【文章內(nèi)容簡介】 多相多組分鉆井液的流動規(guī)律研究；針對深井復雜地層鉆井，開展新的鉆井多相流體水力參數(shù)設計準則和 1. 得出 高溫高壓條件下 軟巖大 變形的破壞規(guī)律、強度、 變形特征和軟巖 力學行為的細觀組織結構、缺陷的演化模式 ， 查清 軟巖大變形 的物理力學機制 得出 縫洞性圍巖體的應力場特征及非連續(xù)井壁流固 耦合機理 ；初步建立高溫高壓下深部軟 巖變形 的分析模型和預測理論， 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 深井復雜地層鉆井過程中相關地質(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計方法；初步建立深井復雜地層三維鉆井軌跡仿真計算模型。提出不同約束條件下高效破巖工具的優(yōu)化設計方案。 4. 獲得 多相多組分鉆井液的流動規(guī)律 ；獲得復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 預期目標 優(yōu)化方法研究；開展超臨界條件下應用 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系。 5. 開展室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬，研究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。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測模型，為深部高塑性地層的井壁穩(wěn)定控制奠定基礎。 6. 地質(zhì)不確定因素與鉆井安全及效率的相互制約機理研究。鉆井方式和參數(shù)優(yōu)選方法研究。井身結構設計方法及鉆具動態(tài)特性現(xiàn)場試驗?；谀：C合分析方法的套管柱風險評價研究。深井復 雜地層鉆井風險因素及相關性研究。 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。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測模型。 6. 得出地質(zhì)條件不確定度、 井身結構設計方案、鉆井安全因素、鉆井效率和效益之間的相互制約關系，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險評價方法。 揭示深井復雜地層鉆井過程中實際遇到的風險種類與風險因素的相互聯(lián)系。 17 17 年度 研究內(nèi)容 預期目標 第 四 年 1. 應用地球物理理論和方法，建立深井復雜地層 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 預測和 評價方法 2. 數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結合，研究鉆頭振動特性參數(shù)與地層巖體物理屬性的 相關性；鉆柱聲波傳輸信道噪聲及碼間干擾處理方法研究；研究應用鉆井實時測量信息，實時修正鉆井地質(zhì)力學模型，準確判斷井下工況的方法；現(xiàn)場驗證研究形成的理論與方法。 3. 深井復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；深井復雜地層三維鉆井軌跡仿真計算系統(tǒng)研究。 4. 研究井 筒流體與地層縫洞的相互作用機理，揭示復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)的預測模型 ； 研究井筒壓力系統(tǒng)的失穩(wěn)條件及控制機制 5. 通過模擬井下條件的泥頁巖水化過程變形實驗， 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模型和動態(tài)井壁穩(wěn)定的化學與力學1. 深井復雜地層 地球物理屬性與巖體物性相聯(lián)系的地層 孔隙流體 壓力預測模型 ； 深井復雜地層異?？紫读黧w壓力綜合預測方法 。 2. 確定典型 地層巖體 的 鉆頭振動特性響應特征 ；提出 提高信道傳輸能力的 方法；形成 應用鉆井實時測量信息， 實時修正鉆井地質(zhì)力學模型，準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計方法 ；建立深井復雜地層不同約束條件下高效破巖鉆井方式的優(yōu)選準則和目標函數(shù)；初步建立深井復雜地層三維鉆井軌跡仿真計算系統(tǒng)。 4. 獲得復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模型和動態(tài)井壁穩(wěn)定的化學與力學耦合模型 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)的控制準則。 6. 建立深井井身結構構建準則和設計方法，根據(jù)工程實際進行井身結構設計。初步形成深井復雜地層高效鉆井的參數(shù)優(yōu)化設計方法。初步提出井筒系統(tǒng)的失效評價準則和可靠性評價模型。提出深井復雜地層鉆井風險評價模型18 18 年度 研究內(nèi)容 預期目標 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。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)的控制準則，探索有效預防和控制復雜地層漏失與井壁失穩(wěn)的方法對策。 6. 深井復雜地層井身結構設計準則及優(yōu)化設計方法研究。 鉆井方式轉(zhuǎn)換的預案與對策 研究， 不同鉆井方式和破巖方法的現(xiàn)場試驗及效果評價。 深井復雜地層井筒失效分析研究。 深井復雜地層鉆井風險 評價模型研究 。不同 級別鉆井風險規(guī)調(diào)控方案研究。 及調(diào)控機制。 第 五 年 1. 驗證和完善前述分析模型和預測理論 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。 3. 選定典型區(qū)域，開展現(xiàn)場試驗，進行成果驗證； 4. 根據(jù)現(xiàn)場實驗情況，進行理論及模型的完善； 課題 驗收總結。 1. 形成完整的深井復雜地層巖體力學特征與參數(shù)表征的實驗測試方法、地球物理預測模型和鉆井動態(tài)實時評估模型。 2. 形成綜合利用鉆頭相關研究成果、隨鉆監(jiān)測各種信息減少鉆井復雜與事故，提高鉆井效率的理論與方法； 3. 現(xiàn)場驗證深井復雜地層 卸載相關的破巖機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. 建立復雜地層壓力系統(tǒng) 條件下井筒壓力系統(tǒng)的精細控制方法。 5. 完成井漏 及井壁失穩(wěn)機理模型和19 19 年度 研究內(nèi)容 預期目標 評估方法。 6. 形成深井安全高效鉆井設計平臺和風險控制理論及方法。 7. 提交課題驗收總結報告 20 20 項目名稱： 煤炭深部開采中的動力災害機理與防治基礎研究 首席科學家： 姜耀東 中國礦業(yè)大學（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）關鍵的科學問題 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)構造、應力場特征、煤巖體的破碎性質(zhì)與動力響 應特征、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，深部礦井動力災害的致災機理、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。目前， 我國煤炭資源已轉(zhuǎn)入深部開采， 但相關的基礎研究還不夠 系統(tǒng)深入 ，缺乏對深部開采條件下動力災害的孕育 發(fā)生 演化機理、基礎科學問題以及預警防治對策的系統(tǒng)研究，亟待在相關的基礎理論方面取得突破，建立煤礦深部動力災害綜合防治的理論與技術體系。 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，本項目擬解決以下四個關鍵科學問題： 地質(zhì)賦存條件對深部煤礦動力災害的作用機制及量化 分析方法 在長期的地質(zhì)演變過程中深部煤巖體內(nèi)蘊藏著巨大的變形能，其儲能程度和原巖應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)構造、斷層、褶曲的程度。同時深部煤層開采時堅硬頂板 (特別是厚層砂巖頂板 )的運動失穩(wěn)也是導致礦柱和采場巷道工作面發(fā)生瞬時沖擊動力災害的誘因。因此深部煤巖動力災害與煤巖組分、斷層、褶曲、原始應力場和構造應力異常密切相關，如何科學定量描述地質(zhì)賦存條件的作用機制及其與煤礦動力災害的相關性是一個共性科學問題。通過研究這一科學問題，揭示煤巖體的沖擊傾向性、地質(zhì)構造和原巖應力條件對煤 礦深井動力災害成災的作用機制。 深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應特征 深部煤巖體通常為含有節(jié)理裂隙的層狀結構。深部煤炭的集中開采強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)結構。 在多次開采擾動和長期的流變過程中， 這種斷續(xù)結構煤巖體 會 出現(xiàn)新的破裂和強度不斷衰減的循環(huán)過程，從而導致大變形、強流變 和超低摩擦效應，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)煤巖體結構特征 、外載荷作用、巖石卸壓與能量釋放的共同作用結果。因此 通過探索深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應特征這一科學問題，研究斷續(xù)煤巖體結構特征及 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）的力學響應、圍巖失穩(wěn)特性及其演化規(guī)律和動力失穩(wěn)控制對策。 采動應力分布、能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災機理 開采前煤巖體處于深部三維應力平衡狀態(tài)下，開采活動打破了原有的應力平衡，導致采場三維空間中的宏觀應力場與能量場的重新分布，這種應力場與能量場的動態(tài)演化與發(fā)展必 然為動力災害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件。因此采動應力分布和能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災機理是本項目的重要科學問題。通過回答這一科學問題，揭示深部裂隙煤巖體在開采過程中的能量積聚與釋放機制、能量場的時空演化規(guī)律以及動力災變的能量觸發(fā)條件，提出基于能量突變的深部煤巖體動力失穩(wěn)的模型與判別準則和能量分析體系。 深部煤礦動力災害的多參量監(jiān)測預警與防治的理論與方法 22 22 在深部煤礦動力災害孕育發(fā)展過程中，煤巖體中的應力狀態(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之一。研 究煤巖體在變形破壞過程中的應力、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害監(jiān)測預警系統(tǒng)進行預警預報和有效的防治。因此，研究深部煤礦動力災害的前兆信息、多參數(shù)識別理論與預警模型，是進行災害準確預測和有效防治的前提，是急需解決的科學問題。同時從沖擊地壓等動力災害發(fā)生的條件入手，研究如何實現(xiàn)對煤巖體彈性能積聚與釋放進行有效控制的開采方法與防治技術 (如深孔斷頂爆破、定向水力致裂等 )，從而實現(xiàn)對深 部煤礦動力災害的有效預防。 （二）主要研究內(nèi)容 圍繞上述關鍵科學問題 ， 具體研究內(nèi)容如下： 1. 深部煤礦動力災害的地質(zhì)構造條件、原巖應力特征及相互作用機制 研究我國深部煤層地質(zhì)構造特征，探索煤層、頂?shù)讕r層空間結構、宏觀力學性質(zhì)與動力突出之間的關系，從本質(zhì)上把握煤、巖石的宏觀力學特性及其沖擊傾向性的內(nèi)在屬性；研究煤層斷層褶曲構造特征與構造應力分布規(guī)律，建立地球物理信號精細探測響應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觀結構與沖擊傾向性的耦合關系和模型描述，構建煤、巖石組分和細觀結構沖擊傾向性 的判別準則。 2．深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律及其動力響應特征 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)律及其力學特性，探索煤、巖石微結構、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)破碎過程中強度衰減的真實演化特征；研究斷續(xù)煤巖體的結構變形破壞規(guī)律，探討不同尺寸結構煤巖體的變形機制、結構面效應和破壞準則；研究斷續(xù)煤巖體的結構面變形和斷層錯動過程中超低摩擦效應和動力響應特征，揭示深部煤礦動力災害的致災機理。 3．深部采動應力場時空分布規(guī)律及對動力災害孕災過程的控制機 理 研究深部高地應力與強開采條件下覆巖破斷方式、覆巖空間結構形式和運動規(guī)律，建立覆巖空間結構模式與動力災害的關系模型；研究“覆巖空間結構 空間應力場 區(qū)域性沖擊”與“局部應力異常 局部微震”的多尺度深部動力災害的觸發(fā)機制、孕災過程及判別準則，建立覆巖空間結構運動與采動應力場耦合過程中的應力突變、能量激增的非線性動力學模型；揭示深部開采誘致覆巖運動與采動應力場時空分布對動力災害孕災過程的控制機理。 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機理 研究深部原巖應力場與動態(tài)開