深厚复杂地层中冻结井壁温度场演化规律研究

摘要

因浅部资源开采殆尽，近年来我国不得不开发深厚复杂地层下的煤、铁等资源。冻结法是深厚复杂地层中最主要的凿井方法，井壁和冻结壁是其技术关键。在深厚复杂地层中，大体积、高强混凝土井壁与冻结壁间存在复杂、剧烈的热相互作用，但国内外对其缺乏系统深入的研究。研究掌握冻结井壁温度场的演化规律，对防止混凝土冻害、开发井壁温度裂缝预防技术和研究冻胀与融沉致裂井壁的机理等均具有重要意义。本文针对厚度为1~2.5m、强度等级为C60~C80、CF60~CF90的现浇混凝土冻结井壁，综合采用理论分析、物理模拟、数值计算和现场实测方法，对冻结期、解冻恢复期和循环变温期的井壁温度场开展系统、深入的研究。 首先，通过物理模拟和数值模拟研究确定了拟合误差小于5%的高精度水泥水化温升表达式——复合指数式及其参数值；分析得出了不同工况时，合理的内壁内表面和外壁内表面换热系数的计算方法与取值范围；分析得到了井壁温度场中各材料热参数的取值范围。这为后文研究具有时变内热源和复杂换热边界条件的冻结井壁温度场提供了关键、可靠的依据。 其次，研究掌握了冻结期和解冻恢复期井壁温度场的演化规律。以实际工程为背景，针对2个强度等级、4种配合比的大厚度、高强混凝土井壁，通过12次大型物理模拟试验，得到了井壁早期温度场的分布和变化规律。建立了包含地层冻结、开挖、外壁（或单层井壁）砌筑、内壁砌筑等整个冻结法凿井过程的大型三维数值计算模型，从外边界条件、自身因素、内边界条件和施工工艺四个方面（共14个因素），分析掌握了冻结期和解冻恢复期外壁（或单层井壁）、内壁及围岩（土）的温度场演化规律，得到了各施工阶段井壁温度的变化范围、最大温差、升（降）温速率、水泥水化引起的冻结壁融化范围、解冻时间等重要技术参数；对比分析了各因素对冻结期和解冻恢复期井壁温度场的影响规律。在12个井筒的井壁上开展了现场实测研究，分别得到了水泥水化升温、快速降温、缓慢降温三个阶段井壁温度场的变化规律。这12个井筒井壁包括：4个深表土井筒的外壁（表土深度为675.6～754.96m，为世界之最），1个大直径、大厚度壁座（内直径10.5m，壁厚2.5m，均为冻结井壁之最），3个井筒的内壁，4个富水基岩中的新型单层井壁。 最后，研究掌握了循环变温期井壁温度场的演化规律。导出了循环变温期井壁温度分布的解析关系式，分析获得了井内日和年气温以简谐波变化时温度场的变化规律。建立了循环变温期温度场数值计算模型，获得了井壁厚度、导热系数、内边界温度、时间等参数对温度场的影响规律。通过对5个井筒的多年监测，掌握了井壁温度变化规律。 研究成果表明：合理控制井帮温度和入模温度，可防止冻结基岩段井壁混凝土受到冻害；对于高强度、大厚度外层井壁（或单层壁）和大厚度内层井壁，较普遍地存在径向温差大、平均温度变化大的现象，井壁产生温度裂缝的风险高，应采取防裂措施；在日常生产运营阶段，井壁温度随井内气流温度波动，进风井井壁温度变化可达20℃以上，是井壁竖直附加力增大的诱因之一，是深厚表土井壁一般在每年4~10月发生破裂的主要原因。

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