近年来随着美国页岩气产业的快速发展,在东部阿巴拉契煤田内出现了很多穿长壁开采区的垂直页岩气井。由于井筒直径较小(15~40 cm),对煤层开采引起的岩层移动变形更为敏感,尤其是在具有高采出率的长壁开采影响下,井筒容易出现大变形甚至失稳。针对该问题,论文以美国宾夕法尼亚州西南部地区匹兹堡煤层与深部马塞勒斯页岩气的协调开采为工程背景,运用理论分析、理论计算和数值模拟等研究方法对长壁开采区内垂直页岩气井的稳定性问题展开较为系统地研究,主要研究工作及成果如下:(1)长壁开采引起的覆岩运动是导致穿过采区的垂直页岩气井发生各类变形的根本原因。煤层采动影响下,气井失稳模式包括剪切失稳、拉伸失稳、压缩(屈曲)失稳以及剪切和拉伸或压缩变形共同作用下的扭曲失稳,其中剪切失稳是垂直页岩气井失稳的最主要模式。(2)软硬岩层间的弱接触面是影响垂直气井稳定的关键因素。接触面上的水平剪切、垂向拉伸和压缩变形对于接触面的法向、切向刚度和内摩擦角的变化更为敏感。随接触面的刚度增加,层间水平剪切和垂向压缩近似按对数函数减小,垂向拉伸离层近似线性减小;随接触面内摩擦角增大,层间剪切位移按对数函数减小,垂向拉伸和压缩变形近似按线性和对数函数增加。井筒上述变形对于岩体的弹性参数、强度参数的变化敏感性很弱。(3)通过开展围岩赋存特征对气井变形影响的数值模拟研究,发现接触面上的水平剪切、垂向拉伸和压缩变形均随煤层采高和覆岩内单层岩层厚度增加而按对数或线性函数增大。岩层组合为“上硬下软”形态时层间接触面上的剪切位移更大;基岩上部第一层岩层较薄时,其与上方表土层间的接触面上并不会出现很大的剪切位移;覆岩内极薄软弱夹层对井筒剪切变形无特殊影响。倾斜煤层倾角愈大,井筒愈易发生剪切扭曲失稳;倾斜煤层走向长壁工作面宜按照“先深水平、后浅水平”的顺序开采,倾斜长壁工作面采用仰斜、俯斜开采皆可。(4)通过开展宾尼法尼亚州西南部地区长壁开采区内垂直页岩气井稳定性的地质评价,认为:无论气井穿过水平地表还是山体布置,井筒变形都是在开采浅埋煤层时较为严重,随埋深增加井筒变形先有一定程度减小,之后再继续扩大;地表起伏山体对井筒各类变形具有不同程度的“强化”作用;井筒在煤层附近、地表或山顶附近变形量最大、失稳风险最高;横向上,对30~70 m宽保护煤柱而言,井筒均是偏离煤柱中心7.5~10 m、靠近后回采的工作面布置最佳。(5)通过三维数值模拟揭示了气井变形随工作面推进的动态演化规律。随保护煤柱两侧工作面逐渐接近和远离井筒,井筒各类变形按照“缓慢-快速-再次缓慢”的动态过程变化。井筒发生快速变形(增大或减小)对应的工作面推进范围因煤层埋深和井筒到两侧工作面的水平距离不同而异。通常,井筒在煤柱两侧工作面尤其是后开采的工作面推过井筒50 m(煤层埋深300 m)或100 m(煤层埋深100 m)以后,累积变形量最大、失稳几率最高。我国海相页岩气开发已进入规模化开发初期阶段,煤系页岩气与上部煤层协调开采的情况在我国尚未见诸报道,但我国沁水、鄂尔多斯等盆地既是页岩气资源的富集区,也赋存丰富的煤炭资源,预计后期上述地区会出现煤炭与页岩气协调开采的局面,面临长壁开采区内垂直页岩气井的稳定性控制问题。此外,本课题研究与我国已具有丰富工程实践基础的煤层气抽采领域卸压区地面井的稳定性研究具有一定的相似性。论文的研究思路、内容以及部分结论可以为煤层气地面井的稳定性研究提供一定参考,研究具有一定的科学意义与工程应用价值。