厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E ‘I Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ． 2 0 2 l 厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁 受拉破断机理 程桦1 ’2 ，曹广勇1 ’3 ，姚直书1 ，荣传新1 ，张亮亮1 1 ，安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．安徽大学资源与环境工程学院，安徽合肥2 3 0 0 2 2 ；3 ．安徽省建筑结构与地下工程重 点实验室，安徽合肥2 3 0 6 0 1 摘要为揭示厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理，以安徽淮南矿区某在建煤 矿副井为背景，分析厚表土薄基岩钻井井筒受拉破断过程与特征，建立马头门上覆岩层弯曲变形竖 向剪切拉应力力学模型，给出井筒围岩分层竖向位移函数，采用最小势能原理及弹性力学理论推导 出井筒竖向拉应力解析解。分析表明，井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响发生弯曲变形是 产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力的致因；该剪切拉应力产生的作用于井筒之上的拉力由下 而上积累到某一阈值，该闽值与井筒自重应力的合力超过钻井井筒极限抗拉强度时，在钻井井筒接 头处发生第1 次拉断破坏，其后，随着岩层弯曲变形发展，拉断处以上井筒继续受竖向剪切拉应力 作用而发生第2 次拉断破坏，并导致底部含水层水砂渍入井筒发生淹井事故。马头门围岩的稳定 性对改变上部钻井井筒受力状态有重要影响，其上覆基岩越薄影响越大，越易发生钻井井壁拉断破 坏，基岩与风化基岩弹性模量比和风化基岩与底含弹性模量比对井筒发生拉断破坏时的位置，以及 对应马头门顶部最大竖向位移影响均较小。通过采用钻井井筒竖向受拉等强设计、钻井井筒底部 设置壁座、马头门至钻井井筒底部基岩段设置1 ～2 道水平隔离缝、地面L 型注浆加固马头门软弱 围岩等技术途径，完善现行相关设计规范，确保钻井井筒运行安全。 关键词厚表土；薄基岩；钻井井筒；涌水溃砂；剪切拉应力 中图分类号T D 2 6文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 1 _ 0 1 0 0 1 2 T e n s i l ef r a c t u r em e c h a I l i s mo fd r i l l i n gs h a f tu n d e rt h es p e c i a le n g i n e e r i n g c o n d i t i o n sO ft h i c kA U u v i u ma n dt h i nb e d r o c k C H E N G H u a l ”，C A 0G u a n g y o n 9 1 ⋯，Y A Oz h i s h u l ，R O N GC h u a n x i n l ，z H A N GL i a n 甜i a n 9 1 1 ．＆危o o z0 ，c 知村E 画瑚洲n g 伽dA r c 概时t Ⅱ肥，A 砒“‰眈舟妇矿s c i e 删n 蒯扎c n o z o g y ，肌Ⅱi 尬凡2 3 2 0 0 l ，吼i n o ；2 ．5 c o o z 矿船s o M r c 黜。蒯砌目i r 0 凡- m P n 删E 昭i 聊e 增，A n u ；‰眺瑙蚵，地觑2 3 0 0 2 2 ，吼汛。；3 ．A n “P 埘疽加矧 毋如6 0 m ￡o ，y 旷B u i 腽i 增＆r M 以n 阳n n d ‰d e r g r o “n dE ，皤i 聊e n g ，脚i 2 3 0 6 0 1 。C 忍i 厅口 A b s t r a c t I no r d e rt or e V e a lt h et e n s i l ef h c t u r em e c h a n i s mo fd r i l l i n gs h a f tl i n i n gu n d e rt h es p e c i a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n so ft h i c ka l l u V i u ma n dt h i nb e d r o c k ’b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fac o a ln l i n ea u x i l i a r ys h a f tu n d e rc o n s t l l J c t i o ni n A n h u iH u a i n a nm i n i n ga r e a ，C h i n a ，t h ep r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd r i U i n gs h a f tm p t u I ℃u n d e rt e n s i o ni nt h i c ka l l u v i u ma n dt h i nb e d r o c ka r ea n a l y z e d ，t h em e c h a n i c a lm o d e lo fv e r t i c a ls h e a rs t r e s sf o rb e n d i n gd e f o 咖a t i o no fo v e r l y i n g 收稿日期2 0 1 9 1 2 3 0修回日期2 0 2 0 0 3 1 8责任编辑黄小雨 D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／jc nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．1 6 7 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 0 0 5 作者简介程桦 1 9 5 6 一 ，男，安徽巢湖人，教授，博士生导师。E m a i l h c h e n g a u s t ．e d uc n 通讯作者张亮亮 1 9 9 2 一 ，男，安徽安庆人，博士研究生。E m a i l z l l a u s t 1 6 3 ．c o m 引用格式程桦，曹广勇，姚直书，等．厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 1 1 0 0 一1 1 1 ． C H E N GH u a ，C A 0G u a n g y o n g ，Y A 0Z h i s h u ，e ta 1 ．T e n s i l ef r a c t u r em e c h a n i s mo fd r i l l i n gs h a f Iu n d e rt h es p e c i a l e n g i n e e r i n gc o n d j t i o n so f t h i c ka 1 1 u v i u ma n dt h i nb e d r o c k [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 1 1 0 0 1 1 1 移动阅读 万方数据 第1 期程桦等厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理 1 0 1 s t r a t ai ns h a f ti n g a t ei se s t a b l i s h e d ，t h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n tf u n c t i o no fs u r m u n d i n gs t m t ai s 舀v e n ，a n dt h ea n a l r t i c a l s o l u t i o no fv e r t i c a lt e n s i l es t r e s so fs h a f ti sd e d u c e db yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fI I l i n i m u mp o t e n t i a le n e I j g ya n dt h et h e o r yo f e l a s t i cm e c h a n i c s ．T h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h eb e n d i n gd e f o H n a t i o no ft h eo v e r l y i n gs t r a t ao nt h es h a f ti n g a t ei st h ec a u s e o ft h ev e r 【i c a ls h e a rs t r e s sa c t i n go nt h es h a f t ．T h et e n s i l es t r e s sg e n e r a t e db yt h es h e a rt e n s i l es t r e s sa c t i n go nt h es h a f t a c c u m u l a t e st oat h r e s h o l dV a l u ef 而mb o t t o mt ot o p ．W 1 1 e nt h er e s u l t a n tf o r c eo ft h et h r e s h o l dV a l u ea n dt h es h a f ts e n w e i g h ts t r e s se x c e e d st h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n 昏ho ft h es h 址，t h e6 r s tr u p t u r ef a i l u r eo c c u r sa tt h ej o i n to ft h ed r i l l i n g s h 曲，a n dt h e n ，埘t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eb e n d i n gd e f o 珊a t i o no ft h em c ks t r a t u m ，t h es h a f ta b o v et h ef a i l u r ec o n t i n u e s t ob es u b j e c t e dt ot h ev e r t i c a ls h e a rt e n s i l es t r e s s ，r e s u l t i n gi nt h es e c o n dt e n s i l ef a i l u r e ，w h i c hl e a d st ot h e Ⅱo o d i n ga c c i - d e n to fw a t e ra n ds a n db u I s t i n gi n t ot h es h a f ti nt h eb o t t o ma q u i f e r ．T h es t a b i l i t yo ft h es u I T o u n d i n gm c ko fs h a f ti n g a t e h a sas i g n i 6 c a n ti n f l u e n c eo nt h es t r e s ss t a t eo ft h eu p p e rd l l i n gs h a f t ．T h et h i n n e rt h eo V e r b u r d e nb e d m c ki s ，t h em o r e l i k e l yt h ed r i l l i n gs h a f tw i l lb eb m k e n ，t h ee l a s t i cm o d u l u sr a t i oo fb e d r o c kt ow e a t h e r e db e d r o c ka n dt h ee l a s t i cm o d u l u s m t i oo fw e a t h e r e db e d m c kt ob o t t o ma q u i f e rh a v el i t t l ei n n u e n c eo nt h el o c a t i o no fs h a f tm p t u r ea n dt h em a i m u mV e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta tt h et o po fc o H ℃s p o n d i n gs h a f ti n g a t e ．B ya d o p t i n gs u c ht e c h n i c a la p p r o a c h e sa se q u a ls t r e n 殍hd e s i g n f o rv e r t i c a lt e n s i o no fd r i U i n gs h 撕，w a l lb a s ea tt h eb o t t o mo fd d U i n gs h 以，1 2h o r i z o n t a li s o l a t i o nj o i n t sf I o ms h a f ti n g a t et ob e d r o c ka tt h eb o t t o mo fd r i l l i n gs h 撕，s u d ’a c eL g m u t i n gt or e i n f o r c es o f ts u r r o u n d i n gr o c ko fs h a f ti n g a t e ，t h e c u n ．e n tr e l e V a n td e s i g ns p e c i 6 c a t i o n sa r ei m p m v e dt oe n s u r et h es a f e t yo fd r i l l i n gs h a f to p e m t i o n ． K e yw o r d s t h i c ka 1 1 u v i u m ；t h i nb e d I D c k ；d r i l l i n gs h a f t ；w a t e ra n ds a n di n r u s h ；s h e a rt e n s i l es t r e s s 2 0 0 9 0 4 1 8 ，安徽淮南矿区某在建煤矿副井井 筒突发涌水溃砂，并引发主、风井次生破坏，造成淹井 事故。此后井筒修复揭露的破坏形态表明，该矿副井 井壁不但发生了受拉破裂，而且还在不少钻井井壁接 头法兰盘上下附近出现了环向压性裂缝，主、风井主 要以后者环向压性裂缝为主。其破坏特征与1 9 8 7 年 以来我国黄淮地区相继出现的2 0 0 多个立井井筒因 底含疏水固结沉降导致的井壁破坏有本质不同。 国内学者针对黄淮地区立井井筒因底含疏水固 结沉降导致的井壁破坏机理，开展了大量研究，并对 其破坏原因形成了共识。如，楼根达等o 揭示了疏 水沉降地层井壁受力破坏机理，并推导了井筒竖向附 加应力计算公式；笔者∽‘3o 采用模糊理论、数值模拟 和模型试验方法建立松散层疏水沉降井筒负摩擦力 计算方法，并提出了可缩性接头设置优化原则；苏骏 等H 巧1 根据广义剪切位移法推导了井筒竖向附加应 力解析解；徐晓峰等∞1 根据轴对称原理和薄板理论 得到井筒附加应力沿深度方向的分布规律；杨维好 等“ 1 基于弹性理论，求出井壁与地层间无相对滑动 时疏水地层井筒附加力的弹性解析解；姚直书等怫1 对由负摩擦力作用引起曲江风井井筒的破坏过程进 行分析，并提出架设槽钢井圈、充填混凝土和壁后注 浆等有效措施；王伟成∽1 根据第四强度理论分别计 算了摩擦阻力为直线分布和三角形分布2 种形式下 的摩擦阻力极限值；葛晓光叫以M a X w e u 流变模型 为基础，用有限元法模拟地层疏水沉降过程中土层和 井壁的应力演变规律。但上述研究成果主要是探讨 底含疏水沉降引起上覆土层作用于井壁上竖向附加 力的分布规律，而针对厚表土薄基岩地层大直径钻井 井筒受拉破断突水溃砂机理的研究鲜有报道。 笔者以淮南矿区某在建煤矿副井井筒为工程背 景，基于钻井井筒受拉破断过程与特征，运用最小势 能原理，建立马头门上覆岩层弯曲变形竖向剪切拉应 力力学模型，推导相应的解析解；分析钻井井筒竖向 剪切拉应力分布规律，揭示厚表土薄基岩大直径钻井 井筒受拉破断突水溃砂破坏机理。为改进完善大直 径钻井井壁设计理论，确保类似水文与工程地质条件 钻井井筒安全提供理论依据。 1 工程背景与井筒破坏特征 1 ．1 工程背景 淮南矿区某在建煤矿设计年生产能力 3 ．0M ∥a ，设计水平标高为一7 3 5m 。工业广场主 井、副井和风井3 个井筒穿过的新生界地层和基 岩风化带段分别采用钻井法和普通法施工。井筒 和井壁结构特征与参数见表l 。 该矿井井筒穿越新生界松散层深厚，包括3 个隔 水层及4 个含水层，各含水层含水丰富且四含直接覆 盖于风化基岩之上。副井马头门及其硐室群位于煤 系地层，马头门下部为1 0m 左右的花斑泥岩 抗压 强度1 0 ．8 ～1 4 ．0M P a ；管子道上部主要为泥岩、砂 质泥岩、中细砂岩和总厚度约1 6 ．0m 的9 层煤层，距 风化基岩1 2 7 ．5m 。该矿副井井筒结构以及马头门 至四含底部的地层柱状图如图1 所示。 万方数据 1 0 2 煤炭学报2 0 2 1 年第4 6 卷 表1 主、副、风钻井井壁特征 T a b l e1W a I lc h a m c t e r i s t i c so fm a i n ，a u x i l i a r ya n dw i I I dd r i I l i n g 井简净直径／m井简全深／m 表土深度／m 钻井井壁支护深度／m井壁厚度／m m 钢筋混凝土双层钢板井壁钢筋混凝土双层钢板井壁 注钢筋混凝土井壁混凝土强度等级为c 3 0 ～C 6 0 ，容重为2 6k N ／m 3 ；钢板井壁内外钢板厚度为l O ～3 0m m ，混凝土强度等级为C 6 0 ～c 7 0 ；钢 板材料为3 4 锰钢，屈服强度为3 4 5M P a ；焊条采用E 5 0 型，焊缝抗拉强度为2 0 0N ／m m 2 。 累深／m 石J I 云柱状 5 8 0 ．9 0 风化泥岩 5 9 3 ．9 0 风化煤 6 1 1 ．5 0 泥岩 i 6 3 0 ．0 0 中砂岩 6 4 0 ．0 2 砂岩 6 4 8 ．5 0 砂质泥岩 6 6 4 ．5 0 细砂岩 6 7 3 ．8 0 粉砂岩 ’ 6 8 2 ．0 5 泥岩 ＼ 6 8 2 ．5 5 煤9 1 、 6 9 3 ．9 5 泥岩 6 9 6 ．3 5 煤8 ＼ 7 0 2 _ 3 0 泥岩 、、 7 0 3 ．4 0煤7 一l ＼ 、 7 0 7 ．3 0 砂质泥岩 门 7 0 7 ．7 0 煤 | 7 1 8 ．2 5 泥岩 7 1 9 ．1 0 煤6 2／ 7 2 3 ．2 0 砂质泥岩 { l 7 2 4 ．3 0 煤6 一l | 7 3 0 ．9 0 泥岩 ／ 7 3 6 ．9 5 煤6 ．| 7 4 2 ．4 5 砂质泥岩 | t 7 4 3 ．6 0 煤4 2 ／ 7 5 5 ．5 0 砂质泥岩 ／／ 。f 导 暑i壁厚 壁b 0 ．6 0 一 M0唰 I 蓥 荨 刊 珍 I 中 一 罂 辏累深 ．心 1 4 4 ．4 0 一 I “ 壁厚 尺3 ．8 5 l 或 o O ．8 0 o 缎 o n 一 累深 2 7 4 ．4 0 ∞ 壁厚1 ．0 0 1 I n 口 月3 ．6 5 ／ N { 井 o - n 卜n 譬 卜 线 N ， 寸 n 累深 6 1 5 ．6 2 寸 ／ 。呱 、。 ∞ 累深 ／．／0尺3 ．5 0 小 一 6 3 5 ．4 6 寸‘ U ／／ 1__r ∞ 累深 f *n 一 6 4 9 ．1 0l ／／ l ／I l El 里 o 豸 i 轰 寸 T ∞ o 一 累深7 5 5 ．5 0 ．／／／／／／／／／J { ． 7 r ． 马头门 ，／／／／ 77 V ／／／‘入 ＼ r 爿 、 图1地层柱状图以及副井井壁结构 F i g ．1S t r a t i g r 印h i ch i s t o g r a ma n da u x i l i a r ys h a ns t m c t u r ed r a w i n g 位m 万方数据 第l 期程 桦等厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理 1 ．2 底含水位与地表沉降 1 ．2 ．1 底含水位 2 0 0 9 0 4 一1 8 T 1 0 0 0 0 0 该矿副井井筒出水量 由原先的6m 3 ／1 1 增至1 2m 3 ／1 1 ，水质较混浊且拌有 泥砂，根据距副井4 3 0m “底含”水位观l 孔水位观 测数据表明，当天突水前底含承压水位 为 1 4 ．4 7m ，15 1 0 首次测得其水位下降至 一2 8 ．6 9m ，1 6 5 0 1 7 0 0 期问水位最大降至 一5 0n ，左右。其后，随着井筒内水体淹没突水口， 底含水位快速回升如图2 所示。 图2 “底含”观l 孔水位变化曲线 F i g ．2 W a t e r1 e v e lc h a n g ec u r v e fo b s e n r a t i o nh o I e “I o t t o ma I L J i 佟r ” 1 ．2 ．2 地面沉降 经推算，从副井突发断裂溃砂涌水至井筒内淹井 水位缓慢上升3 2 0m i n 内，共淹没体积达9 96 7 0m 3 ， 平均突水涌砂量为1 88 0 5n ，3 ／h 。监测表明，由于第 四含水层水砂的大量流失，导致该矿工业广场内重要 构筑物均发生了较大沉降，最大沉降量在副井井口附 近达3 2 0m m ，地表沉降量等值线如图3 所示。修复 揭露后发现，主、副、风四含以下井筒及井下巷道均被 四含中细砂密实充填，其实体总量约6 43 5 0m 3 。 图3 地表沉降破等值线 F i { } 3 I s o l i n eo fs ur f k Ps e lc l e r n e n t 1 ．3 副井井简破坏特征 该矿副井井筒1 4 0 节钻井井壁，从下往上依次编 号为l 号，2 号，3 号，⋯⋯。井筒在采取地面注浆加 固地层和冻结封水后，修复揭露共发现3 6 节法兰连 接处发生不同程度破坏。其中，井简深度1 0 0m 以浅 钢筋混凝土井壁段，共有1 7 节井壁在法兰盘上、下 2 0 0 一n H 左右范围内出现压性环向裂纹；双层钢板混 凝土复合井壁段 累深3 7 5 ．2 ～6 4 0 ．0m ，位于松散 层累深为3 4 4 ．6 ～5 7 7 ．5m 段，共有1 2 对井壁法兰连 接处被部分或全部拉开，且拉开的问距为1 0 ～ 2 0 0m m ，同时出现程度不一的水平错动，如图4 a 所示，2 节井壁拉开处均有固结水泥浆液；位于基岩 段的l l 号与1 2 号、1 2 号与1 3 号4 节井壁，如图 4 b 所示，在彼此法兰连接处沿环向全部被拉开，拉 开问距分别为2 0 0 ～2 3 0 ，1 0 ～3 0n 1 1 1 1 ，但没发生水平 错动，法兰盘拉开处被砂质泥岩和固结水泥浆辅 充⋯；。 a 表土段 b 基岩段 图4 副井井壁拉断破坏 F 唔．4 D e s I r L l ．t i o no “h ea L l i l i a l ’ys h a f t 马头门破损严重，其中东、西两侧拱顶分别下沉 3 4 l ，3 0 01 1 1 I n ，与其东侧相对应的管子道底板 累深 6 9 2 ．5 3m 下沉1 2 5 ．0 0m m ，两测点相距6 4 ．4 71 1 1 ，竖 向下沉量相差2 1 6n n ，由下而上呈逐渐变小趋势。 马头门处上部加固段5m 左右井壁在南北方向出现 约6 0 0H n 径向变形，井壁出现开裂；马头门处井壁 出现多道贯通性斜向断裂，大面积井壁混凝土延断裂 面脱落；东西两侧马头门墙体均出现1 0 0 ～3 0 0m m 的变形，临近井筒部位大面积墙体混凝土断裂。主、 风井为副井引发的次生破坏，分别共有6 ，3 9 节井壁 在法兰盘连接处上、下2 0 0n u n 范陶内，出现环向压 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 性裂纹或裂缝2 3 。。 2 井筒竖向拉力求解 2 ．1 基本假定 1 井壁和围岩均为各向同性弹性材料； 2 围岩和井壁属空间轴对称问题，并考虑围岩 分层； 3 井壁和围岩只发生竖向弯曲变形，忽略径向 变形； 4 井壁与围岩接触面处围岩的剪切变形为弹 性剪切变形。 2 ．2 力学模型 由于井筒马头门上覆岩层多次受施工扰动影响， 发生的弯曲变形自下而上逐渐衰减，由此产生的拉力 在地层弯曲变形趋于。的位置达到最大值，且在钻井 井壁法兰连接断裂处不再往上传递。其后，随着地层 弯曲变形继续增大，拉断破坏处以上的井壁将再次出 现拉力并向上传递，直至发生第2 次破坏。再后，可 能往复依次发生，直至表土含水层处，井壁被拉断出 现涌水溃砂发生淹井事故为止。因此，基于上述基本 假定和最小势能原理，以马头门拱顶为下界面，围岩 影响半径为6 0 r n _ 】4 I ，建立马头门上方基岩弯曲变形 引发井筒受拉力学模型如图5 所示，图5 中丁为井壁 所受剪切应力；H 为底含顶部到地表的厚度；A 为侧 压系数；y 为容重。 井 筒 由 心 线 地层受形曲线 图5 井筒受拉分析模型 F 嘻5A J l a l y s i sn 1 d e l ‘ fs h a f tt e l l s i o n 2 ．3 井简竖向拉力解析解 2 ．3 ．1 井筒围岩竖向位移函数 由图5 力学模型可知，在影响半径范围内的岩层 发生竖向位移，且假设竖向位移与半径满足二次抛物 线关系，超出影响半径范围外的岩层产生的竖向位移 对井壁竖向剪切拉应力影响很小，认为等于o 。根据 以上位移边界条件，假设岩层竖向位移函数[ 1 5 6 1 形 式为 妁 Ⅲ“慧 。 卜酗a ㈩ 式中，烈- 为基岩素混凝土井壁段竖向位移函数；加。 为三 0 ，， r 。时的竖向位移；r 为井筒中心至岩层任 一点水平距离；r 。为井壁外半径；尺为影响半径； 。“ 1 ，2 ，⋯，n 为基岩层位移待定系数； 。为马头 门顶部至钻井井壁底部基岩层厚度。 竖向位移在模型底部最大，沿井筒向上逐渐变 小。假设岩层变形连续，不存在离层现象，则根据不 同岩层接触面处位移协调条件有 阳 r ，矗， 2 州 r ，矗⋯ Iz t 0 2 r ，，z I ，。2 Ⅲ。 r ，， 【 矗2 结合式 1 ～ 2 ，得到不同岩层竖向位移函数 形式为 ％砘 是H 一势一挚掣] ⋯Ⅲ。 蔫 2 [ - 一静一塾一 垫半] 3 式中，Ⅲ为钻井井壁段基岩层竖向位移函数；川，为 风化基岩层竖向位移函数；6 ，，c 小 1 ，2 ，⋯，凡 分别 为钻井井壁段基岩和风化基岩位移待定系数； 为 钻井井壁底部至风化基岩层厚度； 为风化基岩层中 竖向弯曲变形衰减为。时的高度。 2 ．3 ．2 竖向拉力求解 取围岩体内任意微单元进行分析，根据弹性力学 理论⋯。可得该微单元的弹性应变能为 ”。 } 盯，s ， 盯，占， 盯s 丁。y 。 丁，y E 下，。y ，， 4 式中，”，为微单元的弹性应变能；盯，，s ，分别为径向 应力和应变；盯。，s 。分别为环向应力和应变；盯，s 分别为竖向应力和应变；丁。，丁。丁，。为剪应力；y 。 y 。，y ，。为剪应变。 由于力学模型属于空问轴对称模型，则 丁。 y ，二 7 - 唧 y 几卢 H 。 0 5 将式 5 代人式 4 得 ”。 吉 吒占， 盯 哪 丁m 6 万方数据 第1 期程桦等厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理 几何方程副为 ％ u 。。 叶，。 7 ％2i Lu t √十叶，。J L ，， 物理方程‘1 9 1 为 0 0 A 。s 触6 i Z 肛s u 8 式中，s 址为体积应变，占船 s 占， s ，；％，q 分别 为应力和应变张量；A 。，弘为拉梅常数，A 百万‰，肛2 丽‰；6 “为K r o n e c k e r 符丌i 可广j 西’肛2i 而；6 “力K m n e c k e r 付 号；E 为弹性模量；Ⅳ为泊松比。 将式 7 和式 8 代人式 6 ，得到用位移分量表 示的微单元弹性应变能为 秽。 G [ 南 警 等 警 ‘ 割‘ 等 ‘ 警 ‘ 警 等 ‘】 c 9 ， 式中，G 为剪切模量，G2 志；u r 为水平位移； 训为竖向位移。 由模型假设知u ， r ，z 0 ，式 9 可化简为 倒。 G [ 高 警 ‘ 警 ‘ 吉 等 ] 1 0 将式 1 和式 3 代人式 1 0 得到第1 次受拉破 坏力学模型中整个地层的总弹性应变能也为 K 2 ，r f 1 ，秽。。r d r a I 彳 f “2 ，“ 。r d r d 名 式中，％。为下部基岩层微单元弹性应变能；口以为中 部基岩层微单元弹性应变能；秽∞为上部风化基岩层 微单元弹性应变能。 由力学模型可知，整个力学模型共作用5 种类型 的力①底部支撑力，其做的功眵。 r 与r 相关与 位移待定系数无关；②水平侧压力，由于该处径向位 移为0 ，因此做的功也为0 ；③上部分布荷载，竖向位 移一直向上衰减至其作用面危处刚好为0 ，则上部荷 载做的功为o ；④围岩竖向变形施加在井壁上的附加 拉力；⑤重力，由于围岩发生了竖向向下的位移，其 所做的功为 r Rr Ir R r 1 2 耽 JJ2 1 T y l 埘I r d r 出 JJ 2 百y 2 加2 r d r k o7 0 J0 。r o o l r Rr 1 2 Jl 2 百y 3 加丑r d r 出 1 2 Jr oJ 1 2 式中，y 。，y ，y ，分别为下部基岩、中部基岩和上部风 化基岩容重。 由于马头门顶部至钻井井筒底部为整体浇筑素 混凝土井壁，且基岩段井壁与上部钻井井壁连接处存 在接茬缝，故该向上传递竖向拉力可忽略不计。根据 井壁与围岩相互作用原理可知，围岩竖向变形施加在 井壁上的附加拉力方向向下，由于作用力与反作用 力，围岩会受到大小相等方向向上的附加拉力F ，所 做功％为 睇h 嘞叫矧一 ㈦一。出 C ≯嘞r 0 G 3 爿～ 叭巾出 1 3 式中，G ，G ，分别为基岩层和风基岩层的剪切模量。 根据最小势能原理得到总势能为 n K 一耽一聪一肜。 r 1 4 由于真实的位移总使得总势能取最小值心0 l ，则 迅迅迅o⋯ a 口ia 6 i a c i 因模型顶部竖向位移为0 ，根据式 3 有 ∑n 。 ∑6 。 ∑c 。 1 1 6 根据式 1 5 和式 1 6 得到位移待定系数，然后 代人式 1 和式 3 ，得到下部基岩、中部基岩和上部 风化基岩竖向位移函数，再根据几何方程和物理方程 得到应变和应力函数，从而得到作用在井壁上的竖向 附加拉力，为 F h 2 邓z 等k 出 C ≯2 州， 鞘一出 ⋯， l2 1 T r 0 G 3 l 寻I 出 1 7 J l 2 ＼c I r ，r r n 井壁在竖向不仅受到附加拉力，还受到自身重力 作用，两者合力使得钻井井筒在节间连接处发生受拉 破坏，因此有 F G 。≥∥2 。￡ 1 8 式中，G 。为井壁自重，G 。 y 。y ；y 。为双层钢板混凝 土井壁容重；y 为井壁体积；f 为焊缝抗拉强度；z 。为 焊缝计算长度；￡为焊缝厚度。 3 受拉断裂机理分析 3 ．1井筒竖向拉力分布规律 以淮南矿区某矿副井钻井井筒为例 计算参数 见表2 ，按式 1 7 ， 1 8 理论分析井筒竖向拉力分 布规律。 因马头门上部基岩至钻井井壁底部为现浇素混 凝土井壁，其外壁与基岩接触面凹凸不平，井壁与岩 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 层间难以发生相对滑动，岩层变形移动产生的竖向剪 切应力很小。加之，基岩段井壁与上部钻井井壁连接 处存在接茬缝，基岩段素混凝土井壁向上传递的竖向 拉力可忽略不计。计算起点设在马头门顶部，计算时 依次增大马头门顶板处岩层竖向变形量，计算结果见 表3 。 表2 某矿副井地层物理力学参数 T a b l e2 P h y s i ∞la n dI 愀h a n i c a Ip a 均m e t e r si nl l l i I l i n ga r e a 马头门最大拉力处 竖向位距马头门距 移／m m离／m 井壁节间外表面竖向剪切力／k P a井壁接头处竖向拉力／M N 2 ～4 ～6 ～8 ～1 0 ～1 2 ～ 3 号5 号7 号9 号1 1 号1 3 号 4 ～ 5 号 6 ～ 7 号 8 ～ 9 号 1 0 一 1 1 号 1 2 ～ 1 3 号 O0000 5 ．1 7OO00 1 5 ．7 81 7 ．8 5000 3 9 ．9 85 1 ．6 8 5 6 ．7 5OO 7 2 ．1 39 7 ．9 2l l O ．5 01 1 1 ．5 30 1 0 8 ．5 01 5 0 ．7 61 7 2 ．3 41 7 4 ．8 81 7 5 ．3 4 1 3 2 ．0 41 8 5 ．1 12 1 2 ．6 92 1 6 ．3 72 1 7 ．4 5 由表3 可知，随着马头门顶部竖向位移不断增 加，井壁所受拉力最大处不断上移，且拉力越来越大。 由表2 计算参数和式 1 ， 1 7 ， 1 8 计算当马头门 拱顶最大下沉位移为5 3m m 时，由岩层变形引起的 井简竖向拉力 2 1 7 ．4 5M N 与井筒重力 2 1 ．1 3M N 的合力大于井壁接头抗拉极限 2 3 8 ．3 2M N ，井筒发 生第1 次受拉断裂破坏，破坏位置为1 2 号与1 3 号井 壁连接处 实际为1 1 号与1 2 号、1 2 号与1 3 号井壁 接头处 。发生受拉破坏时不同高度和不同水平距 离的各岩层竖向位移以及附加拉应力沿井壁的分布 形式如图6 ，7 所示。 表4 为井筒发生第2 次破坏所受拉力与马头门 顶部岩层竖向位移关系。 由表4 可知，第1 次井筒破坏后，岩层继续发生 弯曲变形，按照上述理论计算当马头门拱顶最大下沉 位移为3 9 2m m 实测为3 4 1m m 时，由岩层变形引起 的井筒