凍結孔固管充填漿液性能劣化及凍結管的下沉受阻機理研究.pdf

1、隨著全深凍結法鑿井技術逐漸在富水巖層井筒建設中得到推廣應用，凍結孔封孔技術需進一步研究以減少凍結管下沉失敗帶來的損失。本文采用室內試驗、數(shù)值模擬、物理模型試驗和理論分析相結合的方法，開展了凍結孔固管充填漿液性能劣化及凍結管的下沉受阻機理的研究。
　　首先，通過室內試驗，以表觀粘度為劣化指標，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。結果表明：水泥漿粘度增長，前期和后期分別主要受養(yǎng)護溫度和時間影響。失水環(huán)境下漿液粘度加快增長

2、，分三階段，分別主要受養(yǎng)護時間、失水和養(yǎng)護時間影響。當混合漿的養(yǎng)護時間小于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)復雜關系，40℃養(yǎng)護10h不失水時，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)護時間、養(yǎng)護溫度，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)護時間、養(yǎng)護溫度。
　　其次，通過數(shù)值模擬，研究了環(huán)空內水泥漿頂替泥漿時，漿液混合段高度的變化規(guī)律。結果表明：隨壓漿流量、鉆桿外水泥漿高度、凍結孔壁粗糙度、凍結孔徑的增大，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

4、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、凍結孔徑、凍結孔壁面粗糙度。通過對鉆桿壓水泥漿頂替泥漿的過程進行模型試驗研究，得到混合段漿液分布規(guī)律。數(shù)值模擬與模型試驗結果對比，前者偏小。
　　再次，對凍結管下沉時，環(huán)空中漿液上返過程進行數(shù)值模擬，得到漿液流動規(guī)律。環(huán)空上返漿液對凍結管外壁的剪切速率，隨凍結管下沉速度、凍結管外徑、凍結孔徑、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。環(huán)空中最寬和最窄間隙處漿液對凍結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管下沉速度、凍結管外徑、凍結孔徑。
　　然后，在前文研究基礎上，結合典型工程案例，建立凍結管下沉過程的力學模型，對其下沉可行性進行分析，結果與實際工程結果相吻合。得到凍結管下沉受阻的機理：根本原因是鉆孔泥漿與緩凝水泥漿的大范圍