钻孔桩成孔时泥浆护壁的力学原理分析

利用弹性力学、土力学和材料力学等理论,对在软弱土覆盖层厚的地基上设计和建造桥梁钻孔桩基础时,对成孔过程中的护壁、塌孔等问题进行受力分析,以便于指导钻孔桩的设计、施工和预防塌孔事故.     

基于土拱效应围护桩间距的计算模型

目前的围护桩设计中缺少合理计算桩距的方法.在充分考虑桩间土拱效应的基础上,建立了土拱水平受荷时土拱效应的计算模型,对土拱进行受力分析.当水平土压力作用在土拱上,拱后土体仍会受到部分应力作用;当拱后土体处于土体极限平衡状态时,不同方向的应力满足一定的关系.根据土体极限平衡状态条件、静力平衡条件和拱脚的几何条件,分别推导出了无黏性土和黏性土时桩间距计算模型,并对模型适用性进行分析.当桩后土体为无黏性土时,出于安全考虑,桩间距可取为零;当桩后土体为黏性土时,可根据所推导出的相应公式计算合理的桩间距.在使用模型计算时,应注意土体抗剪强度指标的选取,尤其是土体的内摩擦角建议取值不超过20°.     

松软突出煤层钻孔护壁力学作用机理分析

为了解决松软突出煤层钻进问题,提高钻进深度,为了有效阻止松软煤层抽采钻孔塌孔的情况,在讨论了不同钻孔护壁方法的技术原理的基础上,结合弹塑性＂围岩-支护＂理论,建立钻孔护壁力学模型,采用数值分析的方法,分析钻孔在不同内压条件下,钻孔周围煤体应力、变形量变化规律。研究结果表明,伴随孔壁内压增大,钻孔变形量呈减小趋势,最大主应力σ1峰值位置左移,塑性松动区呈缩小趋势;次主应力σ3对应曲线整体上移,钻孔周边的应力集中现象有增长趋势。通过钻孔护壁力学作用机理分析,应用钻孔护壁技术,可有效减小或阻止钻孔变形,预防塌孔,保证钻孔的最大排渣空间,有利于施工较深的瓦斯抽采钻孔。     

考虑空间拱效应的筒形墙体主动土压力

以围土为均质无黏性土的筒形挡土墙为研究对象,假定达到主动极限状态时筒形墙体周围土体形成直线型滑移面,取滑移面水平微分单元作为分析单元,考虑墙体与滑移面间形成竖向土拱和环向拱效应.根据水平微分单元的竖直向和径向的受力平衡条件,推导得到考虑墙-土摩擦角、环向应力系数和筒形墙体半径的筒形墙体主动土压力计算基本方程,并与现有理论结果及模型试验结果进行比较.结果表明:考虑空间拱效应的计算结果与模型试验结果吻合较好;土压力沿深度非线性分布,主要表现为沿深度先增大后减小的变化规律;土压力与墙-土摩擦角、墙体半径及环向应力系数有关,土压力随墙-土摩擦角及半径的增大而增大,随环向应力系数的增大而减小.     

不良地质条件下钻孔灌注桩钻孔施工中常见问题及处理措施

本论述着重结合钻孔灌注桩桩基在人工填筑碎石土、砂质粉土、卵石层及变质粉砂岩中钻孔施工出现的卡钻、塌孔、缩颈等问题进行了分析,并提出相应处理措施,以供类似工程参考和借鉴。     

某大桥岩溶地区桩基施工技术研究

某特大桥桩基施工区域地质条件复杂,地层上部为人工填筑粗角砾土、粗圆砾土及卵石土,下部为弱风化灰岩,岩石节理裂隙强烈发育,溶洞和溶蚀较多、较大且多层分布。在桩基施工过程中经常出现卡钻、掉钻、串孔、护壁泥浆流失,造成护壁坍塌或孔口塌陷等现象。针对出现的不同情况采用提前高压注浆处理、回填材料填充、护筒跟进、水下灌注混凝土等不同的施工方法,使得钻孔顺利进行,混凝土灌注数量及质量得到有效控制。     

砂卵石地基的钻孔勘探方法研究

在砂卵石地层中勘察钻探时，要解决三个关键性的问题：一是钻进问题，在砂卵石层中钻进效率非常低下．必需采取措施予以提高，以保证工程进度；二是护壁问题，即孔壁稳定问题，使钻孔不坍塌、不掉块，保证孔底干净，以利于原位测试；三是取芯问题，采取合乎规范要求的岩芯。保证室内试验的可靠进行。     

黄壁庄水库副坝塌坝原因的同位素方法研究

通过钻孔中进行的密度测定、人工同位素示踪、环境同位素分析等方法与技术,分析了黄壁庄水库副坝在进行混凝土连续墙施工过程中多次发生塌坑、塌坝的原因为：塌坝段下部的硅质灰岩中溶洞发育,充填物很少,上部地层多次的塌方使已固结的土体遭到严重的破坏,在护壁泥浆的长期浸泡下形成软塑状土．在重型机械的压力下,软塑状土从槽孔向溶洞中流动,造成严重的塌坑事故．     

软土地区桩基施工群孔效应作用机理研究

本研究利用Plaxis 3D有限元软件对群孔效应引发周边地层显著变形的原因进行了探索分析,通过孔周应力变化及孔周土体变形分析揭示了群孔效应的内在机理.结果表明,单孔情况下周围土体中会出现水平环向应力拱和竖向应力转移,有效限制孔壁内缩变形.而群孔之间的相互作用主要包括以下3方面:一是孔与孔之间对彼此应力拱的影响,具体表现为对环向应力拱的分布范围和拱强度的削弱作用;二是孔与孔之间对彼此竖向应力转移的影响,由于群孔之间距离有限,孔间应力转移同样受到削弱和破坏;三是在已有空孔附近再次成孔的卸荷效应,会使得周围土体有向该孔变形的趋势.群孔效应对周边环境的较大影响是以上3种因素共同作用的结果.当大量空孔存在且孔间距较小时,孔周边土体水平和竖向应力拱相互影响削弱导致每个空孔的内缩变形均大于单孔时的变形值,这是群孔效应中孔与孔相互作用的内在机理,也是其引发周边土体变形严重的主要原因.     

水利护岸结构施工对临近地下已有原水管线的影响

结合大芦线航道整治二期工程, 研究分析了水利护岸结构施工对临近地下已有原水管线的影响. 分析结果表明, 除了桩基的挤土效应外, 施工还会对结构沉降、土体振动、预钻孔塌孔、上部荷载变化等产生影响. 考虑采用相应的工程措施来减轻影响, 包括原位监测、控制沉桩速率、桩基跳打、限制日打桩数量、预钻孔打桩、考虑前排桩基遮帘作用施工、预钻孔护壁等. 工程实践证明, 当采用以上措施后, 对已有原水管线的影响减弱, 效果良好. 相关措施可供类似工程参考.     

低频振动钻削钛合金深小孔的试验研究

利用自行设计制造的激振装置和小直径内排屑深孔钻 ,成功地实现了对钛合金的轴向振动钻削加工 ,得到良好的加工效果 .在对振动钻削和普通钻削的加工过程和试验结果进行对比分析的基础上 ,得出结论 :振动钻削改变了钻削机理 ,改善了钻削条件 ,从而可明显地提高入钻定位精度 ,控制断屑过程 ,改善孔壁粗糙度和圆度 ,提高孔径尺寸精度 .振动钻削非常适宜于加工小直径深孔 .     

塔中地区鹰山组碳酸盐岩储层水平井轨迹优化研究

针对塔中地区鹰山组碳酸盐岩的储层特征和目前水平井钻探过程中遇到的问题,综合考虑地应力控制下的井壁稳定性和后期压裂增产等因素,对水平井井眼轨迹进行优化。通过有限元数值模拟计算,分析不同井眼轨迹下的水平井稳定性和压裂缝形成难易程度,得到最优的井眼轨迹方向。对塔中某井的分析结果表明:所分析水平井的井周地应力状态为潜在走滑型,基于地应力状态和岩石力学特征,从井壁稳定性的角度考虑,当井筒延伸方向与水平向最大主应力夹角为20°~40°时井壁较为稳定,有利于安全、高效钻井;从压裂缝形成的难易程度考虑,当井筒延伸方向靠近水平向最大主应力方位时,井周张应力最大,压裂过程中较容易形成张裂缝。综合井壁稳定和后期压裂增产,分析得到塔中地区最为有利的水平井井眼轨迹方向为与水平向最大主应力夹角20°左右,并通过现场验证得到该方向既能保证安全钻井又能通过后期的压裂获得较高的产能。     

强烈蚀变火山岩地层组构及其防塌钻井液研究

在辽东湾、渤海湾及其邻近的冀东油田和大港油田东部的钻遇地层中存在易塌的火山岩地层。为了探寻适用于该地层的防塌措施 ,对冀东油田M2 7- 2 7井岩心的岩石结构、矿物组成、水分含量、线膨胀率、回收率和稳定指数等进行了分析。结果表明 ,该套岩层含有大量蛋白石等粘土矿物 ,且非均质性严重 ,成分复杂 ,裂隙发育。因此 ,在钻进过程中 ,该井段的钻井液需要有强抑制、强封堵、低失水的性能。基于这一认识 ,优选出了多元醇防塌钻井液。现场试验结果表明 ,该钻井液体系有效地保证了玄武岩井段的安全顺利钻进及井眼规则性。     

水基钻井液高温高压密度预测新模型

高温深井中,钻井液密度是温度和压力的函数,高温会使井眼中的钻井液发生膨胀,密度降低,而在深井中的高压则会压缩钻井液,使密度增加。随着井深的增加,钻井液密度不再是一个常数。用地面恒定的测试结果计算井下当量循环密度,使计算结果和井下压力测试结果存在差异,对于窄安全密度窗口的高温深井,对井控存在一定的安全隐患。因此,建立准确的钻井液高温高压密度预测模型,确保钻井液静压和动压计算准确,能够为钻井工程技术人员合理调配钻井液性能参数和控制钻井参数提供准确的参考数据和依据,从而减少复杂事故的发生。这对井下压力的精确计算具有重要意义。首先对影响钻井液密度的敏感因素:温度、压力、岩屑溶度和井口回压进行了理论分析;然后通过水的高温高压密度数据,利用多元非线性回归分析,建立了水基钻井液高温高压密度预测模型。现场实测数据验证,吻合较好,相比经验模型,使用方便、实用。     

基于应力波传输的随钻测量系统研究

阐述了在钻井过程中使用应力波通过钻柱实时传输井下数据技术,介绍了西部钻探钻井工程技术研究院研制的基于应力波传输的随钻测量系统(CS-MWD)的工作原理和构成,并对CS-MWD系统进行现场试验,指出在浅层井中CS-MWD系统具有传输速度快、测量精度高的优点,而在深层井中因受到应力波钻柱衰减作用和噪音的影响,其应用还受限制.     

深孔加工中振动的产生原因和消除方法

深孔加工是在封闭的条件下进行的高难加工工序,振动问题是深孔加工中比较难解决的问题。文中阐述了深孔加工中振动的类型;分析了深孔加工中振动问题产生的原因,对钻杆弹性变形引起的振动这一主要原因进行了分析;结合一台深孔钻床和钻具研制过程,提出了深孔加工中消除振动的方法。     

Failure analysis of 18CrNi3MoA drilling tails

The fracture of a drilling tail made of 18CrNi3MoA steel in the exchanging water hole was analyzed in terms of inclusions, prior austenite grain size, carburized layers, and fatigue fracture morphology by means of optical microscopy, quantitative metallography, and scanning electron microscopy (SEM). Fatigue crack initiation and propagation on the drilling tail were also studied. The results showed that the fracture on the drilling tail was not induced by inclusions and the distribution inhomogeneity of prior austenite grain size. Instead, because the outside surface of the exchanging water hole was not continuously geometric, there was a great deal of stress concentration in those areas under continuous twisting, axial impact, and corrosion of mineral water. Thus three crack sources emerged in these areas. Initial cracks centered on these sources spread from the outside surface to the inside surface, and eventually the drilling tail ruptured. Furthermore, the fractograph of the region around the crack sources exhibited a typical ductile dimple fracture pattern, and cracks initiated on the outside surface of the carburized layers of the exchanging water hole. Three crack sources could be the sources of fatigue crack propagation. Based on the analysis of fatigue crack propagation, it was further demonstrated that fatigue damage originated from the outside surface of the exchanging water hole.     

穿煤层钻孔定向水压致裂的数值仿真

选取鸡西城山煤矿现场实例,利用RFPA2D-Flow软件模拟了穿煤层钻孔定向水压致裂全过程.分析了应力、水压的分布与变化规律,研究了损伤区域、卸压区域的形成与扩展过程.对穿煤层钻孔定向水压致裂前后煤层瓦斯抽放过程中瓦斯抽放效果及压力分布进行了对比研究.结果表明,实施定向水压致裂后压裂孔与控制孔之间的卸压区成为主要的瓦斯渗流通道,使瓦斯抽放效果显著提高.     

超深水平井钻柱动力学研究及强度校核

超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8 000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。     

三维电极法处理钻井废水实验研究

采取三维电极法处理钻井废水,考查了活性炭吸附作用、电解作用对COD去除率的影响,初步探索了三维电极法处理钻井废水的降解机理。利用正交实验分析了不同影响因素对COD去除率的影响程度。实验结果表明:三维电极系统对钻井废水的处理是电解和吸附作用协同效应的结果;活性炭感应荷电时处理效果最好;各因素对CODCr去除率的影响程度为初始CODCr浓度>电解时间>pH值>电流密度>电导率;最优水平组合为A4B4C2D3E4。