大直径污水井孔壁失稳与泥浆护壁机理

采用经典土力学滑动理论,建立某大直径污水井的孔壁失稳滑移轨迹方程及其滑移面安全系数的计算式.研究结果表明:随着凝胶泥浆抗剪强度的提高,孔壁的稳定性增强;对于砾砂或圆砾层,孔壁的稳定性主要取决于泥浆的重度,随着泥浆重度的增大,孔壁稳定性不断增强;对于基岩段,孔壁的稳定与孔壁的深度无关,主要与基岩的结构及其周围的节理或断层面分布状况有关；采用气举反循环分阶段钻进和优质泥浆护壁的施工工艺取得了很好的工程应用效果,具有一定的工程应用价值.     

井眼尺寸对井壁稳定性影响研究

根据岩石强度的尺寸效应理论,讨论了岩石的尺寸效应对强度的影响;并以此建立了井眼尺寸对井壁坍塌压力、破裂压力的影响规律的预测模型。将该模型应用于克拉玛依油田呼2井的井壁稳定性预测,发现:5 in、6 in小井眼的坍塌压力分别比常规井眼8(1/2)in坍塌压力降低了3.2%和1.1%;而破裂压力分别增加了0.22%和0.14%。井眼尺寸越小,其对应的坍塌压力值越小而破裂压力值越大;小井眼钻遇地层的安全泥浆密度窗口比常规井眼安全泥浆密度窗口宽,井眼尺寸越小,对维持井壁稳定的泥浆密度要求降低。     

非开挖水平定向钻孔壁稳定性

 基于多孔介质概念,建立了孔隙度、渗透系数与体积应变的动态演化模型,给出了Mohr-Coulomb 准则与Drucker-Prager 准则之间的强度折减系数换算关系,以Abaqus 为平台,将动态演化模型与有限元强度折减系数法相结合,研究水平定向钻孔壁稳定性。结果表明,使用不同屈服准则所得安全系数有差异,但在一定条件下可相互转换,数值分析结果与理论分析一致;研究了不同泥浆压力对孔壁稳定性的影响,指出在一定的泥浆压力下,随着泥浆压力的提高,孔壁安全系数不断降低。扩孔结束时,泥浆压力为2.4 MPa时,最大塑性半径达到2.34 m,孔壁处最大塑性应变达到0.393,极限平衡状态时,泥浆压力2.4 MPa时,孔壁周围的最大塑性应变增加到1.208,远大于扩孔结束时的最大应变值,相应的最大塑性半径达到5.68 m,约为孔径15 倍。     

水位变化频繁下大直径超长桩中钢筋笼埋后处理及预防的研究

在临水或水中大直径超长桩施工中,由于孔外水压力大、水位变化频繁,孔壁稳定显得特别重要,防止孔壁塌落导致钢筋笼被泥砂掩埋的事故.以长江上某特大桥施工中钢筋笼被泥砂掩埋为案例,研究了水位变化频繁下大直径超长桩中钢筋笼埋后处理及预防的措施.1泥浆的密度、黏度参数要达到维护孔壁稳定性的要求;2作业人员每间隔2小时测量一次密度、黏度参数、护筒内外液面高差;3孔壁塌落导致钢筋笼被泥砂掩埋后,为了起拔钢筋笼,用导向筒钻头清理沉渣;4在清理沉渣时,要随时观察反映导向筒钻头所遇阻力大小的扭矩,及时提钻;5在大直径超长桩施工中,不能一味追求施工速度、节约成本.     

水位变化频繁下大直径超长桩中钢筋笼埋后处理及预防的研究

在临水或水中大直径超长桩施工中,由于孔外水压力大、水位变化频繁,孔壁稳定显得特别重要,防止孔壁塌落导致钢筋笼被泥砂掩埋的事故.以长江上某特大桥施工中钢筋笼被泥砂掩埋为案例,研究了水位变化频繁下大直径超长桩中钢筋笼埋后处理及预防的措施.1泥浆的密度、黏度参数要达到维护孔壁稳定性的要求;2作业人员每间隔2小时测量一次密度、黏度参数、护筒内外液面高差;3孔壁塌落导致钢筋笼被泥砂掩埋后,为了起拔钢筋笼,用导向筒钻头清理沉渣;4在清理沉渣时,要随时观察反映导向筒钻头所遇阻力大小的扭矩,及时提钻;5在大直径超长桩施工中,不能一味追求施工速度、节约成本.     

基于COMSOL流固耦合的软土地层地连墙槽壁塌孔原因分析

地下连续墙已经成为城市软土地基基坑主要围护结构型式，但普遍存在成槽塌孔、缩孔施工难题.以南京地铁某车站基坑工程连续墙成槽施工出现塌孔事故为背景，基于COMSOL Multiphysics流固耦合模块开展了地下连续墙成槽稳定性的影响因素敏感性和塌孔发生条件的研究.通过COMSOL Multiphysics流固耦合模块中建立的土层破坏面积来直观表现塌孔区域面积.研究表明：泥浆密度和成槽机提升速度是本工程地层连续墙成槽塌孔的重要因素.泥浆密度决定护壁压力大小，成槽机提升速度过快易造成成槽机底部产生一定范围内泥浆压力快速降低，甚至形成地层地下水向槽内的反渗透，增加槽壁塌孔的风险；绘制提升速度v-泥浆密度ρ-塌孔区域面积S三维曲面图，依据破坏面积大小将区域划分为四个危险等级：Ⅰ区为安全区域（S=0）、Ⅱ区为低风险区域（05）.最后，提出一种软土地层中考虑成槽影响的地下连续墙槽壁稳定性的评价方法：根据泥浆密度和成槽机提升速度初步判断危险等级.     

冲孔桩关乎成孔效率上限的提钻高度计算

目的 冲孔桩在孔壁稳定前提下的成孔效率与提钻高度牢不可分,找到单次冲击锤头的最佳提钻高度,为成孔效率上限计算提供依据.方法 利用有限元软件ABAQUS模拟锤头在泥浆中下落,探究锤头质量、泄浆孔半径、泥浆黏度、泥浆相对密度对锤头运动速度的影响规律.结果 锤头在泥浆中自由下落约0.5 s即达到最大速度,对应高度约1 m;利...     

川东北元坝地区元坝11井地应力建模和井壁稳定性分析

 川东北元坝地区由于地质条件复杂,多次发生井漏、坍塌、溢流等复杂井况与事故,严重影响施工周期.本文利用GMI井壁稳定性软件,依据元坝11井钻井、测井及地质资料,计算了元坝11井的岩石力学参数,并依据岩石力学实验数据,实现了杨氏模量及泊松比的动静态转化.进一步,利用压裂资料及井眼崩落法则约束最小、最大主应力,计算了最大、最小主应力.建立了元坝11井的孔隙压力、坍塌压力及破裂压力三压力剖面,预测了泥浆密度窗口,分析了元坝11井的井壁稳定性.结果表明,元坝地区陆相地层自下沙溪庙组至须家河组坍塌压力变化较大,导致泥浆密度窗口缩小,并且钻井过程中选取泥浆密度不合适,地层多为砂泥岩薄互层,导致层段多次发生复杂情况,井眼扩径明显;海相地层变化相对较小,泥浆密度窗口较大,井壁相对稳定.     

护坡工程袋柔性挡墙的力学分析

基于库伦土压力理论、水平微分法理论和边坡稳定理论,建立了柔性挡墙力学分析模型,并分析了护坡工程袋柔性挡墙的设计参数对柔性挡墙稳定性与边坡稳定性的影响。分析结果表明：护坡工程袋柔性挡墙的应力分布介于主动土压力与静止土压力之间;以鼓胀分界点的位置为拐点,分界点以上的土压力随深度加深呈现线性变化,分界点以下的土压力随深度的加深急剧增大;护坡工程袋柔性挡墙的最大水平位移随着其宽度的增加而逐渐降低,随着其高度与边坡坡比的增加而增加;边坡稳定安全系数随着柔性挡墙宽度的增加而增加,随着柔性挡墙高度与边坡坡比的增加而降低。     

基于水平微分法的护坡工程袋柔性挡墙的力学分析

基于库伦土压力理论、水平微分法理论和边坡稳定理论,建立了柔性挡墙力学分析模型,并分析了护坡工程袋柔性挡墙的设计参数对柔性挡墙稳定性与边坡稳定性的影响。分析结果表明:护坡工程袋柔性挡墙的应力分布介于主动土压力与静止土压力之间;以鼓胀分界点的位置为拐点,分界点以上的土压力随深度加深呈现线性变化,分界点以下的土压力随深度的加深急剧增大;护坡工程袋柔性挡墙的最大水平位移随着其宽度的增加而逐渐降低,随着其高度与边坡坡比的增加而增加;边坡稳定安全系数随着柔性挡墙宽度的增加而增加,随着柔性挡墙高度与边坡坡比的增加而降低。     

富水砂卵石地层冻结孔钻进泥浆配比优化研究

在富水砂卵石地层地铁联络通道近水平冻结孔钻进时,因泥浆黏度低,稳定性差,护壁及润滑作用弱造成泥浆损失及钻头磨损严重、塌孔、卡钻和断杆等问题。为了优化富水砂卵石地层下冻结孔钻进泥浆配比,通过单因素试验以及响应面分析法中的Box-Benhnken(中心组和)正交试验方法进行试验设计与数据分析,得出适用于富水砂卵石地层冻结孔钻进泥浆优化配比。基于北京地铁12号线的工程应用表明：采用优化泥浆配比,即膨润土含量为7.18%,水解聚丙烯酰胺含量为0.20%,钠羧甲基纤维素含量为0.19%,硫酸铝的含量为0.03%时,泥浆黏度提高32%,泥皮厚度增加了20%,滤失量减少了30%,润滑系数减少了60%,冻结孔钻进泥浆主要性能指标明显改善,冻结孔打钻时的减阻效果显著,钻杆所受轴力平均减少15%,所受扭矩平均减少13%,泥浆的膨润土用量和回流损失量减少了30%,材料成本明显降低,未发生塌孔、断杆和卡钻等工程事故,冻结孔钻进效率及成孔质量明显提高。     

煤矿井下气动冲击回转钻进工艺参数试验

冲击回转钻进方法是解决硬岩层钻进效率低问题的主要技术方法之一。为了对煤矿井下穿层钻孔硬岩钻进采用的气动冲击回转钻进工艺参数进行优化,通过采集试验地层岩芯,制样并进行单轴抗压强度测试,将试验岩层分为下层泥质砂岩、中层石英砂岩和上层泥质砂岩;讨论了气动冲击回转钻进方法的工作原理和钻具组合特点,分析了影响钻进效率的主要工艺参数,包括气体压力、钻机转速和给进压力,并给出了在正交试验设计时各参数水平的选择;采用“纵向机械钻速对比、横向工艺参数优化”的技术思路,运用正交试验设计方法进行了工艺参数优化研究,分析了各岩层机械钻速及差异性原因。结果表明:气体压力对机械钻速的影响具有显著性,钻机转速和给进压力不显著,但钻机转速对机械钻速的敏感性比给进压力明显。通过工艺参数研究,在试验设备和钻具条件下,得出最优工艺参数:气体压力为1 MPa,钻机转速为40 r/min,给进压力为3.0 MPa。通过对各层机械钻速的研究,得到下层泥质砂岩机械钻速最高、上层泥质砂岩次之和中层石英砂岩机械钻速最低,分析认为对于两种泥质含量较大的砂岩,泥质含量越高,岩石相对越软,相应塑性增大,对于以冲击为主碎岩的方法,塑性越大对机械钻速越不利,钻进效率相对更低;上层泥质砂岩处于试验钻孔的最深孔段,钻头磨损较多,对深孔处的钻进效率有不利影响。     

两向水平应力不等条件下泥浆密度的确定

降低泥浆液柱压力对油气层的压差和保持井壁稳定是钻井工程亟待解决的问题,对于地应力异常地区显得更为迫切。为了解决油气层污染和井壁稳定的难题,在弹塑性力学理论和岩石力学理论的基础上,应用摩尔—库伦屈服准则,阐述了井眼周围岩石弹塑性状态的形成机理及应力、位移的分布情况,推导出了井眼塑性屈服范围和泥浆液柱压力、水平地应力以及岩石强度的关系式。与其它理论相比,该理论所确定的保持井眼稳定的泥浆密度范围更广,有利于降低对油气层的压差和近平衡钻井。同时,也提出了一些具体技术来保证这一理论的应用。     

渤海油田渤中区域中深部泥页岩地层井壁稳定性

渤中区域资源潜力巨大,是目前渤海油田勘探开发的重点区块.前期探井钻井过程中中深部东营组、沙河街组泥岩地层井壁坍塌失稳现象频发,出现蹩压、阻卡等复杂事故.为揭示渤中区域中深部泥页岩井壁失稳机理,指导开发井钻井设计,对取自渤中区域东营组泥岩岩心开展了电镜扫描、矿物组分测试、泥浆浸泡以及岩石力学等系列实验,定量刻画了该地层的理化特性、岩石力学特性以及钻井液对力学性质的影响规律.实验结果表明,该区块中深部泥页岩处于由水化膨胀性泥页岩向硬脆性泥页岩转化的过程,既具有硬脆性泥页岩层理、裂隙发育的特征,又仍表现出一定的水化膨胀和分散特征.在实验结果的基础上,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构和水化作用的井壁稳定模型,对渤中区域定向开发井坍塌压力及其随井斜角和井斜方位角的变化规律进行了分析,揭示了钻井液作用对坍塌压力的影响.研究结果对于渤中区域开发井安全钻井具有一定的指导意义.     

井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用

以岩石侵入理论为基础,在考虑井底压力的条件下,建立牙轮钻头的钻速模型。结果表明:在地层由软、中硬到硬地层过渡过程中,钻速方程能够解释不同破岩方式下牙轮钻头的机械钻速问题;随着刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的牙齿侵深都呈指数递减趋势;随着井眼内钻井液柱压力的增大,侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿递减趋势大于楔形齿;模型理论钻速计算结果与实际钻速数据接近,最小欧式距离为25.8。     

钻进过程中井壁稳定性动态分析

现有的井壁稳定研究大多都属于静态的研究,并且将岩石近似为力学性质恒定的各向同性体,所得出的结论相对于钻井工作这一动态过程中所出现的真实情况会产生一定的误差。根据Mohr-Coulomb强度准则推导出的钻井液安全密度窗口计算公式,得到了适用的钻井液密度安全范围,然后利用有限元分析中的单元生死技术,模拟了钻井工程中井眼延伸和钻井液向地层渗透进而形成泥饼和污染带的过程,并将模拟得出的结果与理论计算出的钻井液安全密度窗口相结合,研究了在动态条件下更符合真实钻井过程的井壁应力变化规律。     

钻柱轴向振动固有频率的计算和测量

钻柱振动的固有频率是钻柱在给定钻具组合（ＢＨＡ）条件下钻柱振动的固有特性,在钻进过程中钻头与地层相互作用对钻柱产生激励振动,如果某一激励频率与钻柱自身的固有频率相近时,钻柱将产生共振现象．共振对钻柱是有害的,它可以引起钻柱局部的应力集中,导致钻柱断裂,发生井筒事故．共振与钻井参数有直接关系,如钻压、转盘转数、泥浆性能等,因此,通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象,达到优化钻井的目的．给出了钻柱轴向振动的固有频率和振动传输公式．现场测量及计算表明,不是所有的固有频率点都会引起钻柱的强烈振动,它取决于振动传输比,现场试验数据验证了计算公式．通过固有频率的计算,分析了减震器对固有频率的影响以及固有频率随井深增加的变化趋势．     

钻井工程中泥页岩井壁稳定的力学分析

分析了泥页岩井壁稳定的基本原理及影响因素.根据岩石力学理论推导了井眼围岩应力分布的具体表达式,结合胜利油田的实际.给出了岩石拉伸破坏和剪切破坏的强度准则.推导了确保井壁稳定的合理钻井液密度范围的计算公式.通过程序运算.分析了原地应力状态、地层孔隙压力、井深、井斜角、方位角等因素对井壁稳定的影响.结果表明.井壁稳定问题是受多种因素影响的。系统工程”.要解决这一问题必须局限到具体区域.确定各有关因素后.才能定量解答.以胜利油田牛20断块为例.介绍了该理论在实际工作中的应用情况.     

深层脆性页岩水平井裸眼完井井壁稳定性研究

常规页岩气储层改造工艺为套管射孔与多级压裂改造相结合,施工成本高、周期长,若实施水平井段裸眼完井可一定程度降低成本、缩短周期,但水平裸眼井段井壁稳定是实施裸眼完井的前提条件。通过对威荣地区龙马溪组页岩水理化及力学性能进行实验研究,结合建立的裸眼完井理论模型评价威荣地区页岩水平段裸眼完井井壁稳定性。结果表明,龙马溪组页岩为脆性层理页岩,岩体较为致密,力学强度高,力学各向异性明显;现场油基、水基钻井液对岩石膨胀性能及力学性能的改变不明显,现场所用钻井液与该地层配伍程度高;井眼轨迹、层理缝走向、力学各向异性等可对裸眼井段稳定性产生影响,致使不同方向井筒内应力差异明显,沿最小水平主应力方向钻水平井井壁稳定性最好,完井工况下井壁坍塌压力当量密度在1.26 g/cm³,完井投产初期井壁存在轻微崩落掉块,但崩落范围小于30 °,判断认为威荣区块龙马溪组页岩地层可考虑采用水平井裸眼完井方式。     

基于旋转侵入理论的牙轮钻头钻速模型

 针对旋转钻井牙轮钻头对井底岩石垂向压入和水平刮切联合作用的特点, 基于牙轮钻头旋转侵入理论, 建立了机械钻速预测模型, 并通过室内实验确定了楔形齿纯滚动多齿联合作用对破岩效果的综合影响系数, 机械钻速预测平均误差为4.1%。研究认为, 考虑钻头旋转引起的水平刮切力时, 侵入深度比只考虑垂向压入时有所增加;摩擦系数和刃尖角较小时两者相差不大, 随着摩擦系数和刃尖角的增大, 两者的相对差值越来越大, 摩擦系数和刃尖角较大时钻头旋转引起的水平刮切作用对机械钻速的影响不容忽视。