【正文】 二氧化碳射流 破巖 的 數(shù)值模擬 和物理模擬實驗 研究 ； 深井復(fù)雜地層 鉆頭與地層相互作用研究； 深井復(fù)雜地層 鉆井 高效破巖 新 方法 研究； 4. 研究井筒內(nèi)的壓力和溫度分布規(guī)律；建立鉆井多相流體攜巖數(shù)學(xué)模型，研究巖屑濃度分布規(guī)律及巖屑濃度對環(huán)空壓力的影響 1. 建 造出與 深井復(fù)雜地層 地球物理和力學(xué)特征相似的多尺度地質(zhì)體物理模型； 建立和完善 深井復(fù)雜地層 巖體力學(xué)環(huán)境 的物理模擬方法 和試驗響應(yīng)的觀測技術(shù)；得出深井復(fù)雜地層孔隙流體壓力形成機理與地球物理響應(yīng)特征 。針對多種類型井漏 ,優(yōu)選鉆井液體系、提高地層承壓能力，合理降低鉆井液密度、流動阻力等。 鉆井過程中的 風(fēng)險 評 價及 安全 級別 判別方法研究 。 7. 提交中期驗收報告 15 15 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 1. 采用 巖石三軸實驗系統(tǒng)模擬 深井復(fù)雜地層 軟巖 的 溫度、 應(yīng)力條件， 進行 高溫高壓條件下 的巖石力學(xué)試驗； 通過實驗和 細觀 理論研究 高溫高壓 條件下巖石力學(xué)行為的細觀組織結(jié)構(gòu) 和 缺陷的演化模式 ； 研究縫洞性圍巖體的應(yīng)力 重分布規(guī)律 及非連續(xù)井壁流固耦合機理 ； 基于非線性大變形幾何理論，結(jié)合深部軟巖地層在高溫高壓條件下的非線性大變形特征，建立高溫高壓條件下深部軟 巖變形 的分析模型和預(yù)測理論 。 16 16 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 優(yōu)化方法研究；開展超臨界條件下應(yīng)用 CO2 鉆井的室 內(nèi)實驗研究；研究隨鉆測量信息與井筒壓力之間的關(guān)系。 5. 初步掌握固相和液相在強非均質(zhì)、易變形連通縫洞中的時空分布規(guī)律及其影響因素。 超臨界二氧化碳射流破巖鉆井方法研究；深井復(fù)雜地層三維鉆井軌跡仿真計算系統(tǒng)研究。提出深井復(fù)雜地層鉆井風(fēng)險評價模型18 18 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 耦合模型，揭示泥頁巖水化變形機理及其破壞動態(tài)變化規(guī)律。 第 五 年 1. 驗證和完善前述分析模型和預(yù)測理論 2. 研究井筒壓力系統(tǒng)的失穩(wěn)條件及控制機制，建立復(fù)雜地層壓力系統(tǒng)、窄安全壓 力窗口等條件下井筒壓力系統(tǒng)的精細控制方法。 7. 提交課題驗收總結(jié)報告 20 20 項目名稱： 煤炭深部開采中的動力災(zāi)害機理與防治基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 姜耀東 中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 起止年限： 2020 年 1 月 2020 年 8 月 依托部門： 教育部 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局 21 21 一、研究內(nèi)容 （一）關(guān)鍵的科學(xué)問題 隨著礦井深度和開采強度的不斷增加，與淺部開采相比，深部采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力場特征、煤巖體的破碎性質(zhì)與動力響 應(yīng)特征、巖層移動以及能量的積聚釋放規(guī)律均發(fā)生了顯著變化，深部礦井動力災(zāi)害的致災(zāi)機理、觸發(fā)條件、演化規(guī)律以及顯現(xiàn)特征不同于淺部煤礦工程。 在多次開采擾動和長期的流變過程中， 這種斷續(xù)結(jié)構(gòu)煤巖體 會 出現(xiàn)新的破裂和強度不斷衰減的循環(huán)過程，從而導(dǎo)致大變形、強流變 和超低摩擦效應(yīng)，在一定條件下將會引起沖擊地壓、頂板大面積來壓、礦震等煤礦動力災(zāi)害。因此，研究深部煤礦動力災(zāi)害的前兆信息、多參數(shù)識別理論與預(yù)警模型，是進行災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)測和有效防治的前提，是急需解決的科學(xué)問題。 在國內(nèi)外 核心 學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 150 篇 以上， 其中 SCI、 EI 收錄 論文 100篇以上，有重要國際影響的論文 20 篇以上，出版著作 35 部。 （二）技術(shù)路線 本項目將采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值仿真和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的研究方法對深部煤礦動力災(zāi)害的災(zāi)變機制及其防護措施開展深入細致的研究工作。 總體技術(shù)路線框圖（見圖 3）。有國家杰出青年基金獲得者 2 人、 “百千萬人 才工程 ”國家級人選 5 人、 “孫越崎青年科技獎 ”獲得者 7 人、教育部 “新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃 ”1 人， 部分研究骨干曾作為 國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和 3 個 教育部創(chuàng)新團隊 的成員 。 在深部煤礦動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警與綜合防治理論方面， 北京科技大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（徐州）、煤炭科學(xué)研究總院等單位研究了礦震構(gòu)造活動型、頂 板斷裂沖擊型和煤柱沖擊型三種不同震源機制，分析了礦震孕育、發(fā)生與開采過程的關(guān)系；建立了開采擾動勢模型，揭示了礦震發(fā)生及其規(guī)模與開采深度、開采量、斷層構(gòu)造和應(yīng)力環(huán)境的關(guān)系，解決了定量預(yù)測礦震發(fā)生時間、空間和強度的難題；開發(fā)出采礦地球物理方法－電磁輻射預(yù)測礦井動力災(zāi)害技術(shù)，研制出“便攜式電磁輻射沖擊地壓（突出）監(jiān)測儀”，并成功地進行了現(xiàn)場試驗和應(yīng)用。項目擬分為 6個課題，課題負責(zé)人對首席科學(xué)家負責(zé)，并接受咨詢專家監(jiān)督。 完成項目的中期評估。為此，需要 認(rèn)識以下幾個方面的基礎(chǔ)問題： (1)建立重油分子層次組成、結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的系統(tǒng)表征手段與理論解析方法，構(gòu)建分子層次上的組成、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)預(yù)測模型，突破重油平均結(jié)構(gòu)描述的局限。因此，獲得高選擇性的分離溶劑體系、提高梯級分離過程的萃取效率及殘渣與溶劑的分離效率、實現(xiàn)萃余殘渣的綜合利用就成為重油梯級分離過程開發(fā)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。 (4)揭示引入異性顆粒改善流化性能的協(xié)同作用機制和調(diào)控規(guī)律，通過冷模、數(shù)值模擬和實驗研究結(jié)合的方法建立提升管燃燒和湍動床氣化相耦合的重油殘渣氣化制氫過程放大設(shè)計方法，為重油殘渣氣化制氫過程的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 針對上述問題的解決，設(shè)置“重油梯級分離過程的放大規(guī)律與設(shè)計方法”和“重油殘渣氣化制氫過程的放大規(guī)律與設(shè)計方法” 2 個課題。主要研究內(nèi)容為： (1)建立將重油化學(xué)向分子層次推進的重油組成－結(jié)構(gòu)－物理化學(xué)性質(zhì)分析表征的成套方法，系統(tǒng)揭示重油組成－結(jié)構(gòu)－物理化學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)系。 發(fā)表論文 40 篇，申請專利 2 項，培養(yǎng) 博士后與 博士生 25 名，出版專著 2部。 研究我國深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結(jié)構(gòu)、宏觀 力學(xué)性質(zhì)與動力突出之間的關(guān)系；研究深部煤巖石在載荷作用下 (包括加載和卸荷 )破裂后演化（后破裂）規(guī)律及其力學(xué)特性，探索煤、巖石微結(jié)構(gòu)、裂隙分布特性對巖石破裂及其演化的影響規(guī)律；研究深部高地應(yīng)力與強開采條件下覆巖破斷方式、覆巖空間結(jié)構(gòu)形式和運動規(guī)律，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)模式與動力災(zāi)害的關(guān)系模型；研究深部原巖應(yīng)力場與動態(tài)開挖耦合條件下的煤巖體動力失穩(wěn)破壞的機理及觸發(fā)條件；研究煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的不同信息前兆特征及其耦合特征、變化規(guī)律和演變機理。同時擁有 Disp24 通道巖層失穩(wěn)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、 TDS6 微震信號采集系統(tǒng)、地應(yīng)力測試系統(tǒng)、 RIS K2 地質(zhì)力學(xué)探測雷達、鉆孔紅外成像儀、多波地震儀、瞬變電法儀等工程物探儀器和開發(fā)平臺，由 17 套服務(wù)器和工作站與大型軟件構(gòu)成的煤 礦高分辨三維地震資料處理解釋系統(tǒng)等，可對深部煤巖材料變形破裂過程中的聲發(fā)射、電磁輻射、微震等效應(yīng)進行測試研究。指出內(nèi)部能量耗散與能量釋放是控制巖石損傷至整體破壞的兩個不同的物理力學(xué)過程，能量耗散使巖石產(chǎn)生損傷，并導(dǎo)致巖性劣化和強度喪失；能量釋放則是引發(fā)巖石整體突然破壞的內(nèi)在原因 ； 給出了基于能量耗散的損傷與強度喪失準(zhǔn)則和基于可釋放應(yīng)變能的整體破壞準(zhǔn)則。研究隊伍集中了國內(nèi)煤礦動力災(zāi)害的主要研究力量，對相關(guān)研究內(nèi)容已經(jīng)進行了長期的研究，取得了一系列研究成果。 深部煤礦動力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造 條件與采動應(yīng)力分布和能量場的時空演化關(guān)系密切。建立國內(nèi)一流 深部煤礦動力災(zāi)害 研究平臺，完成 12 個深部煤礦動力災(zāi)害監(jiān)測與防治的示范工程，為 我國煤炭工業(yè)的可持續(xù) 發(fā)展 奠定 理論與技術(shù) 基礎(chǔ)。 3．深部采動應(yīng)力場時空分布規(guī)律及對動力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機 理 研究深部高地應(yīng)力與強開采條件下覆巖破斷方式、覆巖空間結(jié)構(gòu)形式和運動規(guī)律，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)模式與動力災(zāi)害的關(guān)系模型；研究“覆巖空間結(jié)構(gòu) 空間應(yīng)力場 區(qū)域性沖擊”與“局部應(yīng)力異常 局部微震”的多尺度深部動力災(zāi)害的觸發(fā)機制、孕災(zāi)過程及判別準(zhǔn)則，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)運動與采動應(yīng)力場耦合過程中的應(yīng)力突變、能量激增的非線性動力學(xué)模型；揭示深部開采誘致覆巖運動與采動應(yīng)力場時空分布對動力災(zāi)害孕災(zāi)過程的控制機理。因此采動應(yīng)力分布和能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機理是本項目的重要科學(xué)問題。因此深部煤巖動力災(zāi)害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力異常密切相關(guān)，如何科學(xué)定量描述地質(zhì)賦存條件的作用機制及其與煤礦動力災(zāi)害的相關(guān)性是一個共性科學(xué)問題。 優(yōu)選出適合深井工程的 12 種高效破巖鉆井新方法 。 深井復(fù)雜地層井筒失效分析研究。 4. 獲得復(fù)雜邊界條件下井筒流體的熱質(zhì)傳遞規(guī)律 ； 形成井底 壓力與地層壓力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方案 5. 建立泥頁巖水化非線性力學(xué)模型和動態(tài)井壁穩(wěn)定的化學(xué)與力學(xué)耦合模型 和 高塑性地層井壁失穩(wěn)程度和時效的評估方法，形成地層承壓能力評估模型與井壁失穩(wěn)的控制準(zhǔn)則。提出基于模糊綜合分析方法的管柱風(fēng)險評價方法。鉆井方式和參數(shù)優(yōu)選方法研究。 2. 得到 井下鉆頭振動特征及其與鉆井工況之間的相互關(guān)系 ； 給出 不同 規(guī)格 鉆柱 的 聲波傳輸特性 ，以及支撐位置 (模擬 鉆柱 與井壁接觸點 )、彎曲 、 內(nèi)外流體對 鉆柱聲波傳輸特性 影響規(guī)律 ； 形成 深井復(fù)雜地層鉆井過程中相關(guān)地質(zhì) 參數(shù) 與工程參數(shù) 的表征 與 解釋方法。 6. 初步 建立井身結(jié)構(gòu) 方案實施 的鉆井 安全評價及 成本效益分析方法。 鉆井參數(shù)敏感性現(xiàn)場試驗。 5. 得出井眼漏失及井壁失穩(wěn)機理，取得規(guī)律性認(rèn)識。 量描述方法 及 地質(zhì)條件存在不確定條件下的套管層次及下深確定方法 。 6. 初步掌握地層漏失特征，以及判斷漏失位置、漏速、漏量、漏失壓力等參數(shù)的方法 ； 結(jié)合現(xiàn)場資料，初步得出鉆井井壁失穩(wěn)機理。 4. 深井復(fù)雜地層抗鉆特性研究。 ： 本項目依托中國石油大學(xué)（北京）、中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院 、中國石化勘探開發(fā)研究院、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、中國石油大學(xué)（華東）、西南石油大學(xué)、西部鉆探工程分公司等相關(guān)研究領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，擁有 4個國家重點（工程）實驗室和教育部、中石油、中石化所屬的 4 個部省級重點實驗室，形成了“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化、強強聯(lián)合的組織模式。 （ 1）創(chuàng) 新性： 本項目關(guān)鍵科學(xué)問題和研究內(nèi)容是依據(jù)目前我國深部油氣勘探開發(fā)需要并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀與研究基礎(chǔ)提出來的，這些問題是目前國內(nèi)外研究尚未解決的重要機理和理論問題， 既可發(fā)展深井復(fù)雜地層安全高效鉆井理論體系，又可為深井復(fù)雜地層鉆井風(fēng)險控制提供決策依據(jù)， 具有很強的創(chuàng)新性。 國內(nèi)外對不考慮鉆井卸載的鉆頭破巖機理進行了較大量的研究，并建立了相應(yīng)的鉆速方程，但沒有考慮鉆井卸載相關(guān)的主控因素－井底應(yīng)力場，因而不能正確描述這種主控因素變化（例如由鉆井液過平衡鉆井轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w欠平衡鉆井）對破巖效率和井斜變化的顯著影響，目前這方面的研究還是空白。 （二） 技術(shù)途徑 針對深井復(fù)雜地層安全高效鉆井中存在的三個關(guān)鍵科學(xué)問題，開展地層力學(xué)參數(shù)與孔 隙壓力評估、高效破巖機理與方法、井眼系統(tǒng)失穩(wěn)與控制、鉆井設(shè)計理論與風(fēng)險調(diào)控機制等基礎(chǔ)研究并得突破，探索并形成一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深井安全高效鉆井方法和理論體系，為突破深層油氣資源安全高效鉆井關(guān)鍵技術(shù)瓶頸提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。 研究裂縫、孔洞的壓力敏感性和裂縫傳播機制及井眼漏失機理， 揭示縫洞性地層漏失和井眼失穩(wěn)機理，建立相應(yīng)的井眼漏失 、井壁穩(wěn)定預(yù)測模型及評估預(yù)測方法 ， 建立高塑性地層井眼大變形預(yù)測模型和井壁失穩(wěn)評估方法。 建立國內(nèi)一流綜合性深井鉆井基礎(chǔ)研究平臺，為深井鉆井研究的持續(xù)開展奠定基礎(chǔ)。 針對該研究內(nèi)容設(shè)立 1 個課題：“深井復(fù)雜地層破巖機理與高效破巖方法 ”。由于深層地質(zhì)條件復(fù)雜、不確定性強，深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中風(fēng)險與效率的協(xié)調(diào)機理、鉆井方式及參數(shù)對破巖效率敏感性、鉆井風(fēng)險因子識別模型及控制方法尚未建立，因此， 深 井 復(fù)雜地層 鉆井設(shè)計 平臺 與風(fēng)險控制機制 是關(guān)鍵科學(xué)問題。針對國家能源安全和發(fā)展的重大需求和我國深層油氣資源鉆井工程亟待解決重大基礎(chǔ)難題 ， 本項目凝 煉出 以下三 個 擬解 決的關(guān)鍵 科學(xué)問題 ： 1． 深井復(fù)雜地層巖體力學(xué)特征識別與表征方法 深層巖體環(huán)境（包括巖石和流體）的復(fù)雜性、不確定性和難預(yù)知性是深井鉆井難度大的根本原因之一。因此， 深井復(fù)雜地層鉆井載荷與井眼圍巖作用機理 是安全高效鉆井必須要重點解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。以實驗?zāi)M和數(shù)值模擬為手段，建立地層異常壓力地球物理響應(yīng)特征識別和綜合預(yù)測方法，揭示深層異常壓力形成機理和分布規(guī)律，探索井下信息隨鉆識別與融合方法，為鉆井地質(zhì)環(huán)境描述 、鉆井設(shè)計和風(fēng)險控制提供基礎(chǔ)。 針對該研究內(nèi)容設(shè)立 1 個課題：“深井復(fù)雜地層鉆井設(shè)計 平臺 與風(fēng)險控制機制”。研究不同圍壓作用下的 流固耦合 應(yīng)力場特征與巖石 破裂微觀機制，分析不同破巖方式下的巖石破碎機理和規(guī)律。在國內(nèi)外 核心 學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 200 篇以上 ， 其中SCI、 EI 收錄論文 150 篇以上，出版著作 5 部， 申請發(fā)明專利 1520 項 。 以正常沉積壓實規(guī)律為基礎(chǔ)， 國內(nèi)外已形成了