煤炭和石油与天然气是主要的燃料动力,油气井有时会布置在煤矿采空区。井筒作为入井流体(钻井液和水泥浆及压裂液)以及储层产出流体流动的通道,可以看作多相流体流过的过程装备。煤矿采空区覆岩移动威胁钻完井作业及套管与井筒安全,为此,本文以实际采空区油气井为例,建立有限差分分析模型,探究煤矿采空区覆岩移动机理,查明覆岩移动影响,建立安全钻进方法和基于煤矿采空区覆岩移动机理的井身结构优化设计方法。 运用FLAC3D软件,依据Mohr-Coulomb破坏准则,建立5#煤矿采空区三维有限差分分析真实模型,分析房柱式、条带式和垮落式三种开采方式下覆岩应力和位移变化规律,对比数值模拟与现场实测结果,基于概率积分法和有限开采稳定预测模型进行覆岩移动变形预测。分析实际采空区井钻井液、固井和不同开次作业风险与技术难点,提出钻井液设计要求,确定钻井液类型,记录安全钻进各项问题,实施采空区关键技术及控制措施,优化钻具组合参数,建立井控有利条件,形成安全钻进技术体系。考虑采空区覆岩移动,建立采空区-地层-水泥环-套管三维耦合模型,基于覆岩移动传递机制,优化设计套管层次、钻具组合,优选固井水泥浆密度、力学性能参数和套管壁厚,通过数值模拟研究,分析不同工况下不同套管Von Mises最大等效应力,校核应力安全强度,对比优化结果,计算套管安全系数,结合现场应用,检测记录产气量,评价井筒安全性。 结果表明:垮落式煤矿采空区z方向最大压应力比房柱式和条带式分别大25.20%和24.57%,z方向最大位移分别是房柱式和条带式的9.40倍和7.24倍,垮落式更易发生垮塌,钻井事故风险增大,条带式次之,房柱式最小;数值模拟与现场数据吻合很好,相对误差仅约5%,给出采空区覆岩移动下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形预测公式,阐明覆岩移动机理。通过实例分析,总结安全钻进经验与方法,印证了瓦斯压力预测可靠性,验证了套管上扣扭矩精确性,有效控制钻井风险与技术难点,建立煤矿采空区安全钻进技术与方法,提高钻进安全性。优化设计的三层套管井身结构,其表层套管最大Von Mises等效应力最大减小了 23.4%,推荐配套钻具组合优化设计做法。优选表层套管壁厚8.38mm满足等效应力屈服强度要求且降低成本,优选水泥浆密度1800kg/m3套管等效应力最低,适当增加水泥环泊松比和弹性模量均有效降低套管等效应力,最大减小了 12.4%,不同套管安全系数均满足套管柱设计标准规范,提出井筒安全性措施与建议。研究结果可供煤矿采空区覆岩移动规律预测参考,为煤矿采空区井身结构优化设计,尤其是套管设计与安全性分析提供依据。