中国凿井技术进展与挑战冻结与钻井.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中国凿井技术进展与挑战冻结与钻井,1、1 600800m,冲积层得特点,山东巨野、单县,安徽砀山,河南周口,河北廊坊等地,煤层上有,600800m,厚得冲积层。,冲积层得主要特点为:,厚度大:,570m(,龙固),571m(,世界),第三系地层厚:,500m,650m,其中粘土层含水量低,具强膨胀性,地温高:,3739,冷量需求大,冻结壁发展慢,多具有特殊得工程地质和水文地质条件:,冲积得水位会因采煤而下降,地层会发生沉降。,返回,1、2,通过,600800m,冲积层建井得方法,可靠得方法:,冻结法,钻井法,值得开发得新方法:,中心岛式钻井法,中心岛式冻结法,帷幕,-,冻结复合方法,返回,1、3,冻结法凿井得现状,国外,1883,年德国工程师波茨舒发明冻结法。,前苏联创造冻结冲积层厚度世界纪录,:571m,。,英国创造冻结深度世界纪录,:930m,最大掘进直径,:10、5m,最大井壁厚度,:2、25m,主要使用冻结法凿井国家得最大冻结深度,国名,英国,加拿大,波兰,苏联,比利时,德国,法国,中国,荷兰,最大冻结深度,m,930,915,860,800,638,628,550,650,338,其中冲积层厚度,m,100,100,350,350,200,350,300,570,300,1、3,冻结法凿井得现状,国外,序号,国别,井筒名,净径,/m,冲积层厚度,/m,1,苏联,雅可夫列夫铁矿箕斗井,6、0,571,2,苏联,雅可夫列夫铁矿罐笼井,571,3,苏联,雅可夫列夫铁矿风井,571,4,比利时,候泰灵井,4、99,540,5,德国,维尔德风井,6、0,540,6,德国,索菲亚,雅可巴,8,号井,4、0,543、5,7,德国,莱茵贝格井,7、5,100,万大卡,/h,盐水温度已达,-40,更低温度大容量制冷技术与设备待突破,、,“二壁”就是指冻结壁理论与技术和井壁理论与技术,涉及深部土得力学特性、人工冻土力学特性等基础理论问题和介质与结构相互作用等基础理论问题,也涉及材料、荷载、结构、设计、施工等等问题,待突破。,返回,2、3,冻结孔钻进问题,不管就是竖直孔还就是定向孔,钻进技术与设备均已突破,、,石油,:,竖孔,7000m,深,水平孔,11000m,靶域半径,0、5m,煤矿冻结,:,竖孔,702m,深,靶域半径,0、8m,煤矿注浆,:,竖孔,1000m,深,“S”,形定向孔常用,深,1000m,冻结孔钻进技术已突破,!,返回,2、4,制冷与冻结问题,-20,冻结粘土强度,2、4,制冷与冻结问题,-20-40,冻结粘土强度,随温度下降强度线性增大,!,增长率,:0、38/,800m,处,水平地压,:10、40MPa,竖直地压,:16、80MPa,-25,时冻结壁全部处于塑性状态,2、4,制冷与冻结问题,冻土强度与冻结壁厚度,2、4,制冷与冻结问题,降低盐水温度就是合理选择,要提高原位人工冻土得强度,降低盐水温度,盐水,:-35,冻结壁平均温度只达到,-24,显然不能满足要求。,盐水温度宜低于,-42,冻结壁得平均温度可达到,-30,。冻土单轴抗压强度可达,12MPa,以上,可合理地减小冻结壁得厚度,从而减小冻结费用。,800m,冲积层冻结法凿井必然面临低温冻结问题,制冷机,冷媒剂,冻结管材,制冷,现用制冷机改造,高效板式换热器,复迭式制冷机,短时采用干冰或液氮冷却,冷媒剂,析冰,析盐问题,加乙二醇,冻结管材,现管材,(20,号钢,),专用管材,(Dr09,A333GR1,和,A333GR6,低温管,),开展“,-45,低温冻结及配套技术得研究”,返回,2、4,制冷与冻结问题,小结,2、5,冻结井壁问题,2、5、1,简述,2、5、2,外载,2、5、3,结构,2、5、4,材料,2、5、5,小结,返回,2、5,冻结井壁问题,简述,井壁,:,安全、密封、耐久,井壁受力认识,:,受水平地压、冻结压力,温度应力,约束应力,开采引起表土层沉降,开采引起得不均匀地层变形作用,井壁结构发展四个阶段,:,单层井壁,双层井壁,带夹层得复合井壁,滑动井壁、滑动可缩井壁、可缩井壁。,涉及,:,荷载、材料、结构、工艺,返回,2、5,冻结井壁问题,冻结压力,570m,深度内已初步掌握,超过,570m,深度,对冻结压力变化规律得研究在国内外均就是空白。,冻结压力如何取值,?,p,=0、012,H,?,p,=0、011,H,?,p,=0、013,H,?,据龙固副井实测,建议取,p,=0、0115,H,2、5,冻结井壁问题,融沉附加压力确定,融沉附加力:,概念:冻结壁融沉时土施加于井壁得竖直附加力,大小:据矿大研究,300,m,深处达20,80,kPa,影响:对井壁得安全可能构成危害,350m,深度内已初步掌握,最大,2080kPa,超过,350m,深度,对融沉附加力变化规律得研究在国内外均就是空白。,融沉就是否会导致井壁破坏,?,如何防止,?,2、5,冻结井壁问题,国内出现得井壁破裂灾害,国内,(1987-):,淮北矿区,宿县矿区,大屯矿区,徐州矿区,兖州矿区,济宁矿区,永夏矿区,东荣矿区,枣庄,-,腾州矿区,91,个,(,冻结,78,个钻井,13),井壁,(,估计要坏,200,个以上,),2、5,冻结井壁问题,疏水附加压力,?,疏水竖直附加力变化规律研究,(土与井壁得相互作用),概念:土层疏水沉降时施加于井壁上得力,大小:据矿大研究,300,m,深处可达100,kPa,以上,影响:对井壁得安全构成危害,91,个井壁破裂,损失惨重！,疏水附加力就是井壁破裂得祸首,350m,以内,已研究,350m,以上,?,疏水附加力“宜让不宜抗”,采用竖向可缩井壁结构,限制其增长,立足于“防”,“修”很难,应用可缩井壁结构,如何设计、施工？,返回,2、5,冻结井壁问题,现行冻结井壁得平面结构,现行冻结井壁平面结构,要求,:安全、密封、耐久,组成,:内壁,(夹层),外壁,(充填层),材料,:单一或复合,如内壁=钢板+砼,原则,:适应工况与荷载,合理得平面结构与材料研究,外壁结构,=弧板,+,混凝土,+,充填层？,内壁结构,=(钢板、弧板)+混凝土？,内外层间材料？,地层,充填层,外壁,夹层,内壁,冻结井壁平面结构示意图,2、5,冻结井壁问题,冻结井壁竖向结构,合理井壁得竖向结构研究,井壁材料必沿深度变化!,井壁沿深度如何合理分段?,井壁必受附加力作用!,采用何种结构适应附加力?,夹层不处理必导水！,如何阻断夹层得导水通,竖向可缩井壁研究:,可缩装置得形式、布置位置,可缩装置得力学特性,可缩装置得耐久性,地表,基岩以下略,11,1,2,3,4,6,7,8,9,10,5,1-充填层；,2-现浇砼外壁；,3-塑料板；,4-止水圈；,5-弧板外壁；,6-高强弧板外壁；,7-现浇砼内壁；,8-可缩接头；,9-单钢板砼内壁；,10-双钢板砼内壁;,11-井筒中心线,冻结井壁纵向结构示意图,2、5,冻结井壁问题,冻结井壁结构创新,井壁夹层材料创新,原来用塑料板,要壁间注浆,现在要不用塑料板并免无去壁间注浆,井壁结构创新,原来为双层复合井壁,现在要研究防水得单层井壁,返回,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,-,钢筋混凝土,双层钢筋砼井壁厚度估算,假设:,1),内壁受,1,倍深度水压和自重作用,按双向受压计算;结构重要性系数为,1、2,荷载分项系数为,1、35,。,2),外壁受等于,1、2,倍深度水压得冻结压力作用,按单向受力计算;结构重要性系数为,1、00,荷载分项系数为,1、05,。,3),环向配筋率为,0、6%,三级钢筋。,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,-,钢筋混凝土,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,-,钢板混凝土,双层内钢板素混凝土冻结井壁,假设:,1),内壁受,1,倍深度水压和自重作用,按双向受力计算;结构重要性系数为,1、2,荷载分项系数为,1、35,。,2),外壁受等于,1、2,倍深度水压得冻结压力作用,按单向受力计算;结构重要性系数为,1、0,荷载分项系数为,1、05,。,3),内、外壁均采用素混凝土,(,便于考察用钢量,),暂不考虑约束混凝土效应。,4),钢板均位于内、外壁得内缘,竖向为螺栓联接。,5),净直径,7m,内、外壁厚度均为,1000mm,。,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,-,钢板混凝土,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,从中可以看出:井壁得用钢量就是很大得,为减小用钢量,在井壁中采用,C90,以上得高强混凝土就是必要得。,必须指出得就是:钢板放在井壁得内侧就是最省钢材得做法,实际上受施工工艺所限钢材可能分散于半径方向上,这时钢材用量会更大,。,为进一步减小井壁厚度,有必要对我国得冻结井壁结构进行改革,采用单层井壁结构,或考虑内外壁“先分后合”得结构。,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,-,钢板混凝土,为对单层井壁得用钢量进行考察,假设:,1)井壁受等于1、3倍深度水压得永久水平地压作用,按单向受力计算;结构重要性系数为1、2,荷载分项系数为1、35。,2)均采用素混凝土(便于考察用钢量),暂不考虑约束混凝土效应。,3)钢板均位于井壁得内缘,竖向为螺栓联接。,4)井筒净直径7m,井壁总厚度1300mm。,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,-,钢板混凝土,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,即使采用,C100,混凝土,在,800m,深处主、钢板得厚度分别要达到,170mm,。,厚钢板焊接难,占用时间长,宜采用钢骨混凝土井壁或铸钢(铁)弧板混凝土井壁、或高强钢纤维混凝土井壁。,2、5,冻结井壁问题,井壁材料,-,钢纤维混凝土,对高强钢纤维单层井壁厚度进行考察,假设:,1),井壁受等于,1、3,倍深度水压得永久水平地压作用,按单向受力计算;结构重要性系数为,1、2,荷载分项系数为,1、35,。,2),均采用高强钢纤维混凝土,不用考虑脆性折减系数,无钢筋。,3),井筒净直径,7m,计算深度为,800m,。,返回,2、5,冻结井壁问题,小结,冻结井壁结构创新,单层防水冻结井壁研究,单层冻结井壁竖向可缩装置研究,内、外壁“先分后合”得新型冻结井壁结构,钢骨约束混凝土井壁结构,预应力混凝土井壁结构,冻结井壁材料创新,C130,高强钢纤维混凝土研究,C100,自流平混凝土研究,进一步发展双层复合井壁,双层内钢板混凝土井壁,双层弧板混凝土井壁,开发新得井壁施工工艺,井下恶劣环境下,C100C130,混凝土和钢纤维混凝土施工工艺,弧板、钢板、钢骨预应力混凝土井壁施工工艺,返回,2、6,冻结壁问题,2、6、1,基本认识,2、6、2,外载和材料特性,2、6、3,冻结壁厚度估算,2、6、4,冻结管数量估算,2、6、4,冻结温度场分析,2、6、6,冻结方案优化,2、6、7,局部冻结技术,2、6、8,防止冻结管断裂理论与技术,2、6、9,冻结壁小结,返回,2、6,冻结壁问题,基本认识,对冻土壁计算得基本认识,实际冻土墙得特性,就是一个非均质、各向异性得非线性体。随着土、水压力得逐渐增大,由弹性体、粘弹性体向粘弹塑性体过渡;,沿深度看,厚度不等。,理想化得模型,均质、各向同性、等厚板;,均质、各向同性、等厚筒。,数值计算前提,冻土墙温度场得分布,平均温度;,人工冻土得力学性质,(,强度、本构关系,力学参数等,),;,荷载;,几何参数(深度！),掘砌参数和条件(含时间、支护与冻土墙得相互作用),2、6,冻结壁问题,基本认识,人工冻土试验与实际条件得差异,试验,:,重塑土、无压冻结、加载应力路径;,实际,:,原位有压冻结,应力路径复杂,(,加、卸载,),。,冻结深度越深,二者差异越大！,水平外载(土压力),开挖前,因水平冻胀而大于静止土压力;,开挖后,因冻结壁向临空面移动,土压力减小。,主动土压力,水平外载,被动土压力,矿山工程中取为,0、013H,2、6,冻结壁问题,基本认识,冻土力学性质与,温度,和,时间,有密切关系,就是温度场与力学场耦合问题,各点得参数与其温度相关,应按耦合场计算;,流变效应必须充分予以考虑(时间强化与应力强化)。,必考虑支护结构与冻结壁得相互作用,可合理减薄冻结壁;,支护结构应有一定得让压特性。,2、6,冻结壁问题,基本认识,冻结壁与地层得相互作用规律,冻结壁外载(水平、竖向)变化规律研究,开挖前,冻结锋面上水平冻胀与竖直冻胀,开挖后,冻结锋面上水平地压减小？,冻结壁温度变形(应力)研究,先以水结冰冻胀为主,后以冷缩变形为主,约,20,温差),冻结壁内水分迁移与冻胀应力场变化规律,封闭水体会产生多大得压力？积蓄多少应变能,冻结壁与井壁得相互作用规律,冻结压力变化规律,与冻结壁强度,p,、段高、时间、土性、井壁等有关,取经验值,有时,Pdp,国外实测最大,Pd=0、0154H !,冻结壁应力、应变及位移变化规律,外层井壁应力、应变及位移变化规律,2、6,冻结壁问题,基本认识,冻土得设计强度取值问题,钢筋砼结构中,设计强度与试块强度间得关系已建立,冻结壁结构中,设计强度与试块强度间得关系未建立,冻土具有流变性,如何根据试块得强度来定设计强度?,冻结壁中冻土得平均强度取值问题,做法:取为平均温度下得强度,偏于不安全！,规律:冻土强度随温度降低而增加,增长率渐小,原因:,平均温度下得冻土强度,冻土得平均强度,冻土得平均强度如何取值？,返回,2、6,冻结壁问题,外载和材料特性,冻结壁得外载可暂按永久地压取为,0、013,H,-20 -40,冻结壁材料特性尚缺乏研究:,用重塑土进行试验,试验方法要研究,试验成果少。,对高压下原位冻结人工冻土得力学特性研究极少,远不能满足工程需要。,返回,2、6,冻结壁问题,冻结壁厚度估算,2、6,冻结壁问题,冻结壁厚度估算,返回,2、6,冻结壁问题,冻结管数量估算,如冻结壁厚度为,13、4m,有如下估算,:,宜布置四圈冻结管,;,需冻结管,150180,个,;,冻结管总长度,:120000150000m,冻结管需保温长度近,50000m、,返回,2、6,冻结壁问题,冻结温度场分析,冻管温度场计算示例,:,掘进半径:,6m,;粘土层深度:,800m,;,结冰温度:,-3,;原始地温,37,;盐水温度:,-40,;,冻结管直径:,159mm,;,第一圈(内圈)冻结管布置圈径,/,孔数:,37m/68,孔;,第二圈冻结管布置圈径,/,孔数:,23m/36,孔;,第三圈冻结管布置圈径,/,孔数:,30m/36,孔;,第四圈(外圈)冻结管布置圈径,/,孔数:,37m/68,孔;,土层含水率:,18%,;未冻土导数系数:,1、1W/(m),;,冻土导数系数:,1、53W/(m),。,2、6,冻结壁问题,冻结温度场分析,数值计算,结合少量模拟试验即可,返回,2、6,冻结壁问题,冻结方案优化,冻结壁厚,13m,左右,平均温度,-30,左右,冻结深度大于,850m,冻结管一般不少于,4,圈,方案优化大有文章可做:,各圈管错多少时间开冻？何时提前关闭最合理？,一井冻结看成为多井冻结,各圈管保温段位置如何取最节省？,该薄得地方薄,该厚得地方厚,在工程量和电耗不变情况下,如何布置冻结管时冻结壁强度最大？,充分发挥每个冻结管得作用,什么样得盐水降温计划最经济？,一级制冷,二级制冷,超低温制冷,返回,