立井井壁温度应力三维数值模拟分析

自1987年以来，我国南黄淮地区的矿区，共有80多个井筒发生井壁破裂。近20多年来研究者对井筒破裂机理进行了诸多研究，产生了许多观点和认识，然而温度应力在井筒破裂方面的研究比较少，甚至被忽略。应该加强温度应力的研究，进一步明确温度应力在井壁破裂中所起的作用，这在理论和实践上均具有一定的意义。首先，论文结合热量传递的三种基本方式分析了井筒温度场，详细介绍了强迫对流换热模型和热—应力耦合理论。接着，根据临涣矿区的地质环境和矿区井筒破裂情况，以临涣矿副井为原型建立地质模型，分析并给出了矿区井壁和地层物理力学参数、热力学参数以及矿区气温资料。在此基础上，综合考虑井壁温度季节性变化、大气与井壁之间的对流换热和井壁与围岩之间的热传导等因素，以临涣矿副井为原型，采用FLAC3D软件，运用强迫对流—热传导模型和Mohr-Coulomb本构模型，耦合模拟了立井井壁温度与季节性气温变化的对应关系，进而分析了温度应力场分布的动态变化规律。结果表明：（1）受气温季节性变化影响，井壁和壁后地层中温度和应力随季节呈周期性变化，温度变化滞后效应明显，应力变化滞后约10天。（2）基岩风化带以上地层井壁中由温度引起的附加应力以竖向应力为主，环向应力较小，径向应力很小。最大主应力约等于竖向应力，与井筒轴向夹角为11．9°～14．25°。进入基岩后，环向应力逐渐增大，竖向应力略微回落；最大主应力受竖、环向应力共同控制，与井筒轴向夹角增大至43．8°～49．5°。（3）4～10月在底含、风化带与基岩交界面附近井壁中最大主应力相对集中，保持在-4．0MPa以上，其中6～8月更是达到-7．0MPa以上。