冻结孔固管充填浆液性能劣化及冻结管的下沉受阻机理研究

摘要

随着全深冻结法凿井技术逐渐在富水岩层井筒建设中得到推广应用，冻结孔封孔技术需进一步研究以减少冻结管下沉失败带来的损失。本文采用室内试验、数值模拟、物理模型试验和理论分析相结合的方法，开展了冻结孔固管充填浆液性能劣化及冻结管的下沉受阻机理的研究。
　　首先，通过室内试验，以表观粘度为劣化指标，开展了水泥浆及其与泥浆混合浆液的性能劣化规律研究。结果表明：水泥浆粘度增长，前期和后期分别主要受养护温度和时间影响。失水环境下浆液粘度加快增长，分三阶段，分别主要受养护时间、失水和养护时间影响。当混合浆的养护时间小于20h时，其表观粘度随温度的升高呈现先增加后减小的趋势。随时间的增长，混合浆与水泥浆的粘度均呈线性不断增大，前者受养护时间、失水影响更明显。混合浆的粘度随其中水泥浆体积比的变化，呈现复杂关系，40℃养护10h不失水时，体积混合比为1/2的混合浆表观粘度为1251.18mPa·s，而水泥浆表观粘度为243.68 mPa·s。缓凝水泥浆性能劣化影响因素按显著性由大到小排列依次为浆液是否失水、养护时间、养护温度，混合浆性能劣化影响因素的显著性由大到小依次为浆液是否失水、水泥浆与泥浆的体积混合比、养护时间、养护温度。
　　其次，通过数值模拟，研究了环空内水泥浆顶替泥浆时，浆液混合段高度的变化规律。结果表明：随压浆流量、钻杆外水泥浆高度、冻结孔壁粗糙度、冻结孔径的增大，混合段高分别呈先增后减、增大、先减后增最终趋平缓、先增后减的趋势。与泥浆粘度相比，水泥浆粘度变化对混合段高影响更大。环空中水泥浆顶替泥浆时，混合段高影响因素按显著性由大到小排列依次为钻杆外水泥浆高度、压浆流量、浆液粘度组合、冻结孔径、冻结孔壁面粗糙度。通过对钻杆压水泥浆顶替泥浆的过程进行模型试验研究，得到混合段浆液分布规律。数值模拟与模型试验结果对比，前者偏小。
　　再次，对冻结管下沉时，环空中浆液上返过程进行数值模拟，得到浆液流动规律。环空上返浆液对冻结管外壁的剪切速率，随冻结管下沉速度、冻结管外径、冻结孔径、浆液粘度、浆液密度的增大，分别呈增大、增大、减小、增大、减小趋势。环空中最宽和最窄间隙处浆液对冻结管的剪切速率随偏心率的增大分别呈先增后减、先减后增趋势；当偏心率大于0.6，最窄间隙处成为滞流区。环空浆液剪切速率的主要影响因素按显著性由大到小排列依次为冻结管下沉速度、冻结管外径、冻结孔径。
　　然后，在前文研究基础上，结合典型工程案例，建立冻结管下沉过程的力学模型，对其下沉可行性进行分析，结果与实际工程结果相吻合。得到冻结管下沉受阻的机理：根本原因是钻孔泥浆与缓凝水泥浆的大范围、严重混合，及其在深孔地温、失水环境中的稠化絮凝反应；而最重要原因是管外环空过小，引起浆液对管壁的剪切速率过大，进而形成较大的粘滞阻力，导致高粘度浆液上返不畅。为确保冻结管顺利下沉，提出如下技术措施：适当减小注浆速度，降低水泥浆与泥浆的混合段高度与程度；合理地匹配孔径与管径，保证较大的管外环形空间；减小冻结管下沉时的偏心率等。
　　最后，通过室内试验，对现有缓凝水泥浆配方进行了改进，降低了其粘度。

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变量注释表(List of Variables)

1 绪论

1.1问题的提出(Problem statement)

1.2国内外研究历史与现状(Domestic and foreign researching situation)

1.3研究内容、方法与技术路线(Research contents、method and technical route)

2 泥浆置换条件下的浆液性能劣化规律

2.1概述(Overview)

2.2试验设备(Exprimental equipment)

2.3试验方案(Exprimental schem)

2.4试验过程(Exprimental process)

2.5结果与分析(Results and analysis)

2.6本章小结(Chapter summary)

3 钻孔泥浆置换过程中的浆液混合规律

3.1概述（Overview）

3.2数值计算（Numerical calculation）

3.3试验条件下的数值计算(Numerical calculation under test conditions)

3.4物理模型试验验证(Physical modeling experiment verification)

3.5本章小结(Chapter summary)

4 冻结管下沉过程中的浆液流动规律

4.1概述(Overview)

4.2控制方程(Control equation)

4.3数值模型的确定(Determination of numerical model)

4.4计算方案的确定(Calculation scheme)

4.5结论与分析(Results and analysis)

4.6本章小结(Chapter summary)

5 冻结管的下沉受阻机理

5.1概述(Overview)

5.2工程概况(Project profile)

5.3环形空间中的浆液对冻结管的剪切速率（The shear rate of slurry on freezing pipes in annular space）

5.4环形空间中三种浆液各自的高度（The height of three kinds of slurry in annular space）

5.5冻结管下沉时所受作用力(Force on freezing pipe during sinking)

5.6冻结管下沉可行性计算(The feasibility calculation of freezing pipe sinking)

5.7冻结管下沉受阻的力学机理(Mechanical mechanism of freezing pipe sinking blocked)

5.8确保冻结管顺利下沉的技术措施(Technical measures for the security of freezing pipe sinking smoothly)

5.9本章小结(Chapter summary)

6 缓凝水泥浆的性能改进

6.1概述(Overview)

6.2水泥及外加剂的选取(Selection of cement and admixture)

6.3试验仪器与方法(Experimental instruments and methods)

6.4试验方案与结果 (Experimental schem and results)

6.5本章小结(Chapter summary)

7 结论与展望

7.1结论(Conclusions)

7.2展望(Prospects)

参考文献

作者简历

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