钻井法超深井筒固井前竖向结构稳定性研究

作     者：单仁亮 韩天宇 荆国业 谭杰 李伟捷 乔东杰 许镇宇 付新鹏 

作者机构：煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院 天地科技股份有限公司 中煤特殊凿井有限责任公司 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目(2021-2-TD-ZD006) 

主　　题：钻井法凿井 超深井筒 竖向稳定性 能量法 线性屈曲 悬浮下沉 

摘      要：针对钻井法超深井筒竖向稳定性问题，首先将非满配重水钻井井筒等截面临界高度公式结果与变截面钻井井壁临界高度公式结果进行比较。计算龙固、板集井筒的竖向稳定性，并研究了不同井壁自重和配重水高度情况下井壁临界高度变化规律。最后以某矿钻井法风井为工程原型，采用数值计算线性屈曲分析方法，计算分析了不同井壁自重减重幅度和配重水高度情况下该风井井壁结构竖向稳定性变化规律。研究结果表明：随着井壁自重的减小，配重水高度必须增加，若井壁自重每减少2kN/m3，为满足悬浮下沉要求，Hcw1、Hcw2分别增加15%、14%。由于等截面理论公式计算时井筒重心高于实际变截面井筒，等截面理论公式结果大于变截面公式，本文按等截面理论公式计算龙固、板集井筒的结果是偏于保守的。减小井壁自重和适当增大配重水高度都能增加井壁临界高度，随着井壁自重的减小，井壁临界高度呈现出非线性增大趋势，且两种方式相辅相成，相互增益，可有效增强井筒纵向稳定性。通过数值计算线性屈曲分析可有效模拟钻井法井筒固井前挠曲线形态和失稳状态，某矿风井在井壁减重20%后第1阶屈曲特征值提高1.8倍。不同配重水高度条件下Mises应力随井筒深度变化路径有显著差别，对于井壁结构竖向稳定而言，配重水高度不是越大越好，不同配重水高度条件下应力随井筒深度变化路径不同是引起钻井法超深井筒出现最优配重水高度的原因。研究结果可为后续钻井法凿井工业性试验工程的开展提供技术支撑。