西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性

针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题,提出采用高强钢板-混凝土复合井壁新型结构。首先,以内蒙古鄂尔多斯市陶忽图煤矿北风井为工程原型,基于相似理论推导了复合井壁结构模型试验相似指标,通过正交模型试验,研究了不同井壁厚度、混凝土强度等级和钢板型号情况下高强钢板-混凝土复合井壁的力学特性。其次,采用数值模拟方法,计算分析了高强钢板-混凝土复合井壁极限承载力的影响因素及其变化规律。然后,根据模型试验与数值计算结果,构建了高强钢板-混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数计算公式,并给出了各影响因素的取值范围,同时提供了该种井壁结构的工程应用设计优化方法。最后,分析了复合井壁结构中锚卡的力学作用效应。研究结果表明,在复合井壁结构中,由于高强钢板屈服强度高,可更好地对中间混凝土产生复合约束作用,混凝土抗压强度提高系数可达2.3~2.6,井壁承载力显著提高。在相同条件下,与Q345钢板相比,高强钢板(Q460~Q620)-混凝土复合井壁的极限承载力可提高7.14%~19.46%,井壁厚度可减薄8.18%~19.52%,且增大内层钢板厚度更有助于提高井壁极限承载力。复合井壁结构中锚卡约束着内钢板,使其达到屈服应力后不会过早发生屈曲失稳,同时对中间混凝土提供约束作用,保证其处于三向受压状态,2者起到很好的复合作用,有利于井壁结构整体受力。

有限长复合厚壁圆筒井壁的空间轴对称应力分析

带防水层的复合厚壁圆筒井壁是近几年来在建井工程中广泛应用的一种新型井壁。本文在三维轴对称弹性理论的基础上研究了这种井壁的应力分析问题,获得了这一问题形式简便的严格解,同时在弹性理论空间轴对称问题的一般解方面也做了一定的探讨。

典型硫酸盐环境中氢氧化钡对混凝土性能改善及机理

通过试验比较不掺/掺加氢氧化钡混凝土在典型硫酸盐环境中质量、超声波传播速度、强度等宏观性能的变化,并采用扫描电镜、能谱分析、X射线衍射及热重-差热分析等微观试验手段观测腐蚀引起微结构和腐蚀产物组分的变化,探讨氢氧化钡对混凝土腐蚀劣化的影响机理。试验结果表明:(1)掺加氢氧化钡的混凝土腐蚀劣化速率减缓,腐蚀引起的质量和波速的变化幅度均降低,腐蚀300 d后不掺/掺加氢氧化钡混凝土强度较腐蚀前分别下降17%和3%,氢氧化钡的掺入削弱了硫酸盐腐蚀的破坏程度;(2)相比普通试件,同样腐蚀时间下,掺加氢氧化钡试件的内部结构更完整致密,钙矾石、石膏等腐蚀产物含量有所降低,伴有硫酸钡生成,且随着腐蚀时间延长,掺加氢氧化钡试件内腐蚀产物数量较普通试件显著降低;(3)掺入氢氧化钡的试件内部同时发生了硫酸钡和钙矾石的生成反应,2者存在竞争性,硫酸根优先与氢氧化钡反应生成硫酸钡沉淀,硫酸钡沉淀阻塞硫酸盐溶液入侵的孔隙通道,进一步延缓了腐蚀反应的进行。

削球式及椭圆回转式钻井井壁底力学性能分析

钻井法凿井是采用大型钻井机经一次或几次扩孔施工竖井井筒的方法,钻井底部井壁底结构承受最大的水泥浆压力,容易发生破坏。根据钻井井壁底飘浮下沉中的实际工况建立模型,采用ANSYS计算软件对削球式和椭圆回转式2种井壁底的力学性能进行有限元分析,分析2种井壁底的应力分布规律和受力的主要影响因素,同时选取受力形式相对较好的削球式和椭圆回转式模型进行关键点受力比较,提出了对深厚表土层钻井井壁底的最佳结构形式,为今后采用钻井设计与施工时选择最佳井壁底结构形式提供参考。

高渗透孔隙水压对井壁混凝土性能的影响

本研究考虑三个因素:水压(孔隙水压)、水压作用时间和强度等级对井壁混凝土物理力学性能的影响,采用SPSS19.0软件设计生成混合正交试验。结果表明:对于同一强度等级的井壁混凝土试件,当水压作用时间相同时,随着孔隙水压的增大,混凝土损伤加剧,力学性能劣化明显;3因素对混凝土力学性能损伤影响从强到弱顺序依次为:水压(孔隙水压)、混凝土强度等级、水压作用时间。孔隙水压作用后,井壁混凝土的初始弹性模量明显增大,峰值应变明显降低,泊松比则略微增加。

混杂纤维井壁混凝土力学性能和微观结构研究

为改善高强井壁混凝土脆性特征,提出采用混杂纤维混凝土作为深部矿井井壁筑壁材料。通过优选材料和正交试验,配制得到混杂纤维高性能井壁混凝土,并对其基本力学性能和微观结构进行了试验研究。结果表明,在基准混凝土中加入体积掺量为0.12%的聚丙烯醇纤维(PVA)和0.3%的仿钢纤维(FST),混凝土的抗拉强度提高了41.69%,明显改善了其脆性特征;纤维混杂对高强混凝土立方体抗压强度和轴心抗压强度影响不大,但在混凝土破坏时能明显提高峰值应变和残余强度;试验得到混杂纤维混凝土的弹性模量和泊松比分别为37.41GPa和0.216,可为井壁结构数值分析提供依据;微观结构分析表明,混杂纤维能有效改善混凝土的内部结构和微观形貌。