特殊地层条件下井壁破裂灾害防治技术20130318.ppt

竖直附加力的最大值fn max 疏排水含水层的最终水压下降量pmax。 f max1=b Δpmax 土与井壁交界面的长时抗剪强度。 fmax2 =σ tanφ +C σ = 0.003H 井壁竖向极限承载力。存在与井壁竖向极限承载力相对应的一种可能的最大竖直附加力f max3。 fn max= min(f max1，fmax2，f max3) 1.井壁破裂的机理 竖直附加力分类 冻土融沉引起的附加力 疏水沉降引起的附加力 井内温度变化引起的附加力 地下水下渗(水夯)引起的附加力 注意:基岩疏水不引起附加力(波兰) 1.井壁破裂的机理 获得了冻结壁融沉附加力的变化规律，发现了融沉附加力致裂井壁的新机理 数值计算模型 李堂矿井壁在冻结壁融沉阶段破裂情况 物理模拟试验 1.井壁破裂的机理 竖直附加力主要与以下两组参数有关： 井壁结构及其几何、物理、力学参数 地层的几何、物理、力学参数 相应地，防治井壁破裂的技术路线有： 针对井壁采取措施: 提高井壁承载力 采用能适应竖直附加力的新型井壁结构 针对地层采取措施: 注浆加固、抬升地层 保持井筒周围含水土层水位不变 都是为了减小井壁与地层间的相对位移量 2.防治技术路线 冻结井壁(双层)：有8个冻结井筒采用了新型滑动可缩井壁，但其中3个在冻结壁融化期间发生了井壁破裂事故！ 钻井井壁(单层)：有4个钻井井筒采用加强井壁法硬抗附加力，实测结果表明它们仍面临井壁破裂危险！ 3.国内外技术现状 2005年以前已有技术及其存在的问题 已有技术不能预防新建井壁发生破裂灾害！ 防透水技术 (满足密封要求) 防失稳技术 (满足刚度要求) 防破裂技术 (满足强度要求) 施工关 键技术 井壁结 构技术 井壁所 受外载 理论解析 数值计算 物理模拟 工程实测 特殊地层条件下井壁破裂灾害防治技术 4.总体思路 1.井壁附加力研究 2.井壁结构技术 3.施工关键技术 四、预防技术 1)研究融沉过程中土和井壁的相互作用； 2)研究钻井井壁与土层交界面的力学特性。 1)冻结壁融沉过程中井壁受力的机理未知； 2)在疏水条件下钻井井壁附加力大小未知。 难点 1)冻结壁水、热、力三场耦合分析； 2)钻井井壁与土层交界面建模方法、界面参数取值。 1.井壁附加力研究 对策 技术关键 1)获得了冻结井壁融沉附加力变化规律和数值，为井壁设计提供了依据。 融沉附加力变化规律 数值计算模型 物理模拟试验 1.井壁附加力研究 创新成果 创新成果 2) 首次发现冻结壁融沉可导致井壁破裂灾害，这一结论已被工程证实；建立了融沉条件下井壁安全评估方法。 某矿井壁在冻结壁融沉阶段破裂 1.井壁附加力研究 某矿井壁可缩装置压缩情况 1.井壁附加力研究 3)获得了疏水附加力的变化规律与数值；证实当土层较厚时，硬抗附加力是不合理的。 创新成果 附加应力分布规律 界面力学特性试验系统 1.井壁附加力研究 井壁疏水附加力 竖直附加压应力-深度曲线 竖直附加压应力-时间曲线 综合疏水附加力研究成果，阐明了深厚表土中井壁硬“抗” 附加力是不可取的，应轴向可缩 1.井壁附加力研究 1)掌握新型井壁和地层的相互作用规律； 2)解决新型井壁防水和失稳问题。 探索封水性能好、适应地层沉降的新型井壁结构形式及其设计计算方法。 1)研究提出新型井壁结构形式； 2)研究新型井壁的力学特性。 难点 对策 技术关键 2.井壁结构技术 1)发明了能适应地层沉降的内层可缩冻结井壁技术和单层可缩钻井井壁技术，掌握了新型井壁的竖向承载特性及其与地层相互作用规律,提出了可缩井壁设计方法。 创新成果 2.井壁结构技术 内层可缩井壁示意 大型模拟试验 2.井壁结构技术 井壁可缩装置 2.井壁结构技术 合理的极限承载力； 横阻可缩的压缩曲线； 良好的抗渗防水性能； 可靠的工程稳定性. 深度越大，对上述性能的要求越高！ (尤其是对于采用单层井壁的钻井井筒） 理想的井壁可缩装置： 2.井壁结构技术 2)研究、发明了一种新型井壁可缩接头，提出了设计方法。该种可缩接头具有压缩率高、全压缩过程中不渗漏、恒阻可缩等优点。 创新成果 可缩接头受力过程示意 模拟试验 2.井壁结构技术 建立了内层可缩井壁设计计算方法和公式 可缩井壁模拟试验 可缩井壁数值分析 2.井壁结构技术 1)冻结井壁可缩接头和混凝土的界面易形成施工缝，可能成为渗水通道。 难 点 井壁渗漏水通道 3.施工关键技术 渗水通道 2)钻井井壁漂浮下沉时可缩接头可能失稳 难 点 钻井井壁漂浮失稳示意 1)在界面附近增加易施工的过渡层； 2)开发阻尼器技术，提高可缩接头的稳定性。 对策 3.施工关键技术 1）解决了可缩接头和混凝土交界面的防水难题。 创新成果 内层井壁可缩接头组焊 焊缝质量液压检测 3.施工关键技术 发明了在全寿命周期内封水