基于高水压射流的盾构泥饼切割试验研究

为解决高水压射流清理泥饼布置方式无依据等问题,研制泥饼压制设备和高水压射流装置,并以强风化泥质粉砂岩作为试验材料,开展高水压射流切割泥饼试验,研究射流压力、流量、传输介质等参数对泥饼切割宽度和深度的影响。主要结论有:1)随着冲刷距离的增大,泥饼切割宽度先增大然后逐渐减小至0,而切割深度则逐渐减小;2)射流压力相同的情况下,当流量从49.1 L/min增大至110.0 L/min时,高水压射流对泥饼的切割宽度增大,当流量从110.0 L/min增加至202.8 L/min时,切割宽度反而减小,切割深度则随着流量的增加而增大;3)射流流量相同的情况下,水压力越大,则切割宽度和深度也越大;4)在水中进行泥饼切割时,高水压射流对泥饼的作用以冲刷为主,难以产生有效的切割。

基于克里金插值法的常压刀盘刀梁区域泥饼发育程度算法及应用研究

为解决刀盘结泥饼影响盾构施工进度的问题,以某泥水盾构刀盘为研究对象,展开对刀盘刀梁部位泥饼发育程度的研究,提出一种基于克里金插值法的常压刀盘刀梁区域泥饼发育程度算法,并进行应用案例研究。利用全刀盘布置温度传感器获取刀盘温度数据,选取线性插值扩展刀梁区域温度数据,运用克里金插值法进行全刀盘区域的温度仿真计算,结合空间和时间2个维度分析刀盘在正常掘进、外侧结泥饼及内侧结泥饼3种工况下的判断条件,提出分离相邻测温点正/负差值,以刀盘整体正/负差值之和呈现同方向变化作为泥饼发育初始环评判指标;结合所建温度场,引入从泥饼发育初始环到当前环的温度变化率总和作为泥饼发育程度评判指标。针对某大直径常压刀盘泥水盾构案例进行分析判定,对比采用反距离权重插值法、克里金插值法和扩展样本克里金插值法构建的3种温度场用于泥饼发育程度计算,结果表明扩展样本后的克里金插值法的适用性最强,并与工程实际情况进行对比,准确率达70.87%。

黏性地层盾构刀盘泥饼固结硬化试验研究

盾构在黏性地层中掘进时刀盘容易出现结泥饼问题,严重时堵塞刀盘降低盾构掘进效率,影响施工安全。渣土粘附在刀盘的过程中伴随着泥饼的固结硬化,为探明盾构刀盘泥饼固结硬化的影响因素,通过自制的刀盘掘进模拟装置开展了室内试验,研究了土体性质、温度、刀盘土压力与泥饼固结硬化特征之间的关系,进行了渣土改良实验,探究了不同改良剂对泥饼固结硬化程度的影响。结果表明:泥饼的含水率与锥入深度可以表征泥饼的固结硬化特征;土体的性质对掘进后刀盘形成泥饼的固结硬化程度影响最大,温度次之,刀盘土压力对泥饼的固结硬化程度存在地层差异性;泡沫剂对纯黏土与含砂黏土泥饼的固结硬化作用改善效果明显,分散剂则仅在纯黏土中存在明显作用。

一种油基钻开液用延时泥饼解除液体系性能评价

针对常规强酸对油基钻开液泥饼解除不彻底等问题,自研一种温度相应型生酸材料,该材料在常温条件下几乎不反应,当达到储层温度后,会与淡水或盐水反应释放出H+,并以此材料为主剂,优选抑制剂,控制H+在储层下的释放速度,优选表面活性剂及加重材料,形成一种新型油基钻开液用延时泥饼解除液体系,可延时并解除可酸溶固相所形成泥饼,含10%生酸材料解除液体系综合性能评价结果表明:该延时泥饼解除液体系延时作用效果及泥饼解除效果明显,表面活性剂加量可影响该体系泥饼延迟时间及泥饼解除时间,可通过调节不同成分加量对泥饼解除时间进行调控,延时泥饼解除液体系处理后岩心渗透率恢复值可达到90%以上,具有良好的储层保护性能。

泥岩地层盾构渣土改良技术研究

依托成都轨道交通资阳线盾构工程穿越泥岩地层进行盾构防泥饼渣土改良方案研究和大量实践,分析了泥饼的形成过程和影响因素,并结合泥岩地层特性,提出了合理的渣土改良方案,包括用取改良材料、开展渣土改良试验、确定改良参数的范围,并根据现场实际情况进行修正,指出实施安全质量控制要点和掘进控制措施,可以有效预防盾构泥饼对掘进施工产生的负面影响。

北部湾深层深井油基钻井液研究及现场应用

为了缩短钻井周期以及提高井壁稳定,油基钻井液的护壁防塌性能可通过加入封堵剂来优化。本文以纳米SiO_(2)、N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷和全氟辛基三甲氧基硅烷为原料制备一种纳米封堵剂,其粒径主要分布在10~200nm之间,其粒径较为集中,应用于钻井液中可降低泥饼渗透率,显著提高油基钻井液的封堵性能,降低滤失量,对储层渗透率影响较小。纳米封堵剂与油基钻井液具有良好的配伍性,提高油基钻井液的稳定性。本文研究的高性能油基钻井液成功应用于现场钻井,钻井过程中,纳米封堵剂的加入显著提高了起钻速度,缩短了现场钻井周期,封堵性能的提高使钻井液泥饼在裂缝和孔隙中进行有效封堵,井壁未出现掉块及剥落片。

盾构机刀盘泥饼性能及机械臂攀附试验研究

由于泥饼的长期附着,盾构机刀盘和刀具工作负荷会逐渐增加,该状况常常使掘进参数出现突变,大大降低施工效率。盾构机泥饼人工清理困难。文中通过对试验室环境下制备泥饼的形成过程和机理进行分析,并对泥饼的物理性能进行测试。通过微型十字板剪切仪、固结试验及机械手臂对泥饼攀附试验研究了胶结强度对其力学性能的影响。研究发现泥饼式样呈现出中压缩性,初始胶结强度影响泥饼式样在剪切过程中的剪胀性,影响着泥饼的抗剪强度。泥饼式样的抗剪强度为85kPa时,机械手臂能够攀附在泥饼表面。因此爪尖数量的增加以及泥饼抗剪强度的提高,能够有效提高机械臂的攀附状态,进一步为机械手臂搭载清淤装备攀附泥饼提供了力学依据。

EPB盾构刀盘泥饼成因分析及评价模型构建

目前土压平衡(EPB)盾构机刀盘结泥饼的研究大都聚焦在单一因素上,缺少整体的、量化的评价标准,难以满足工程上对刀盘结泥饼的预测需求。针对以上问题,文中从地质条件、盾构选型、施工因素3个层面出发,系统总结了导致土压平衡盾构机刀盘泥饼形成的23个主要因素;将土压平衡盾构机在掘进过程中的刀盘结泥饼风险划分为4个等级:高风险、中风险、低风险和无风险。同时提出了结泥饼的风险因子量化标准,并结合层次分析法构建了土压平衡盾构的刀盘结泥饼风险评价模型;基于广州地铁14号线马创区间右线115-165环盾构隧道工程的掘进数据,计算出盾构机掘进过程中不同环的刀盘结泥饼风险程度,验证了刀盘结泥饼风险评价模型的预测性能。研究结果表明:结泥饼风险评价模型的23个影响因子中,以塑性指数、刀盘扭矩、液性指数、总推力的影响权重最大,启动扭矩的影响权重最小;结泥饼风险评价模型表现出了良好的预测性能,计算得到的结泥饼风险变化曲线与现场施工情况基本吻合;盾构掘进参数的变化能很好地反映掘进过程中泥饼的形成,其中总推力对泥饼产生最敏感,刀盘扭矩、土仓压力、推进速度和螺旋机转速的敏感度依次降低。研究成果可适用于类似工程中的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的评价分析。

中粗砂-风化岩复合地层双模盾构渣土改良技术研究

为解决中粗砂-风化岩复合地层土压-泥水双模盾构土压平衡模式施工适应性问题,依托广州地铁12号线赤沙滘站—仑头站区间隧道工程,针对富水中粗砂-风化岩复合地层易发生的刀盘结泥饼、螺旋输送机出渣喷涌等施工风险,设计防喷涌和防泥饼试验装置研究分散剂及膨润土泥浆的渣土改良效果;针对性地提出不同掘进平衡模式控制要点及“泡沫剂、分散剂为主,膨润土泥浆为辅”的渣土改良方法。研究结果表明:1)分散剂具备较好的防结泥饼能力,掺入比在4%时分散效果较佳;2)膨润土泥浆可有效改善砂土流动性,掺入比在10%、黏度大于80 s时具有较好的改善效果;3)采用泡沫、分散剂、膨润土组合进行渣土改良,合理控制土舱内渣土舱位,可较好适应土压平衡模式在中粗砂-风化岩复合地层掘进。

含油污泥和泥饼掺混焚烧处置研究

为了解决含油污泥给环境要素带来危害。另外,泥饼若不能及时处理,不仅占据大量土地空间,还会散发异味,不利于作业人员身心健康。为此,采用焚烧处理技术对含油污泥和泥饼混合物进行处理,可以得出:含油污泥的有机相更丰富,泥饼的含水率更低。通过分析热值随含水率变化的情况,发现含水率越高,热值越低,控制在30%~50%更合适。此外,在不同掺混比例条件下观察锅炉温度随时间的变化情况,当质量比为1∶4时,能满足焚烧的热值和含水率的要求,同时热值提升了15%。通过对比前年的线监测数据发现,污泥掺混能很好地控制工艺和维持数据的稳定。

工程废弃泥浆压滤改良试验研究

以某核电站隧道机组在盾构施工过程中产生的废弃泥浆作为研究对象,通过压滤试验探究了工程废弃泥浆的物理性质及压滤性能,分析了添加不同比例CaO及Na 2SiO 4和CaCl 2组合溶液的废弃泥浆压滤效果,结果表明,同比例下添加CaO的泥浆压滤速度优于组合溶液,但CaO增大了滤液的pH及施工效率和成本,而组合溶液则能够满足工程需要且避免这些问题。

复合地层盾构刀盘结泥饼的三种过程及防治措施

通过对复合地层盾构掘进过程中出现的结泥饼现象的深入分析,研究其形成的内外因素,推导出三种情况的结泥饼的过程和原因,通过对结泥饼成因的研究提出了盾构机渣土改良系统的微改造方案,形成了一套适应复合地层盾构掘进的渣土改良参数,从设备微改造、掘进工艺控制、添加剂使用等措施方面完善了复合地层盾构掘进的关键控制技术,以期对于类似工程有一定的借鉴意义。

大直径泥水平衡盾构辅助气压工法应用研究

辅助气压掘进工法在国内盾构施工中常被用于土压盾构掘进“上软下硬”地层和埋深较大、裂隙水发育的地层,以及富水、气密性好的复合地层。在泥水盾构掘进中采用辅助气压掘进工法的案例较少,本文结合河南城际铁路大直径盾构项目全断面黏土层气密性好等工程特点,尝试在黏土层掘进施工中采用泥水盾构辅助气压法掘进工法,应对刀盘结泥饼,使各项参数发生变化,导致结果恶化、施工效率降低等问题,有效降低了刀盘结泥饼的概率,提升了施工效率,为类似地层大直径泥水盾构施工提供了参考意义。

复合常压刀盘掘进措施应用研究

文章结合广州海珠湾隧道工程超大直径泥水平衡盾构机掘进实例,分析了复合常压刀盘在复杂红层地质的工程难点及应对措施,重点分析了刀盘结泥饼、滞排、排浆泵及采石箱堵塞,以及刀具磨损严重等问题产生的原因,对出现的问题提出相应解决措施并讨论了其应用效果,为后续在类似典型地层中的盾构施工提供参考和借鉴。

城市湖底超大直径盾构隧道施工重难点及关键技术探究——以武汉两湖隧道(南湖段)工程为例

针对超大直径盾构在岩溶强发育区、高黏性土和硬岩地层中的施工难题,依托武汉两湖隧道(南湖段)工程,通过现场勘探资料分析、文献调研以及专家咨询论证,总结归纳工程的施工重难点:1)盾构穿越岩溶强发育区施工风险高,极易发生盾构栽头与塌陷、突涌水等灾害;2)黏性地层盾构易结泥饼,造成盾构推力增大、掘进速率降低等问题;3)硬岩地层盾构刀盘易磨损,刀具易损坏,盾构掘进效率低;4)小曲线半径施工盾构姿态控制困难,导致隧道偏离设计轴线;5)大直径管片易上浮,致使管片错台、破损及渗漏。针对上述重难点问题,分析复杂地质条件下超大直径盾构选型技术,提出超大直径盾构穿越岩溶强发育区地层处理、高黏性地层超大直径盾构泥饼预防与处治、极硬岩地层超大直径盾构施工、小曲线半径盾构姿态控制和管片上浮预防等施工技术。

高效聚合物钻井液泥饼润滑剂的研制及其作用机理分析

为改善井壁泥饼在水平井和大位移井钻进至中后期的润滑性,研发了一种能有效降低水平段摩阻的固体粉末状高效聚合物水基钻井液泥饼润滑剂RHGXJ-3(羧酸共聚物、针状硅酸盐、聚丙烯微粉质量比为10∶11∶2),通过测定泥饼黏滞系数、温度敏感性和钻井液配伍性,明确泥饼润滑剂RHGXJ-3的作用效果和适用条件,并结合SEM和XRD微观表征技术分析该泥饼润滑剂的润滑机理。研究结果表明,将泥饼润滑剂以0.9%的加量加入井浆并制得泥饼,静置1 min后测得的泥饼黏滞系数相较于加剂前从0.0966降为0.0496,泥饼润滑性提高了48.65%。温度敏感性测试结果表明该泥饼润滑剂的适用温度为30~120℃。该泥饼润滑剂与钻井液的配伍性良好,0.9%的加量下可将井浆的漏斗黏度由55 s降至39 s,井浆流动能力提升29.1%。该润滑剂够在泥饼表面和内部生成溶剂化水膜和凝胶类物质,通过填充空隙、提升压缩性等途径提高泥饼的润滑性,降低泥饼摩阻。与石墨和球状固体润滑剂相比,润滑剂RHGXJ-3的泥饼润滑效果更佳,是其它固体润滑剂的1.6~2.2倍,而使用成本则降低约50%。

废弃钻井液脱出泥饼成分分析

随着油气田的不断开发,不可避免地会产生大量的废弃钻井泥浆。废弃泥浆经过处理,可脱出泥饼,而泥饼成分复杂,存在环保隐患。结合HL油田实际情况,通过X射线衍射仪方法分析出泥饼中固体颗粒成分,同时通过多参数分析仪、原子吸收光谱仪、BOD含量测定仪等研究废弃钻井液脱出泥饼的离子成分、含油性、聚合物含量、微生物含量等,分析了脱出泥饼的成分。结果表明:废弃泥浆脱出泥饼,其含水率较低,含油性较差,其主要以黏土矿物、石英、方解石等为主。泥饼滤液中钠、钙、钾、镁等阳离子含量高,含有少量的铅,并且微生物含量较少,不含聚合物。研究结果对进一步研究切实可行的废弃钻井液脱出泥饼综合利用方法、保护环境和资源利用具有重要意义。

高温高压条件下钻井液泥饼特征研究

钻井液滤失是一个时间长且复杂的过程,泥浆成分、地层压力、温度和渗透率是影响滤失行为的关键因素。随着在高温和高压区域钻进的深入,需引入预测滤液侵入和颗粒桥接的研究。通过在基础水基泥浆中添加重晶石和不同粒径大小的碳酸钙来研究颗粒桥接、滤液侵入和渗透性对其造成的影响。通过渗透率为15.9~653 mD的砂岩岩心在不同时间进行高温高压滤失测试的方式来模拟颗粒桥接效应。该研究还利用分析模型来计算使用不同混合设计的试验的泥饼渗透率。通过扫描电子显微镜(SEM)分析颗粒侵入随深度和时间的预期趋势。结果表明:碳酸钙颗粒大小与滤失损失成正相关,多孔介质的渗透性是影响累积滤失量的关键因素;重晶石将充填岩心中微孔隙,颗粒分布较为均匀且致密,使得岩心渗透率得以降低。本研究的结果可用于设计井筒强化流体,以减轻井眼稳定性和地层损害。

高原冻土区低固相成膜剂钻井液配方优选

为解决在高原冻土层实施钻井勘探中出现井壁失稳坍塌及钻井液对储层侵害等问题,以氯化钠为抗冻剂、硅酸钠为成膜剂采用正交实验法进行室内实验,最终在多组钻井液配方中优选出两组抗低温成膜剂钻井液配方。在-5℃下使用的配方Z1(清水+15%NaCl+2.5%Na膨润土+1.5%Na-HPAN+0.3%XG+2%硅酸钠),在-10℃下使用的配方Z2(清水+20%NaCl+3.0%Na膨润土+1.5%Na-HPAN+0.4%XG+1.5%硅酸钠)。其主要性能指标是:AV值12.0,16.5 mPa·s;PV值9.0,13.0 mPa·s;YP值3.1,3.6 Pa;FL API值6.5 mL/30 min,6.3 mL/30 min。经对两组钻井液的流变参数测定及滤饼质量观测,两组配方均具有较好的流变性能并能形成致密有韧性的半透膜,故两组钻井液配方都满足在高原冻土层钻井勘探的使用要求。

珠海隧道超大直径泥水盾构针对性设计研究

为解决珠海隧道工程中存在的高水压进舱作业、长距离基岩凸起段掘进、浅覆土软弱地层压力控制、刀盘结泥饼等施工难题,提出针对性设计方案。采用常压换刀刀盘及可更换刀具设计,提高高水压环境下的换刀作业安全性及换刀效率;采用主驱动具备伸缩功能的设计,方便常压刀盘在硬岩地层中滚刀更换;采用泥水舱和气垫舱底部设置多道冲刷喷口及破碎机搅动设计,降低盾构堵舱滞排的风险;采用气垫式泥水平衡盾构的设计,降低地表击穿或沉降的风险;采用单独的增压泵对刀盘进行大流量冲刷,减小刀盘结泥饼的概率。所采用的针对性设计在珠海隧道的施工过程中取得了良好的应用效果,明显提升了盾构地质适应性和施工安全性。