中有代表性的4 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 圖5 為鋼管振動(dòng)試驗(yàn)1 的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)域圖。 可以看出,隨著遠(yuǎn)離振源,振動(dòng)波振幅及其均方根值都發(fā)生了明顯衰減,衰減速度先快后慢。 振動(dòng)波的均方根值又稱為有效值,是振動(dòng)波平均能量的一種表達(dá),故以均方根值為參數(shù)進(jìn)行具體分析。 為方便分析,減少試驗(yàn)過程中因敲擊力度不同的影響,分別提取試驗(yàn)1 中4 組試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)的均方根值并進(jìn)行歸一化處理(表2)。 對(duì)歸一化后的振動(dòng)信號(hào)均方根值進(jìn)行指數(shù)擬合,結(jié)果如圖6 所示。 從擬合結(jié)果來看,R2均超過0.96,指數(shù)函數(shù)擬合效果較好,并符合振動(dòng)衰減通式A=A0e-αr。 通過指數(shù)擬合曲線可以看出,振動(dòng)波在衰減過程中衰減速度先快后慢,平均衰減系數(shù)為0.1。 這說明以天然氣井為介質(zhì)進(jìn)行振動(dòng)傳播衰減規(guī)律研究,實(shí)現(xiàn)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)中天然氣井段振動(dòng)監(jiān)測(cè)是可行的。

圖5 鋼管振動(dòng)試驗(yàn)1 各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形Fig.5 Time domain waveforms at each measurement point of steel pipe vibration test 1

圖6 鋼管振動(dòng)1 ～4 組均方根歸一化指數(shù)擬合曲線Fig.6 Fitted graphs of the root mean square normalised index for steel pipe vibration groups 1 ～4

表2 鋼管振動(dòng)波有效值及歸一化Table 2 RMS values and normalisation of steel pipe vibration waves

3.2 井下現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)振動(dòng)衰減規(guī)律分析

選取試驗(yàn)2 中具有代表性的4 組井下振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過分析均方根值的衰減情況研究振動(dòng)波的衰減。 圖7 為現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)波時(shí)域圖,可以看出,振動(dòng)幅值及均方根值均發(fā)生明顯的衰減。 對(duì)表3 中歸一化后的均方根值進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合處理,結(jié)果如圖8 所示。 可以看出,擬合優(yōu)度R2平均值為0.98,擬合效果很好,指數(shù)擬合公式符合振動(dòng)衰減通式A=A0e-αr,振動(dòng)衰減先急速下降后緩慢降低,平均衰減系數(shù)為0.03。 同時(shí)說明,以煤巖為介質(zhì)進(jìn)行振動(dòng)衰減規(guī)律研究,實(shí)現(xiàn)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)中煤巖段振動(dòng)監(jiān)測(cè)是可行的。

圖7 井下掘進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)2 各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形Fig.7 Time domain waveforms at each measurement point of the underground excavation vibration test 2

圖8 井下掘進(jìn)振動(dòng)1 ～4 組均方根歸一化指數(shù)擬合Fig.8 Fitted graphs of the root mean square normalised index for underground excavation vibration groups 1 ～4

表3 井下掘進(jìn)振動(dòng)波有效值及有效值歸一化Table 3 The effective value of underground excavation vibration wave and its normalization

3.3 掘進(jìn)振源到氣井水平距離預(yù)警模型

通過鋼管振動(dòng)試驗(yàn)及井下現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn),分別說明振動(dòng)監(jiān)測(cè)在天然氣井段和煤層段都是可行的。將天然氣井段和煤層段振動(dòng)監(jiān)測(cè)合并后,認(rèn)為氣煤防碰撞振動(dòng)監(jiān)測(cè)是可行的。 振動(dòng)波在天然氣井及煤層中的傳播衰減規(guī)律都符合振動(dòng)衰減數(shù)學(xué)模型通式A=A0e-αr,據(jù)此可分別列出天然氣井段和煤層段的振幅均方根值衰減計(jì)算公式如下:

天然氣井段:

煤層段:

化簡(jiǎn)可得

式中,E1為地面監(jiān)測(cè)到的振幅均方根值,g;E2為掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生的振幅均方根值,g;E3為掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)沿煤層傳到氣井處的振幅均方根值,g;α1為振動(dòng)在氣井中的衰減系數(shù),m-1;α2為振動(dòng)在煤層中的衰減系數(shù),m-1;L為煤層到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直距離,m;X為掘進(jìn)機(jī)到氣井的水平距離,m。

計(jì)算公式(1)至(4)中的各項(xiàng)參數(shù)都可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得到,最終可計(jì)算出掘進(jìn)機(jī)到天然氣井的距離,從而實(shí)現(xiàn)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警的目的。 由于在不同介質(zhì)、不同環(huán)境中振動(dòng)波的傳播衰減系數(shù)均不相同,因此應(yīng)用推導(dǎo)公式前需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以得到相應(yīng)環(huán)境下各參數(shù)及振動(dòng)波的衰減系數(shù)。

4 結(jié) 論

通過鋼管敲擊振動(dòng)試驗(yàn)、井下現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn),對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論:

(1) 采用均方根值(有效值)為特征指標(biāo),能夠反映整個(gè)振動(dòng)振幅的大小和強(qiáng)弱;對(duì)均方根值歸一化處理(除以本次振幅最大值)可以消除振源不同對(duì)振動(dòng)衰減規(guī)律的影響。

(2) 對(duì)振動(dòng)信號(hào)加速度均方根值歸一化后進(jìn)行指數(shù)擬合,擬合結(jié)果R2均超過0.96,指數(shù)擬合效果較好。 從監(jiān)測(cè)結(jié)果和擬合公式來看,振動(dòng)衰減規(guī)律符合一般衰減規(guī)律公式A=A0e-αr,振動(dòng)衰減速度先急劇減小,后緩慢減小。

(3) 振動(dòng)監(jiān)測(cè)在天然氣井段和煤層段是可行的,通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警。 通過振動(dòng)衰減公式反演推導(dǎo)出的防碰撞距離計(jì)算公式,為后續(xù)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。