煤田地质与勘探杂志

煤田地质与勘探杂志2024年第6期

• 安徽省关闭煤矿资源调查及其综合利用研究

  刘飞跃, 陈澫赟, 杨科, 段敏克, 刘钦节, 杨凌越,

  【目的】在煤炭资源持续高强度开发与能源供给侧结构性改革的背景下，安徽省关闭了一批资源枯竭、产能落后的煤矿，而关闭煤矿仍赋存有地下空间、遗煤、瓦斯、矿井水、土地与基础设施设备等资源，开展关闭煤矿资源再利用具有现实的工程价值和经济效益。【方法】统计自2013年以来安徽省59座关闭煤矿基础信息和再利用现状，分析关闭煤矿分布特征、遗留资源与再利用潜力；构建安徽省关闭煤矿数据库与WebGIS云平台，实现关闭煤矿信息查询分析与可视化；以潘一矿与石台煤矿为例，分别介绍遗留瓦斯抽采与半地下抽水蓄能的关闭煤矿再利用方案。【结果和结论】结果表明：安徽省关闭煤矿主要集中分布在两淮矿区，部分关闭煤矿关闭时间较短、遗留资源丰富、产权隶属清晰，再利用潜力较大；潘一关闭煤矿综合使用封闭墙压管抽采、原抽采钻孔抽采和地面钻井抽采的立体化遗留瓦斯抽采技术，实施关闭煤矿采空区“排水−抽采−利用”的一体化工程，3年内累计抽采瓦斯量4 840万m3、发电8 590万kW·h、直接经济效益5 120万元，同时保障了相邻矿井的安全生产；石台关闭煤矿拟建设半地下抽水蓄能电站，地下空间可提供有效库容30万m3、装机容量35 MW。案例分析表明安徽省部分关闭煤矿资源再利用在技术经济上具有合理性，但仍需开展进一步深入研究。

• 超临界CO2脉动压裂−渗流耦合试验系统研制与应用

  刘佳佳, 张云龙, 聂子硕, 高志扬, 许文松,

  【目的】为了有效强化煤层气抽采效果，将脉动压裂与超临界CO2压裂相结合，提出了利用超临界CO2脉动压裂煤(岩)的新思路。【方法】自主研发了超临界CO2脉动压裂−渗流耦合真三轴试验系统，介绍了该试验系统的主要结构、特点和功能，然后开展了室内真三轴条件下超临界CO2脉动压裂−渗流试验及超临界CO2脉动压裂−声发射监测试验。该系统结合独立伺服系统与中央数字系统控制三向应力，采用双泵型恒速恒压泵脉动给压，具有高精度、全过程、真三轴、承载高温、高压及高应力的特点。【结果和结论】试验结果表明：超临界CO2脉动压裂−渗流耦合真三轴试验系统可以实现良好的脉动压裂功能。超临界CO2脉动压裂后，煤体渗透率较压裂前呈增大趋势，增大了2~9倍，且煤体渗透率皆呈现良好的指数变化规律。在声发射−超临界CO2脉动压裂时期，煤体产生了新的裂隙通道，该通道由压裂孔中心直接贯穿至煤样表面，且可观测到超临界CO2流体直接从煤中喷出，故超临界CO2脉动压裂具有一定的扩展和连通裂隙的作用，能够有效提高煤层气的抽采效果。研究成果为强化深部低渗煤层增透技术提供了一定的试验支撑。

• 郑庄北中深部煤层气水平井产能影响因素及开发技术优化

  张聪, 李可心, 贾慧敏, 张武昌, 杨瑞强, 李俊, 王琪, 侯伟明,

  【目的】沁水盆地郑庄北中深部煤层气早期采用压裂直井开发，整体表现为低产低效。采用单支套管压裂水平井开发后，单井产量达到直井的10~50倍，目前已成为主体开发井型，但各井产量差异较大。为明确郑庄北中深部煤层气分段压裂水平井产能影响因素，改善开发效果。【方法】基于郑庄北部水平井开发实践，结合地质特征与工程参数，分析了中深部煤层气水平井产能的主控因素，并针对性提出实现中深部水平井高效开发的建议。【结果和结论】结果表明: 单支套管压裂水平井产能受地质和工程因素综合影响。地质条件下，中深部储层含气饱和度明显高于浅部储层，整体资源富集；高产井主要分布在构造曲率较小的平缓区域内；原生煤层射孔段数与水平井产气效果呈正相关关系；研究区水平主应力差介于8~16 MPa，且随埋深增加而增大，无法形成复杂缝网是导致前期产气效果差的原因。工程条件上，当井眼轨迹方位与最大水平主应力方位夹角为60°~90°时产气效果最好，井平均稳产气量可达到9 700 m3/d；水平段越长，煤层稳产气量越高；采用泵送桥塞射孔压裂方式的水平井产气效果明显优于油管压裂方式，稳产气量随压裂规模增加而显著提高，压裂参数中施工排量对改造效果的控制作用显著，当排量<7 m3/min时，水平井稳产气量整体小于2 000 m3/d；当排量增大到8~10 m3/min时，稳产气量逐渐增高；当排量保持在10~12 m3/min，稳产气量持续稳定在10 000~12 000 m3/d；当排量提高到16~18 m3/min时，稳产气量突破18 000 m3/d。最后，优选含气性、构造曲率、煤体结构、地应力等地质参数与水平段长度、压裂段数、单段压裂液量、单段压裂砂量、施工排量、砂比等工程参数，通过灰色关联法分析了中深部水平井产能主控因素。结果表明煤体结构和压裂规模是影响水平井产能的主要因素。提高原生煤层钻遇率与选点效率以及进一步提升施工排量及压裂规模是实现研究区中深部煤层压裂水平井更高产能的主要途径。

• 新疆准噶尔盆地白家海凸起深部煤层气孔渗系统特征

  陈河青, 杨兆彪, 李道清, 徐苗苗, 梁宇辉, 刘常青, 王钰强,

  【目的】新疆深部煤层气资源丰富，其中准噶尔盆地白家海凸起侏罗系煤层是深部煤层气勘探开发的有利目标区。深部煤层气孔渗系统直接决定了深部煤层气的可采性。【方法】以新疆油田2023年最新施工的彩煤2-004H评价井为基础，基于扫描电镜观察，压汞–低温液氮–二氧化碳吸附、低场核磁共振、CT扫描，变温压孔渗实验，结合数学建模，深入研究了本区侏罗系西山窑组煤的孔渗系统。【结果和结论】结果表明：(1) 研究区深部煤储层孔隙类型以植物组织孔和气孔为主，孔裂隙发育，形态多为板状和狭缝状，孔裂隙连通性好，多为开放型孔。(2) 全孔径表征结果显示，超微孔最为发育，其次为中孔和过渡孔，各类型孔隙发育较为均匀，总孔比表面积和总孔容较大，接近于贫煤和无烟煤，暗示了其吸附性和储集能力较强，其主要地质原因在于其煤层为特低灰分(平均灰分在5%左右)煤、煤岩显微组分中主要为丝质体和结构腐殖体，且处于构造高部位的煤储层断裂发育。(3) 考虑温度和有效应力对孔隙率和渗透率的影响，建立了研究区孔隙率和渗透率与埋深的关系式。与鄂尔多斯盆地大宁−吉县区块深部煤相比，不论是常规孔渗结果，还是模拟原位储层条件下的孔渗系统，白家海凸起深部煤储层孔隙率和渗透率均较大，原位储层条件下孔隙率介于8.60%~10.21%，渗透率介于(0.04~0.21)×10−3 μm2。即本区深部煤储层孔渗系统，不仅储气能力较强，同时其导流能力也较好。

• 煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

  张平松, 欧元超,

  【目的】底板突水受特定地质构造、水−岩−应力及采掘扰动等因素叠加作用影响，具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息，因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾，重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展，其中在模拟水−岩−应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景，分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足，并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平，从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

• 测线布设形态与测点缺失对采煤沉陷预计参数反演的影响

  郭庆彪, 余庆, 郑美楠, 罗锦,

  【目的】准确的采煤沉陷预计参数是实现全周期绿色开采的重要基础依据，基于测线沉陷数据进行反演是获取上述参数的主要手段。【方法】为定量分析测线布设形态与测点缺失对采煤沉陷预计反演的影响，在基于黑猩猩优化算法构建概率积分模型沉陷预计参数反演方法的基础上，结合数值模拟实验反演得到6种测线形态和3个不同位置(最大下沉区域、边界区域和拐点区域)测点缺失时的采煤沉陷预计参数，并揭示其对参数反演结果的影响机理。【结果和结论】结果表明：采用黑猩猩优化算法反演的参数精度较高，下沉系数q的中误差均不超过0.01，影响角正切值tanβ的中误差不超过0.04，开采影响传播角θ0的中误差约为1.1，平均拐点偏移距s0的中误差优于10 m。观测线形态改变对θ0影响较小，但对q、tanβ和s0影响较大，当观测线布设成非标准形态时，单纯依赖参数反演方法可能导致反演结果的失真。当工作面为非充分采动时，最大下沉区域测点缺失对tanβ和θ0影响不大，但随着最大下沉区域缺失测点的增多，最大下沉信息含量逐渐减小，q和s0会逐渐减小。边界区域测点缺失对参数反演影响较小，但会影响下沉盆地移动范围及边界角、移动角等角量参数的确定。拐点区域测点缺失占比不超过40%时，测点缺失对参数反演影响较小，但拐点区域测点缺失占比超过40%时，随着缺失测点的增多，曲线形态失去控制，q和s0会逐渐减小，而tanβ逐渐增大。由于采煤沉陷预计参数间具有强相关性，在适应度函数准则为预测残差平方和最小的约束下，当测线形态改变或测点缺失时，可通过缩小参数寻优范围或插值方法削弱其对参数反演结果的影响。

• 不同加载速率下青砂岩破裂演化规律及能量利用效率分析

  赵环帅, 潘永泰, 乔鑫, 王星宇, 余超, 黄嘉诚,

  【目的】研究不同加载速率下岩石破裂演化规律及能量利用效率是岩石破碎加工领域亟待解决的问题。【方法】基于室内试验进行青砂岩细观参数标定，建立青砂岩宏−细观力学响应关系，采用颗粒流程序，研究不同加载速率下青砂岩应力−应变曲线与应力链分布特征，从破裂特征与裂纹特点方面分析青砂岩的破裂演化规律，并分析青砂岩破裂过程中的能量利用效率。【结果和结论】结果表明：(1)青砂岩在破裂过程中，应力−应变曲线表现为峰前线弹性、峰前塑性变形和峰后逐步失稳阶段，拉力链导致青砂岩裂纹扩展，最终破裂是压力和拉力链相互作用的结果。(2)不同加载速率下，青砂岩破裂可分为剪切破裂、贯穿破裂及混合多级破裂阶段，剪切与贯穿破裂阶段是剪切力起主要作用，而混合多级破裂是拉伸力主导的破裂模式。拉伸裂纹在破裂过程中起主导作用，生成速率明显高于剪切裂纹，总裂纹生成速率达2 400.81 m/s。(3)青砂岩断裂能的演化可分为缓慢增加、急剧增大与趋于稳定阶段，在加载速率为0.05 m/s时，最大能量利用效率为0.088%。研究结果不仅从细观层面对岩石破裂演化规律及能量利用效率进行了初步探索，也可为岩石破碎过程中工艺参数的合理选择提供指导。

• 煤电基地CO2和CH4遥感监测及时空特征分析

  徐燕飞, 陈永春, 李静, 刘晓舟, 苗伟, 赵得荣, 芮成奇,

  【目的】CO2和CH4是煤电基地能源生产活动中的主要温室气体排放种类，其监测与时空分布是研究区碳监测体系建设的重要内容。【方法】以安徽淮南市为例，利用GOSAT、OCO-2和Sentinel-5P这3种卫星数据进行研究区CO2和CH4浓度监测，得到CO2、CH4柱浓度(XCO2和XCH4)变化和分布情况，采用源清单法分析CO2行业和区域排放特征，同时采用Pearson相关系数和多元回归方法分析影响研究区XCO2和XCH4浓度的主控因素。【结果和结论】结果表明：(1)基于GOSAT和OCO-2卫星融合数据分析显示，淮南市2016—2020年XCO2和XCH4浓度整体呈增长趋势，期间XCO2浓度增加12×10−6、XCH4浓度增加23×10−9；XCO2浓度和累计发电量的Pearson相关系数为0.98，XCH4浓度和累计煤炭产量的Pearson相关系数为0.99，均呈极强相关。(2)利用Sentinel-5P卫星搭载的对流层观测仪(TROPOMI)高分辨产品数据分析淮南市各区域XCH4浓度分布时空特征发现，研究区秋季XCH4浓度高于夏季，XCH4浓度受能源生产和农业生产两方面的影响。(3)源清单法得出淮南市一级源分类CO2排放最多的为化石燃料固定燃烧源，占全市CO2总排放量的89.59%，化石燃料固定燃烧源中电力供热占比99%以上；主要为淮南市潘集区和凤台县燃煤电厂CO2排放；源识别显示集中分布在淮南市北部的火力发电厂为研究区CO2最主要排放源。(4)影响研究区XCO2浓度的主控因素为地区生产总值、累计发电量和第二产业产值，影响XCH4浓度的主控因素为累计煤炭产量、第一产业产值、播种面积。研究结果对我国“双碳”目标下煤电基地碳监测体系构建与完善具有重要的参考意义。

• 川西磨西断裂湾东地热水化学特征及成因机制

  黄珣, 张云辉, 李晓, 吕国森, 郭宏洋,

  【目的】 地热能开发是实现碳达峰、碳中和的重要途径。磨西断裂位于川西鲜水河断裂南段，拥有丰富的地热资源，是未来地热能开发的重点区域。【方法】对四川磨西断裂湾东地热区开展水文地球化学研究，通过水化学相关性分析其水−岩作用过程，利用地热温标、硅−焓混合模型等方法计算其热储温度、冷热水混合比例，采用氢氧同位素探明补给来源和补给高程。【结果和结论】结果显示：磨西断裂地热水的水化学类型包括HCO3·Cl-Na型和HCO3·SO4-Ca·Mg型。地热水的水化学组分主要受水−岩作用(泥盆系大理岩方解石矿物溶解)影响，其中HCO3·Cl-Na型地热水在磨西断裂深部受岩浆水混合和CO2脱气作用影响。HCO3·Cl-Na型地热水热储温度较高(159.16~228.57 ℃)，沿磨西断裂循环深度较大；HCO3·SO4-Ca·Mg型地热水的热储温度较低(111.02~138.04 ℃)，沿次级构造草科断裂运移，循环深度较小。地热水的补给来源均为大气降水和深部岩浆水，补给区为湾东地热区西部贡嘎山，补给高程在2 382~2 981 m。本次研究探明了湾东地热区存在2种不同成因模式，其水化学特征和热储温度差异显著，可为该区地热能开发提供更具针对性的理论依据。

• 多源煤基固废胶结充填体力学及变形破坏特征试验研究

  杨科, 张继强, 何祥, 魏祯, 赵新元,

  【目的】为研究多源煤基固废胶结充填体的力学特性及变形破坏规律，选择5种典型煤基固废，开展了煤基固废胶结充填体(Coal-Based Solid Waste Cemented Backfill，CBSWCB)的单轴压缩、声发射响应及微观结构测试试验。【方法】分析了CBSWCB单轴抗压强度的影响因素和交互作用，建立了基于交互作用的抗压强度影响因素四维空间可视化模型，结合CBSWCB的声发射及微观结构特征，阐明了单轴压缩条件下的力学演化特征及宏观变形破坏规律，从微观角度进一步论证了CBSWCB承载过程中水化反应机理及宏细观联系。【结果和结论】试验结果表明：(1)单轴抗压强度的主要影响因素是质量分数，而炉底渣掺量的影响程度最小。(2)单轴压缩下CBSWCB的宏观变形破坏由塑性、弱劈裂破坏逐渐向脆性、剪切破坏转化。(3) CBSWCB试件声发射参数演化可以分为上升期、平静期、活跃期、稳定期，声发射累计振铃计数曲线呈现明显的“阶梯状”增长，累计振铃计数在上升期和平稳期内缓慢增加，在活跃期急剧增加，在稳定期逐渐趋于平缓。(4)水泥掺量偏低以及多源煤基固废充填材料属性差异导致水化反应程度有限，水化产物数量较少是CBSWCB单轴抗压强度普遍偏低的主要原因。研究结果可为多源煤基固废用于充填开采提供一定参考依据。

• 煤矿微震监测系统在回采工作面顶板水害防治中的应用

  樊鑫, 程建远, 栗升, 段建华, 范涛, 李博凡, 王艳波,

  【目的】随着煤矿开采深度增加，工作面顶板水害风险日益突出，制约了我国煤矿绿色安全高效开采，亟需新型顶板水害监测预警技术。探索井−地联合微震监测系统在回采工作面顶板水害防治中的应用，实现顶板水害风险的透明化智能监测预警。【方法】在工作面上方地表和井下两侧巷道同步布置微震传感器阵列，增加垂向采集空间，提高震源定位精度；提取监测数据时频域特征构建样本数据集，利用支持向量机算法实现微震事件智能识别。【结果和结论】以陕西彬长矿区某煤矿工作面为例，成功识别出3个煤层顶板应力集中区域，与电阻率监测成果吻合，显示导水裂隙带高达160 m，波及含水层，显示出回采期间顶板导水通道动态发育全过程。该井−地联合微震监测系统能够高精度识别微震事件，为回采工作面顶板水害风险监测预警提供新技术手段。研究有助于推进微震监测技术在煤矿顶板水害等领域的智能化应用，促进煤矿开采的安全绿色高效发展。

• 煤矿不等长工作面微震事件空间分布特征及其影响因素

  周金艳, 杨洪增, 高杰涛,

  【目的】煤矿工作面倾斜长度变化或者调采是增大工作面突水风险的重要因素之一，探究不等长布置方式给工作面回采带来的危险及影响因素，是深化煤矿水害防治研究、保障工作面安全回采的关键问题之一。【方法】以冀中能源峰峰集团九龙煤矿15240工作面为工程背景，依据大量微震监测数据，基于STA/LTA模型识别微震事件并进行可视化输出，依据频次变化、平面分布范围、垂向分布特征等多维信息，深入分析了不同阶段的微震活动性和空间分布特点。【结果和结论】结果表明：不等长工作面回采过程中，微震事件呈现显著的时空分布阶段性特征。窄面阶段，处于采动初期，微震主要集中于宽面端附近前阶段窄面区域边缘；宽面阶段，处于采动中期，微震活动向后方宽面区域内部蔓延；进入斜面阶段后，微震则集中分布于巷道转弯处及物探异常区附近。由窄变宽区域、调采区域，呈现底板事件活动性增强、扰动深度增大的特点，是加强水文地质观测的重点区域。回采扰动与上覆煤层抬升引起的应力重新分布、巷道围岩卸压失稳，以及两者的耦合作用是导致不同阶段微震事件产生和分布差异的根本原因。研究揭示了不等长工作面回采引发微震活动的基本规律，为类似工作面矿压监测、底板破坏深度、微震监测水害动态预警等提供了新的理论指导和数据支持，为增强煤矿安全生产能力提供重要的技术支撑。

• 基于各向异性介质理论的煤系地震数据高分辨处理方法与应用

  李慧婷, 常锁亮, 张生, 关雯元, 赵兴, 王唯骞, 澹台明君, 高凯欣,

  【目的】随着深部资源勘探开发的重要性不断提高，对高精度地震勘探提出了新要求。针对具有强各向异性的含煤地层，传统基于各向同性的资料处理方法不再适用。【方法】提出一种基于水平横向各向同性介质(Transverse Isotropy Medium with Vertical Symmetry Axis，VTI)和方位各向异性介质(Transverse Isotropy with Horizontal Axis of Symmetry，HTI)联合处理的地震数据处理方法。首先，针对含煤地层沉积特征，分析VTI介质特点，采用高阶动校正处理，可以有效消除各向异性在大偏移距数据中引起的同相轴弯曲，保证共反射点远近道能达到同相，提高数据叠加成像质量。其次，针对构造裂隙发育特征，立足于HTI介质的方位各向异性分析，采用OVT域处理方法，通过建立方位各向异性参数场去除不同方位角差异对数据的影响。联合应用上述2种处理方法，通过制定合理的处理流程，优选关键参数，搭建一套实用的、适合目标地层的各向异性处理校正方法，解决含煤地层在复杂条件下的速度分析、叠加等问题，从而提高煤系地震数据的分辨率和解释精度。【结果和结论】实际应用结果表明，新方法获得的地震数据主频更高、频带更宽，在小构造特征识别和古地理环境刻画方面更具优势，为精细地质解释提供了有力支撑。同时也强调了对含煤地层进行各向异性处理的必要性，推动各向异性处理技术的在宽方位地震勘探中的应用。

• 煤矿井下碎软煤层气动定向钻进技术与装备研究

  田宏亮, 张金宝, 王力, 方俊, 王建强,

  【目的】我国煤层赋存地质条件复杂，碎软煤层分布广泛，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多，目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大，常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困难、钻进效率低等问题。【方法】系统阐述了煤矿井下碎软煤层钻进技术的发展历程与应用现状，研制了气动螺杆钻具、定向钻机、随钻测量系统、除尘泵车、空压机或制氮机、油雾润滑装置等组成的煤矿井下气动定向钻进装备，并配套开发了气动定向钻进工艺和筛管完孔技术等关键技术，解决碎软煤层定向钻进成孔难题，保障瓦斯抽采效果。利用该成套技术与装备在两淮、山西、贵州等地区煤矿进行的碎软煤层定向钻孔试验。【结果和结论】研究表明：(1)气动定向钻进技术是碎软煤层钻孔瓦斯治理的有效技术手段，其钻进深度普遍达到200 m以上，最大钻孔深度达607 m，且可有效控制钻孔轨迹在目标煤层中延伸，煤层钻遇率达90%以上。(2)现场试验表明，气动定向钻进成孔效果好、施工效率高，最大效率达到3 594 m/(台·月)，有力推动气动定向钻进技术从小规模试验到大规模的工业化推广应用。结合此成套技术与装备的应用现状和煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求，提出煤矿井下气动定向钻进技术与装备的拓展应用方向以及向自动化、智能化和集约化方向发展的现实需求和必然趋势。

• 基于延时微分的旋转导向工具造斜率预测方法研究

  李飞, 张楠,

  【目的】旋转导向工具造斜率的准确预测是实现工具精准控制的前提，为掌握旋转导向底部钻具组合造斜率变化规律。【方法】 根据工具结构特点，采用欧拉−伯努利梁方程法对复合式旋转导向工具底部钻具组合进行受力分析。通过结合底部钻具几何关系，得到各节工具转角与钻头预钻进偏角计算方法，并将旋转导向工具各节点与钻头间距离作为空间延时周期，最终建立基于延时微分的旋转导向底部钻具组合的造斜率预测模型。该模型综合考虑了工具本身几何尺寸与结构、与地层有关的钻头切削各向异性、钻压以及工具材料及内外径有关的抗弯刚度等参数对造斜率的定量影响。【结果和结论】研究表明：(1)该模型预测结果与斯伦贝谢成熟应用的基于有限元分析的钻具造斜率预测软件仿真结果具有良好的吻合度，预测结果差值均保持在0.5(°)/30 m以内，符合工程要求。(2)同时该方法还可在钻具姿态测量短节的实际测量数据基础上补偿钻头与测量单元间距带来的测量误差问题，为解决测量盲区提供一种新的途径。基于空间延时微分的造斜率预测方法为旋转导向系统底部钻具组合的结构优化及钻井参数优选提供理论依据和快速分析手段。建立的模型易于仿真和移植，在实际工程应用中可获取较好的实时响应，为基于数字孪生的旋转导向工具研发提供准确的钻具运动模型基础。

• 煤层气废弃井封堵管柱三维非线性流固耦合振动特性分析

  许志新, 万继方, 洪毅, 刘航铭, 易先中, 刁斌斌, 王宴滨,

  【目的】 煤层气废弃井中水泥塞封堵质量是防止井内污染物泄漏的关键。现行煤层气废弃井处置标准中的注水泥塞方式为简单的泥浆泵注，该方法形成的水泥塞存在水泥颗粒团聚、气泡和微孔隙等问题，导致水泥塞强度降低，易失去密封性能。【方法】 针对该问题，将振动技术应用于煤层气废弃井封堵作业中，通过专用工具带动管柱振动，依靠振动能量的传递，改变水泥浆流性以提高水泥塞封堵质量。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton变分原理，充分考虑非线性因素，建立了封堵作业中管柱−水泥浆系统三维非线性耦合振动控制模型，采用Lagrange函数和三次Hermite插值函数对管柱系统进行离散，利用Newmark-β法计算并分析了管柱在水泥浆条件下的振动特性；并搭建了机械振动试验测试平台，通过正交试验，研究了振动频率、振动时间以及振动幅值三因素在不同参数组合条件下对水泥石力学性能的影响，得到了最佳振动参数，并进一步研究了单因素对水泥石力学性能的影响规律。【结果和结论】 结果表明：(1)考虑纵横耦合效应后，管柱自身由线性结构变为非线性结构，加载使其振动固有频率明显增大，并与振型一起实时变化，在一定时间后变化呈现周期性。(2)管柱长度与振动固有频率成反比，管柱越长其振动固有频率的变化量越小。(3)管柱−水泥浆耦合效应对振动固有频率的影响显著，在水泥浆存在的情况下，管柱系统的振动固有频率均降低，随着水泥浆密度的增加，管柱振动的固有频率降低。(4)机械振动可以使水泥浆体系更加均匀致密，表现为水泥石强度得到极大提升，当振动频率为15 Hz、振动时间为5 min，振动幅值为3 mm时，相比于未振动工况，水泥抗压强度提高38.45%、抗拉强度提高24.14%，胶结强度最大提高52.9%。研究结果可指导封堵工具振动参数的设计，为现场施工参数的确定提供参考，提高水泥浆性能以提高封堵质量，具有工程指导意义。