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(jī)理研究.pdf

1、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(lái)的損失。本文采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，開(kāi)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(jī)理的研究。
　　首先，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，以表觀粘度為劣化指標(biāo)，開(kāi)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(zhǎng)，前期和后期分別主要受養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間影響。失水環(huán)境下漿液粘度加快增長(zhǎng)

2、，分三階段，分別主要受養(yǎng)護(hù)時(shí)間、失水和養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響。當(dāng)混合漿的養(yǎng)護(hù)時(shí)間小于20h時(shí)，其表觀粘度隨溫度的升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。隨時(shí)間的增長(zhǎng)，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(shí)間、失水影響更明顯。混合漿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(shí)，體積混合比為1/2的混合漿表觀粘度為1251.18mPa·s，而水泥漿表觀粘度為243.68 mPa·s。緩凝水泥漿性能劣化影響因素按顯著性由大到小

3、排列依次為漿液是否失水、養(yǎng)護(hù)時(shí)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(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度。
　　其次，通過(guò)數(shù)值模擬，研究了環(huán)空內(nèi)水泥漿頂替泥漿時(shí)，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(shì)。與泥漿粘度相比，水泥漿粘度變化對(duì)混合段高影響更大。環(huán)空中水泥漿頂替

4、泥漿時(shí)，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(guò)對(duì)鉆桿壓水泥漿頂替泥漿的過(guò)程進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，得到混合段漿液分布規(guī)律。數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，前者偏小。
　　再次，對(duì)凍結(jié)管下沉?xí)r，環(huán)空中漿液上返過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到漿液流動(dòng)規(guī)律。環(huán)空上返漿液對(duì)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

5、、增大、減小趨勢(shì)。環(huán)空中最寬和最窄間隙處漿液對(duì)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(shì)；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(guò)程的力學(xué)模型，對(duì)其下沉可行性進(jìn)行分析，結(jié)果與實(shí)際工程結(jié)果相吻合。得到凍結(jié)管下沉受阻的機(jī)理：根本原因是鉆孔泥漿與緩凝水泥漿的大范圍