【文章內(nèi)容簡介】 多相多組分鉆井液的流動規(guī)律研究；針對深井復(fù)雜地層鉆井，開展新的鉆井多相流體水力參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和 1. 得出 高溫高壓條件下 軟巖大 變形的破壞規(guī)律、強(qiáng)度、 變形特征和軟巖 力學(xué)行為的細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)、缺陷的演化模式 ， 查清 軟巖大變形 的物理力學(xué)機(jī)制 得出 縫洞性圍巖體的應(yīng)力場特征及非連續(xù)井壁流固 耦合機(jī)理 ；初步建立高溫高壓下深部軟 巖變形 的分析模型和預(yù)測理論， 為井壁穩(wěn)定控制提供理論依據(jù) 。 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(diǎn) )、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。 3. 建立深井復(fù)雜地層巖石分形破碎能耗模型；提出在深井條件下粒子射流破巖鉆井設(shè)計(jì)方法；初步建立深井復(fù)雜地層三維鉆井軌跡仿真計(jì)算模型。提出不同約束條件下高效破巖工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。 4. 獲得 多相多組分鉆井液的流動規(guī)律 ；獲得復(fù)雜邊界條件下的鉆井多相流體水力參數(shù)優(yōu)化方法 建立井口壓力與井底壓力的正反演解釋模型 。 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(shí)驗(yàn)研究；研究隨鉆測量信息與井筒壓力之間的關(guān)系。 5. 開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究固相和液相在強(qiáng)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。針對深部泥頁巖、鹽巖等高塑性地層的易失穩(wěn)井段，利用實(shí)鉆巖心，研究高溫高壓條件下，泥頁巖水化膨脹規(guī)律以及鹽巖、鹽膏巖蠕變規(guī)律，建立高塑性地層井眼大變形預(yù)測模型，為深部高塑性地層的井壁穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。 6. 地質(zhì)不確定因素與鉆井安全及效率的相互制約機(jī)理研究。鉆井方式和參數(shù)優(yōu)選方法研究。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及鉆具動態(tài)特性現(xiàn)場試驗(yàn)。基于模糊綜合分析方法的套管柱風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究。深井復(fù) 雜地層鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素及相關(guān)性研究。 5. 初步掌握固相和液相在強(qiáng)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。取得高溫高壓條件下，泥頁巖水化膨脹規(guī)律以及鹽巖、鹽膏巖蠕變規(guī)律，建立高塑性地層井眼大變形預(yù)測模型。 6. 得出地質(zhì)條件不確定度、 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、鉆井安全因素、鉆井效率和效益之間的相互制約關(guān)系，給出各控制因素對鉆井安全和效益的影響規(guī)律。建立鉆井方式和參數(shù)優(yōu)選方法。提出基于模糊綜合分析方法的管柱風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法。 揭示深井復(fù)雜地層鉆井過程中實(shí)際遇到的風(fēng)險(xiǎn)種類與風(fēng)險(xiǎn)因素的相互聯(lián)系。 17 17 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 四 年 1. 應(yīng)用地球物理理論和方法，建立深井復(fù)雜地層 地球物理屬性與巖體物性相聯(lián)系的地層 孔隙流體 壓力預(yù)測模型；通過地球物理多參數(shù)外推和屬性重建，形成地層 孔隙流體 壓力系統(tǒng)的綜合 預(yù)測和 評價(jià)方法 2. 數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，研究鉆頭振動特性參數(shù)與地層巖體物理屬性的 相關(guān)性；鉆柱聲波傳輸信道噪聲及碼間干擾處理方法研究；研究應(yīng)用鉆井實(shí)時測量信息，實(shí)時修正鉆井地質(zhì)力學(xué)模型，準(zhǔn)確判斷井下工況的方法；現(xiàn)場驗(yàn)證研究形成的理論與方法。 3. 深井復(fù)雜地層不同破巖方法和鉆井方式優(yōu)選研究 。 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(jì)算系統(tǒng)研究。 4. 研究井 筒流體與地層縫洞的相互作用機(jī)理，揭示復(fù)雜邊界條件下流體的熱質(zhì)傳遞特性及規(guī)律 ；利用多相流相平衡定律，建立井筒流體密度、黏度等物性參數(shù)的預(yù)測模型 ； 研究井筒壓力系統(tǒng)的失穩(wěn)條件及控制機(jī)制 5. 通過模擬井下條件的泥頁巖水化過程變形實(shí)驗(yàn)， 形成水化泥頁巖變形與特征參數(shù)測試方法，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)1. 深井復(fù)雜地層 地球物理屬性與巖體物性相聯(lián)系的地層 孔隙流體 壓力預(yù)測模型 ； 深井復(fù)雜地層異常孔隙流體壓力綜合預(yù)測方法 。 2. 確定典型 地層巖體 的 鉆頭振動特性響應(yīng)特征 ；提出 提高信道傳輸能力的 方法；形成 應(yīng)用鉆井實(shí)時測量信息， 實(shí)時修正鉆井地質(zhì)力學(xué)模型，準(zhǔn)確判斷井下工況的方法 。 3. 初步提出在深井條件下超臨界二氧化碳射流破巖鉆井設(shè)計(jì)方法 ；建立深井復(fù)雜地層不同約束條件下高效破巖鉆井方式的優(yōu)選準(zhǔn)則和目標(biāo)函數(shù)；初步建立深井復(fù)雜地層三維鉆井軌跡仿真計(jì)算系統(tǒng)。 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。 6. 建立深井井身結(jié)構(gòu)構(gòu)建準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法，根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。初步形成深井復(fù)雜地層高效鉆井的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。初步提出井筒系統(tǒng)的失效評價(jià)準(zhǔn)則和可靠性評價(jià)模型。提出深井復(fù)雜地層鉆井風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)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(jī)理及其破壞動態(tài)變化規(guī)律。建立高塑性地層井壁失穩(wěn)程度和時效的評估方法；研究適合不同漏失特征的堵漏方法，形成地層承壓能力評估模型與井壁失穩(wěn)的控制準(zhǔn)則，探索有效預(yù)防和控制復(fù)雜地層漏失與井壁失穩(wěn)的方法對策。 6. 深井復(fù)雜地層井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。 鉆井方式轉(zhuǎn)換的預(yù)案與對策 研究， 不同鉆井方式和破巖方法的現(xiàn)場試驗(yàn)及效果評價(jià)。 深井復(fù)雜地層井筒失效分析研究。 深井復(fù)雜地層鉆井風(fēng)險(xiǎn) 評價(jià)模型研究 。不同 級別鉆井風(fēng)險(xiǎn)規(guī)調(diào)控方案研究。 及調(diào)控機(jī)制。 第 五 年 1. 驗(yàn)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(jī)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(xì)控制方法。 3. 選定典型區(qū)域，開展現(xiàn)場試驗(yàn)，進(jìn)行成果驗(yàn)證； 4. 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)情況，進(jìn)行理論及模型的完善； 課題 驗(yàn)收總結(jié)。 1. 形成完整的深井復(fù)雜地層巖體力學(xué)特征與參數(shù)表征的實(shí)驗(yàn)測試方法、地球物理預(yù)測模型和鉆井動態(tài)實(shí)時評估模型。 2. 形成綜合利用鉆頭相關(guān)研究成果、隨鉆監(jiān)測各種信息減少鉆井復(fù)雜與事故，提高鉆井效率的理論與方法； 3. 現(xiàn)場驗(yàn)證深井復(fù)雜地層 卸載相關(guān)的破巖機(jī)理與高效破巖新方法。 優(yōu)選出適合深井工程的 12 種高效破巖鉆井新方法 。 4. 建立復(fù)雜地層壓力系統(tǒng) 條件下井筒壓力系統(tǒng)的精細(xì)控制方法。 5. 完成井漏 及井壁失穩(wěn)機(jī)理模型和19 19 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 評估方法。 6. 形成深井安全高效鉆井設(shè)計(jì)平臺和風(fēng)險(xiǎn)控制理論及方法。 7. 提交課題驗(yàn)收總結(jié)報(bào)告 20 20 項(xiàng)目名稱： 煤炭深部開采中的動力災(zāi)害機(jī)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(qiáng)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(jī)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。目前， 我國煤炭資源已轉(zhuǎn)入深部開采， 但相關(guān)的基礎(chǔ)研究還不夠 系統(tǒng)深入 ，缺乏對深部開采條件下動力災(zāi)害的孕育 發(fā)生 演化機(jī)理、基礎(chǔ)科學(xué)問題以及預(yù)警防治對策的系統(tǒng)研究，亟待在相關(guān)的基礎(chǔ)理論方面取得突破，建立煤礦深部動力災(zāi)害綜合防治的理論與技術(shù)體系。 針對國家能源的重大需求以及煤炭深部開采中存在的重大問題，本項(xiàng)目擬解決以下四個關(guān)鍵科學(xué)問題： 地質(zhì)賦存條件對深部煤礦動力災(zāi)害的作用機(jī)制及量化 分析方法 在長期的地質(zhì)演變過程中深部煤巖體內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的變形能，其儲能程度和原巖應(yīng)力分布既取決于煤巖體的硬度、致密性和礦物成分，也取決于地質(zhì)構(gòu)造、斷層、褶曲的程度。同時深部煤層開采時堅(jiān)硬頂板 (特別是厚層砂巖頂板 )的運(yùn)動失穩(wěn)也是導(dǎo)致礦柱和采場巷道工作面發(fā)生瞬時沖擊動力災(zāi)害的誘因。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(jī)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。通過研究這一科學(xué)問題，揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造和原巖應(yīng)力條件對煤 礦深井動力災(zāi)害成災(zāi)的作用機(jī)制。 深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應(yīng)特征 深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結(jié)構(gòu)。深部煤炭的集中開采強(qiáng)烈擾動使得采場和巷道周圍的煤巖體不可避免地發(fā)生變形和破壞從而形成斷續(xù)結(jié)構(gòu)。 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(qiáng)度不斷衰減的循環(huán)過程，從而導(dǎo)致大變形、強(qiáng)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。在深部煤炭開采工程中，巷道圍巖的破壞并不意味著巷道的失效， 圍巖的突發(fā)性動力破壞是由于斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征 、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結(jié)果。因此 通過探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應(yīng)特征這一科學(xué)問題，研究斷續(xù)煤巖體結(jié)構(gòu)特征及 破裂后的 變形破壞特征，研究允許圍巖破壞但限制其變形發(fā)展的穩(wěn)定條件，從而搞清楚 巷道圍巖破裂后（峰后）的力學(xué)響應(yīng)、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動力失穩(wěn)控制對策。 采動應(yīng)力分布、能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理 開采前煤巖體處于深部三維應(yīng)力平衡狀態(tài)下，開采活動打破了原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致采場三維空間中的宏觀應(yīng)力場與能量場的重新分布，這種應(yīng)力場與能量場的動態(tài)演化與發(fā)展必 然為動力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。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(jī)理是本項(xiàng)目的重要科學(xué)問題。通過回答這一科學(xué)問題，揭示深部裂隙煤巖體在開采過程中的能量積聚與釋放機(jī)制、能量場的時空演化規(guī)律以及動力災(zāi)變的能量觸發(fā)條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動力失穩(wěn)的模型與判別準(zhǔn)則和能量分析體系。 深部煤礦動力災(zāi)害的多參量監(jiān)測預(yù)警與防治的理論與方法 22 22 在深部煤礦動力災(zāi)害孕育發(fā)展過程中，煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化并同時伴隨能量的釋放，其中，微震、聲發(fā)射、電磁輻射就是這種釋放過程的物理效應(yīng)之一。研 究煤巖體在變形破壞過程中的應(yīng)力、微震、聲發(fā)射、電磁輻射等前兆信息規(guī)律，通過監(jiān)測、分析井巷和采場附近煤巖體的應(yīng)力變化及微震、聲發(fā)射和電磁輻射活動等前兆信息的多參量動態(tài)變化趨勢，就可以建立煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)和有效的防治。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(jìn)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。同時從沖擊地壓等動力災(zāi)害發(fā)生的條件入手，研究如何實(shí)現(xiàn)對煤巖體彈性能積聚與釋放進(jìn)行有效控制的開采方法與防治技術(shù) (如深孔斷頂爆破、定向水力致裂等 )，從而實(shí)現(xiàn)對深 部煤礦動力災(zāi)害的有效預(yù)防。 （二）主要研究內(nèi)容 圍繞上述關(guān)鍵科學(xué)問題 ， 具體研究內(nèi)容如下： 1. 深部煤礦動力災(zāi)害的地質(zhì)構(gòu)造條件、原巖應(yīng)力特征及相互作用機(jī)制 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，從本質(zhì)上把握煤、巖石的宏觀力學(xué)特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性；研究煤層斷層褶曲構(gòu)造特征與構(gòu)造應(yīng)力分布規(guī)律，建立地球物理信號精細(xì)探測響應(yīng)特征和反演解釋理論和綜合探測方法；研究煤巖石礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與沖擊傾向性的耦合關(guān)系和模型描述，構(gòu)建煤、巖石組分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)沖擊傾向性 的判別準(zhǔn)則。 2．深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律及其動力響應(yīng)特征 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，獲取巖石破裂后繼續(xù)破碎過程中強(qiáng)度衰減的真實(shí)演化特征；研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)變形破壞規(guī)律，探討不同尺寸結(jié)構(gòu)煤巖體的變形機(jī)制、結(jié)構(gòu)面效應(yīng)和破壞準(zhǔn)則；研究斷續(xù)煤巖體的結(jié)構(gòu)面變形和斷層錯動過程中超低摩擦效應(yīng)和動力響應(yīng)特征，揭示深部煤礦動力災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理。 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(jī) 理 研究深部高地應(yīng)力與強(qiáng)開采條件下覆巖破斷方式、覆巖空間結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)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(jī)制、孕災(zāi)過程及判別準(zhǔn)則，建立覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)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(yùn)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(jī)理。 4．深部開采過程中能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理 研究深部原巖應(yīng)力場與動態(tài)開