构造煤内部孔隙、裂隙极其发育,煤体松软易破碎,并且其抗压强度、抗拉强度远小于原生结构煤,较差的煤体强度势必会影响钻进效率甚至引发事故。因此,对钻进过程中构造煤井壁围岩变形进行研究,对于构造煤煤层气开发具有重要意义。本文以国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目“构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟试验系统(No.41727801)”为依托,采用室内试验、理论分析等研究手段和方法,研究重塑构造煤的基本力学性质、电阻率特性、声发射特性,探究了多级扩孔与构造煤孔壁围岩变形的关系,确定了多级扩孔钻井工艺与构造煤孔壁围岩变形的作用方式和变形分区。本文的主要研究成果如下:(1)得到了重塑构造煤的失水率、抗压强度、电阻率特性、声发射响应等基本性质。通过分析重塑构造煤标准样的失水曲线、力学性质变化规律,得出养护时间在96h以上、压制层数为3层的重塑构造煤与原状构造煤的性质最为接近的结论。并进一步探究了重塑构造煤在单轴压缩下的电阻率特性与声发射特性。试样的初始电阻率随养护时间和压制层数的增加而增大,试样在单轴压缩过程中电阻率具有先急剧降低,后下降速度放缓,试样破坏后又逐渐上升的规律。试样的声发射能量随养护时间与压制层数的增加而释放量加大,累计能量曲线在试样发生破坏前后斜率最大。(2)建立了多级扩孔-构造煤围岩模型。该模型在水平方向上通过更换钻头能够基本完成多级扩孔钻进,同时可以改变钻进时的钻压、转速,以及对扭矩、构造煤孔壁围岩应变等参数的动态采集与分析。本文通过该模型进行了钻压为5N、10N、15N,转速为80rpm、120rpm、160rpm,共九组多级扩孔-构造煤围岩钻进试验。(3)测试分析了多级扩孔下构造煤孔壁围岩随钻进参数变化的应变特征。钻压、转速的增加使得重塑构造煤孔壁围岩在初始钻进阶段、一级扩孔阶段、二级扩孔阶段的应变有逐渐增大的趋势。随着钻压与转速的逐渐增加,重塑构造煤孔壁围岩应变在初始钻进阶段与一级扩孔阶段的应变曲线的变化范围加大,而在二级扩孔阶段,构造煤孔壁围岩应变的整体变化幅度较低。扭矩对钻进阶段的反应较为强烈,其中一级扩孔阶段的扭矩平均值相比初始钻进阶段增大了228.8%,二级扩孔阶段的扭矩平均值相比一级扩孔阶段增大了219%。(4)阐明了多级扩孔钻井工艺与构造煤孔壁围岩变形的作用方式。初始钻进阶段先是钻压对煤岩体挤压使其发生弹塑性变形并产生微小裂隙,然后在钻头转速的作用下使构造煤最终破碎,为钻压-破裂方式与转速-破裂方式相继交替发生的作用方式;一级扩孔阶段中钻压对构造煤侧壁有一个挤压作用,同时构造煤孔壁围岩发生塑性变形,产生一个向钻孔中心的挤压作用,为钻压-塑性变形的作用方式;二级扩孔阶段中构造煤孔壁围岩的塑性变形作用进一步增强,然后在转速的回转切削作用下构造煤发生破碎,为转速-塑性变形的作用方式。(5)划分了多级扩孔钻井工艺下构造煤孔壁围岩的变形分区。根据多级扩孔-构造煤围岩钻进试验可将构造煤孔壁围岩的变形区域分为钻进破碎区与塑性区,而依据构造煤全应力应变曲线,构造煤围岩的变形区域还应包含弹性区与原岩应力区,因此对依据实验划分的各组塑性区范围进行扩展,最终多级扩孔钻井工艺下构造煤孔壁围岩的变形分为四个区域:钻进破碎区、塑性区、弹性区、原岩应力区,随着扩孔阶段的进行以及钻压、转速的增加,各变形区域的范围相应有不同程度的增加。(6)推导了多级扩孔钻井工艺下构造煤孔壁围岩弹塑性变形区的应力场、范围位移分别与钻压、转速的数学模型。塑性区的径向应力与环向应力随钻压的增大而减小,随转速的增大而减小;塑性区的半径与钻压、转速的理论模型,塑性区的半径随钻压的增大而增大,随转速的增大而增大,随钻孔半径的增大而增大;弹性区的径向应力随钻压的增大而减小,随转速的增大而减小,环向应力随钻压的增大而增大,随转速的增大而增大;弹性区位移随钻压转速的增大而增大。该论文有图150幅,表14个,参考文献127篇。