凍結(jié)孔偏斜對白堊系地層凍結(jié)鑿井影響研究＊

陳軍浩 陳飛敏

（1.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部研究中心，安徽省淮南市，232001；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程技術(shù)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

鑿井過程中凍結(jié)壁的強(qiáng)度與穩(wěn)定性直接關(guān)系到井筒能否安全順利地掘砌，而在白堊系地層巖石凍結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)以防水為主，均采用單圈管凍結(jié)，凍結(jié)造孔的質(zhì)量好壞顯得尤為關(guān)鍵。但是白堊系地層巖石以砂巖、泥巖、礫巖為主，呈固結(jié)、半固結(jié)狀態(tài)，巖層堅(jiān)硬不利于造孔；且隨著井筒深度的不斷增加，也加大了造孔難度?，F(xiàn)場雖然通過不斷測斜來調(diào)整鉆孔的傾角與方位，能夠控制凍結(jié)孔的偏斜，但無法避免凍結(jié)孔偏斜，因此各層位凍結(jié)孔相互之間間距大小不一，凍結(jié)后形成的凍結(jié)壁實(shí)際狀況與理想情況也就有所差異，這將直接影響到凍結(jié)壁的交圈時(shí)間，以及交圈之后凍結(jié)壁的厚度、平均溫度等重要指標(biāo)。本文以內(nèi)蒙古泊江海子礦凍結(jié)風(fēng)井為研究背景，分析現(xiàn)場凍結(jié)孔偏斜對凍結(jié)壁溫度場發(fā)展?fàn)顩r、井幫溫度等影響，同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，比較凍結(jié)造孔無偏斜條件與偏斜條件下凍結(jié)效果對井筒掘進(jìn)的影響。

1 凍結(jié)壁溫度場現(xiàn)場實(shí)測

1.1 工程概述

內(nèi)蒙古泊江海子礦凍結(jié)風(fēng)井井筒凈直徑7.6m，掘砌荒徑9.5m。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)在保證強(qiáng)度與穩(wěn)定性的同時(shí)，還要考慮白堊系地層較堅(jiān)硬，井筒掘進(jìn)需采用爆破作業(yè)施工，要求炮孔距離凍結(jié)管不得小于1.2m，以及白堊系地層造孔難度大，偏斜不易控制，需加大孔間距設(shè)計(jì)等方面原因。設(shè)計(jì)采用單圈管凍結(jié)，凍結(jié)壁厚度3.1 m，平均溫度-12℃，凍結(jié)孔圈徑15.3m，開孔間距1.335m，凍結(jié)孔36個(gè)，鹽水溫度-32℃。現(xiàn)場布設(shè)3個(gè)測溫孔，C1孔位于27＃、28＃凍結(jié)孔連線中垂線向內(nèi)1.2m；C2孔位于5＃、6＃凍結(jié)孔連線中垂線向外1.2m；C3孔位于20＃凍結(jié)孔垂直向外1.3m，現(xiàn)場在3個(gè)測溫孔內(nèi)不同深度均布設(shè)測溫元件。選取-260m 中粒砂巖層位進(jìn)行測試結(jié)果分析，凍結(jié)孔實(shí)際偏斜后布置圖見圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場凍結(jié)孔偏斜資料，得出該層位最大、最小凍結(jié)孔間距分別為1820mm （18?！?9＃之間）、911mm （4＃～5＃之間）。

圖1 -260m 層位凍結(jié)孔實(shí)際偏斜情況布置示意圖

1.2 測試結(jié)果分析

現(xiàn)場凍結(jié)42d后開始進(jìn)行井筒掘砌，施工至-260m 中粒砂巖測試層位時(shí)為凍結(jié)135d，施工過程對測試層位不同孔位溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得溫度隨時(shí)間變化關(guān)系見圖2所示。

從圖2中可以看出，3個(gè)孔位所在巖體溫度分別在凍結(jié)22d、27d、33d后降至負(fù)溫，在該階段溫度下降速率差別較大，分別為0.609℃／d、0.421℃／d和0.507℃／d；當(dāng)巖體溫度降至負(fù)溫后，巖體溫度下降速率減緩，最后穩(wěn)定在-18.0℃、-12.1℃、-13.8℃左右。對比計(jì)算結(jié)果，C1 孔降溫速率達(dá)到C2孔降溫速率的1.5倍，造成這種差異除了與C1孔布置在凍結(jié)圈內(nèi)側(cè)，C2孔則布置在凍結(jié)圈外有關(guān)外，還與凍結(jié)孔、測溫孔偏斜有關(guān)?，F(xiàn)場實(shí)際C1孔距離27＃、28＃凍結(jié)孔分別為1.035 m、1.549 m；C2 孔距離4＃、5＃凍結(jié)孔分別為1.410m、1.576m，即C1孔位置巖體溫度直接受制冷影響要更大。

圖2 不同孔位溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

在進(jìn)行現(xiàn)場溫度測試的同時(shí)，借助了安徽理工大學(xué)凍土研究所自行研發(fā)的凍結(jié)法鑿井溫度場信息化軟件進(jìn)行凍結(jié)壁溫度場發(fā)展性狀分析。該軟件假定凍結(jié)壁溫度場為二維穩(wěn)定溫度場，考慮了凍結(jié)、測溫孔偏斜因素，采用網(wǎng)格劃分方法將凍結(jié)區(qū)域離散化，能夠計(jì)算出任意時(shí)刻溫度場的整體分布、獲得凍結(jié)壁特征參數(shù)。圖3為掘砌至測試層位時(shí)凍結(jié)壁厚度分布情況。

圖3 凍結(jié)壁厚度分布圖

由于井筒掘砌時(shí)，荒徑內(nèi)部巖土將被挖空，因此凍結(jié)壁計(jì)算厚度指掘砌荒徑至凍結(jié)壁外邊緣距離，即有效凍結(jié)壁厚度。根據(jù)凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，選取巖體結(jié)冰溫度 （-2℃）作為凍結(jié)壁外邊緣位置。計(jì)算獲得沿徑向方向凍結(jié)壁平均溫度最小-12.1℃，最大-10.4℃，平均為-11.2℃；凍結(jié)壁有效厚度最大5.3 m，最小4.55m，平均4.89m。不同方位凍結(jié)壁有效厚度相差值達(dá)到0.75m，平均溫度相差1.7℃，可見受凍結(jié)管偏斜對凍結(jié)壁厚度影響很大。

2 凍結(jié)壁溫度場影響數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

通過ADINA有限元軟件，分別建立了無偏斜、有偏斜兩種情況下溫度計(jì)算模型，對造孔偏斜對凍結(jié)壁溫度場發(fā)展?fàn)顩r影響作進(jìn)一步分析。-260m處中粒砂巖層位熱物理性能參數(shù)取值分別為地溫13.5℃，密度2.3g／cm3，結(jié)冰溫度-2.0℃，含水率5.18%，比熱1.08J／ （g·K），潛熱30J／g。巖層導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化而變化，20℃、0℃、-10℃、-30℃下巖層導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.88W／ （m·k）、2.95 W／ （m·k）、3.28 W／ （m·k）、3.38 W／ （m·k），相鄰溫度區(qū)間內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)通過線性內(nèi)插獲得。溫度載荷與現(xiàn)場實(shí)際鹽水溫度下降情況相符，開機(jī)凍結(jié)時(shí)間0d、5d、10d、22d、60d、85 d、135d時(shí)溫度載荷分別取10℃、-20℃、-28℃、-32℃、-32℃、-30℃、-30℃，相鄰天數(shù)區(qū)間內(nèi)溫度載荷通過線性內(nèi)插獲得。其中凍結(jié)管偏斜情況下凍結(jié)壁溫度場計(jì)算模型見圖4所示。

圖4 凍結(jié)管偏斜情況下溫度場計(jì)算模型

2.2 凍結(jié)孔偏斜情況模擬與現(xiàn)場實(shí)測對比

先對凍結(jié)孔在偏斜條件下凍結(jié)壁溫度場發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行模擬，并選取對應(yīng)的測溫孔位置溫度變化情況與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比。以C1孔為例，二者對比見圖5所示。

對比現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與偏斜情況下數(shù)值模擬結(jié)果，得出凍結(jié)前期偏斜情況下數(shù)值模擬結(jié)果溫度下降速率略大于現(xiàn)場溫度下降速率，凍結(jié)后期二者溫度變化速率相當(dāng)，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測溫度之間溫差保持在1.3℃以內(nèi)。表明數(shù)值模擬時(shí)通過選取適當(dāng)參數(shù)，計(jì)算獲得的結(jié)果能夠較好地反應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際情況。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測對比

2.3 凍結(jié)孔有、無偏斜對凍結(jié)效果影響

圖6 凍結(jié)壁交圈時(shí)溫度場云圖

對凍結(jié)孔無偏斜、偏斜情況下凍結(jié)壁溫度場發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行模擬，得出兩種情況下凍結(jié)壁交圈時(shí)間差異較大。凍結(jié)孔無偏斜條件下凍結(jié)壁在凍結(jié)19d后即可完成交圈，此時(shí)凍結(jié)壁厚度最小0.35 m，最大1.22m，平均0.98m；凍結(jié)孔偏斜條件下需凍結(jié)27d后才完成交圈，凍結(jié)壁厚度最小0.15m，最大1.5 m，平均1.17 m。兩種情況下凍結(jié)壁溫度場云圖見圖6所示。

在凍結(jié)壁交圈后，兩種情況下凍結(jié)壁平均溫度、厚度均較為接近，但無偏斜條件下凍結(jié)壁向內(nèi)、外平穩(wěn)發(fā)展，凍結(jié)壁厚度均勻；而偏斜條件下凍結(jié)壁溫度場較為紊亂，不同方位厚度、溫度差異明顯，因凍結(jié)孔偏斜引起的凍結(jié)孔間距較大位置為凍結(jié)壁厚度較小，溫度較高，屬于凍結(jié)壁薄弱位置。

以凍結(jié)135d井筒掘砌至-260m 中粒砂巖層位時(shí)為例，凍結(jié)孔無偏斜、有偏斜情況下凍結(jié)壁溫度場云圖見圖7所示。

圖7 掘砌時(shí)凍結(jié)壁溫度場云圖

利用數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算獲得造孔無偏斜情況下凍結(jié)壁有效厚度4.95m，平均溫度-11.8℃；造孔偏斜情況下凍結(jié)壁有效厚度平均值5.03m，平均溫度-11.4℃，均與造孔無偏斜情況下接近，但不同方位凍結(jié)壁有效厚度、平均溫度差別都較大。凍結(jié)壁有效厚度介于4.73～5.39 m，差值達(dá)到0.66 m；其平均溫度介于-10.7～-12.5℃，差值達(dá)到1.8℃。從圖7 （b）可以看出在東南、東北方向凍結(jié)壁有效厚度較小，平均溫度較高；而在西南、西北側(cè)凍結(jié)壁有效厚度較大，平均溫度較低。

2.4 凍結(jié)孔偏斜情況井幫溫度分布

井筒掘砌時(shí)，井幫溫度是否合理直接影響到井筒能否安全、快速的施工。如果井幫溫度過高，則極易造成片幫現(xiàn)象，在減少凍結(jié)壁有效厚度的同時(shí)還需往片幫處填充大量混凝土；如果井幫溫度過低，則需在井筒內(nèi)部多挖凍結(jié)巖土，影響井筒掘砌速率。-260m 層位掘砌時(shí)凍結(jié)孔無偏斜情況下井幫溫度為-6.7℃，偏斜情況下井幫不同位置溫度分布見圖8所示。

圖8 井筒掘砌時(shí)井幫不同位置溫度分布

凍結(jié)孔偏斜情況下井幫溫度沿環(huán)向不同位置溫度不一，最大-3.68℃，最小-8.26℃，平均-6.03℃，不同位置溫度差值達(dá)到4.58℃。在井幫東南、東北側(cè)溫度偏高，西南、西北側(cè)溫度偏低。這與凍結(jié)壁平均溫度在東南、東北側(cè)溫度較高，在西南、西北側(cè)溫度較低相一致。

通過對井幫環(huán)向溫度的分析表明，受凍結(jié)造孔偏斜影響，井筒掘砌時(shí)沿環(huán)向凍結(jié)壁存在明顯的相對薄弱位置。

3 結(jié)論

通過對泊江海子礦風(fēng)井凍結(jié)過程凍結(jié)壁溫度場現(xiàn)場實(shí)測，同時(shí)利用有限元軟件進(jìn)行了凍結(jié)孔有、無偏斜兩種情況下凍結(jié)壁溫度 場發(fā)展情況數(shù)值模擬，獲得了以下幾個(gè)主要結(jié)論：

（1）凍結(jié)孔偏斜對凍結(jié)壁交圈時(shí)間影響很大。白堊系地層在凍結(jié)孔無偏斜條件下凍結(jié)壁交圈時(shí)間僅為凍結(jié)孔偏斜條件下凍結(jié)壁交圈時(shí)間的三分之二，因此凍結(jié)孔偏斜對井筒開挖時(shí)間影響很大。

（2）同一測試層位兩種情況下凍結(jié)壁平均溫度、平均有效厚度差別不大。但凍結(jié)孔偏斜情況下，在不同方位凍結(jié)壁有效厚度、平均溫度差別較大，凍結(jié)壁有效厚度、平均溫度差值分別達(dá)到0.66m、1.8℃。

（3）兩種情況下井幫位置平均溫度相差不大，但凍結(jié)孔偏斜情況下井幫位置沿環(huán)向溫度分布不均，差值達(dá)到4.58℃。受凍結(jié)孔偏斜影響，井筒掘砌時(shí)凍結(jié)壁在環(huán)向方向會(huì)存在明顯相對薄弱位置。

（4）白堊系地層單圈管凍結(jié)條件下，應(yīng)盡量減小凍結(jié)管偏斜，以實(shí)現(xiàn)盡早開挖，同時(shí)防止凍結(jié)壁整體出現(xiàn)大的薄弱環(huán)節(jié)。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）