【摘要】：隨著全深凍結(jié)法鑿井技術(shù)逐漸在富水巖層井筒建設(shè)中得到推廣應(yīng)用,凍結(jié)孔封孔技術(shù)需進(jìn)一步研究以減少凍結(jié)管下沉失敗帶來的損失。本文采用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬、物理模型試驗和理論分析相結(jié)合的方法,開展了凍結(jié)孔固管充填漿液性能劣化及凍結(jié)管的下沉受阻機理的研究。首先,通過室內(nèi)試驗,以表觀粘度為劣化指標(biāo),開展了水泥漿及其與泥漿混合漿液的性能劣化規(guī)律研究。結(jié)果表明:水泥漿粘度增長,前期和后期分別主要受養(yǎng)護(hù)溫度和時間影響。失水環(huán)境下漿液粘度加快增長,分三階段,分別主要受養(yǎng)護(hù)時間、失水和養(yǎng)護(hù)時間影響。當(dāng)混合漿的養(yǎng)護(hù)時間小于20h時,其表觀粘度隨溫度的升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。隨時間的增長,混合漿與水泥漿的粘度均呈線性不斷增大,前者受養(yǎng)護(hù)時間、失水影響更明顯�；旌蠞{的粘度隨其中水泥漿體積比的變化,呈現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系,40℃養(yǎng)護(hù)10h不失水時,體積混合比為1/2的混合漿表觀粘度為1251.18m Pas,而水泥漿表觀粘度為243.68m Pas。緩凝水泥漿性能劣化影響因素按顯著性由大到小排列依次為漿液是否失水、養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)溫度,混合漿性能劣化影響因素的顯著性由大到小依次為漿液是否失水、水泥漿與泥漿的體積混合比、養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)溫度。其次,通過數(shù)值模擬,研究了環(huán)空內(nèi)水泥漿頂替泥漿時,漿液混合段高度的變化規(guī)律。結(jié)果表明:隨壓漿流量、鉆桿外水泥漿高度、凍結(jié)孔壁粗糙度、凍結(jié)孔徑的增大,混合段高分別呈先增后減、增大、先減后增最終趨平緩、先增后減的趨勢。與泥漿粘度相比,水泥漿粘度變化對混合段高影響更大。環(huán)空中水泥漿頂替泥漿時,混合段高影響因素按顯著性由大到小排列依次為鉆桿外水泥漿高度、壓漿流量、漿液粘度組合、凍結(jié)孔徑、凍結(jié)孔壁面粗糙度。通過對鉆桿壓水泥漿頂替泥漿的過程進(jìn)行模型試驗研究,得到混合段漿液分布規(guī)律。數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果對比,前者偏小。再次,對凍結(jié)管下沉?xí)r,環(huán)空中漿液上返過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到漿液流動規(guī)律。環(huán)空上返漿液對凍結(jié)管外壁的剪切速率,隨凍結(jié)管下沉速度、凍結(jié)管外徑、凍結(jié)孔徑、漿液粘度、漿液密度的增大,分別呈增大、增大、減小、增大、減小趨勢。環(huán)空中最寬和最窄間隙處漿液對凍結(jié)管的剪切速率隨偏心率的增大分別呈先增后減、先減后增趨勢;當(dāng)偏心率大于0.6,最窄間隙處成為滯流區(qū)。環(huán)空漿液剪切速率的主要影響因素按顯著性由大到小排列依次為凍結(jié)管下沉速度、凍結(jié)管外徑、凍結(jié)孔徑。然后,在前文研究基礎(chǔ)上,結(jié)合典型工程案例,建立凍結(jié)管下沉過程的力學(xué)模型,對其下沉可行性進(jìn)行分析,結(jié)果與實際工程結(jié)果相吻合。得到凍結(jié)管下沉受阻的機理:根本原因是鉆孔泥漿與緩凝水泥漿的大范圍、嚴(yán)重混合,及其在深孔地溫、失水環(huán)境中的稠化絮凝反應(yīng);而最重要原因是管外環(huán)空過小,引起漿液對管壁的剪切速率過大,進(jìn)而形成較大的粘滯阻力,導(dǎo)致高粘度漿液上返不暢。為確保凍結(jié)管順利下沉,提出如下技術(shù)措施:適當(dāng)減小注漿速度,降低水泥漿與泥漿的混合段高度與程度;合理地匹配孔徑與管徑,保證較大的管外環(huán)形空間;減小凍結(jié)管下沉?xí)r的偏心率等。最后,通過室內(nèi)試驗,對現(xiàn)有緩凝水泥漿配方進(jìn)行了改進(jìn),降低了其粘度。
【圖文】：

管下沉過程漿液流動規(guī)律模擬方法，對凍結(jié)管下沉?xí)r，漿液從環(huán)形空間中上返的過程規(guī)律的研究，重點是獲得漿液流速在環(huán)空橫斷面內(nèi)的變化規(guī)律供參數(shù)依據(jù)�？紤]漿液流動的主要影響因素為凍結(jié)管下沉速凍結(jié)管的偏心。管下沉受阻機理分析方法，結(jié)合工程實例，在前文研究的基礎(chǔ)上，對下沉過程判斷凍結(jié)管能否下沉到底，得到凍結(jié)管下沉受阻機理，并針對應(yīng)技術(shù)措施。主要考慮凍結(jié)管規(guī)格、凍結(jié)孔徑、混合段高、凍結(jié)的粘度與密度等因素的影響。水泥漿性能改進(jìn)研究試驗方法，以現(xiàn)有配方為基礎(chǔ)，在保證水泥漿終凝的前提下，劑等的摻量，對配方進(jìn)行改進(jìn)，盡可能減緩水泥漿與泥漿的絮的緩凝時間、結(jié)石率、與鉆孔泥漿的相容性等作為緩凝水泥具體技術(shù)路線見圖 1-1。

上述過程，對凍結(jié)管的安全順利下沉造成重要影響。為此，本文針對已有水泥漿與泥漿配方，采用室內(nèi)配比試驗方法，以表觀粘度為，先后考慮養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時間、漿液失水三因素和養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時間、漿液失漿液體積混合比四因素，分別對水泥漿和混合漿性能劣化展開研究。 試驗設(shè)備(Exprimental equipment).1 數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計水泥漿粘度測定儀器有很多，，常見的是漏斗粘度計和旋轉(zhuǎn)粘度計。前者測量方便能判斷漿液在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的粘度變化趨勢，得到一個定性的結(jié)論；而后者可得到具行數(shù)學(xué)處理分析[20]。本文研究中將采用圖 2-1 所示的旋轉(zhuǎn)粘度計，其性能參數(shù)見表表 2-1 DV-2+PRO 數(shù)字式粘度計主要技術(shù)參數(shù)Table 2-1 The main technical parameters of the DV-2+PRO digital viscosimeter精度 重現(xiàn)性 粘度范圍 轉(zhuǎn)速范圍 溫度探頭 頻率 / % / % / mPas / rpm 精度 / ℃ 量程 / ℃ / Hz ±2.0 0.50 0.5~600 萬 0.1~200 萬 ±0.1 0~100 50±1
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD265.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2532409