钻井法凿井气-液-固耦合排渣流场及刀盘吸渣口优化

针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣与钻进效率低下问题,以陕西可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景,基于CFD-DEM(计算流体力学和离散单元法耦合)研究方法,建立了气-液-固多相耦合排渣数值模型,揭示了排渣管内、井底流场的速度及压力分布规律,并基于自研的气举反循环排渣试验装置,采用PIV(粒子图像测速法)测试技术对流场分布的正确性进行验证;提出了优化刀盘吸渣口评判指标和方法,对吸渣口的数量、长径比、面积比、总面积占比进行优化,得到了超前钻头刀盘吸渣口布置的最佳方式和相关参数;讨论了钻头转速、注气量、风管没入比和泥浆黏度等主要因素对排渣流场的影响。研究结果表明:(1)排渣管内流体的运移以轴向流动为主,且途经注气端时,流速发生跳跃式剧增;井底流体的运移主要以水平流动为主,流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近;井底流体的水平流动以切向流动为主,径向流动仅在吸渣口两侧较为明显,且远离吸渣口处,径流速度较小易产生岩屑沉积;(2)当刀盘吸渣口数量为2,长径比为0.4,面积比为1,总面积占比为1.94%时,吸渣口的布置方式最佳,且清渣率较现行吸渣口布置方式提高66%;(3)增大钻头转速可显著增强吸渣口的吸附作用,注气量、风管没入比与井底和排渣管内流体的轴向速度均呈正相关关系,低黏、低密度的泥浆易获取高流速,但携岩能力较差。研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣与钻进效率低下技术难题,提供有益的理论参考。

白垩侏罗系地层钻井法凿井钻井液黏度突变致因分析

在西部地区可可盖煤矿钻井法凿井过程中,穿越白垩侏罗系地层时遇到钻井液黏度突然增大的问题,严重影响了钻进速度。为此,通过实验方法探究了钻井液黏度突变的原因。实验中添加了三聚磷酸钠、羧甲基纤维素钠等外加剂以及不同层位的岩粉,并观察了钻井液黏度的变化。对比实验分析发现,三聚磷酸钠降低了钻井液黏度,而羧甲基纤维素钠增加了其黏度。添加293、391m层位的砂岩岩粉对于钻井液黏度几乎没有影响,漏斗黏度始终保持在27s左右;然而,在添加276、402m层位泥岩岩粉后,可以使钻井液黏度增大。通过XPS半定量分析相应样品以及采用XRF半定量分析和SEM电镜分析相应的钻井液发现:白垩侏罗系泥岩含有较高浓度镁元素,在该地层进行钻井法凿井时会导致Mg^(2+)浓度上升;随着Mg^(2+)浓度增加,高浓度Mg^(2+)促使蒙脱石层间阳离子与之交换并进入其空间结构中,从而引起蒙脱石絮凝程度提高并导致整体钻井液黏性增大。

特殊凿井技术新发展

我国深厚冲积层建井技术主要是靠冻结法和钻井法,近年来发展很快,文中总结了冻结法和钻井法凿井的最新技术进步,并对今后特殊凿井技术发展的方向进行了探讨。

孔隙型含水岩层钻井法凿井壁后充填技术研究

为解决西部地区孔隙型含水岩层钻井法凿井壁后充填技术难题,开展了充填层作用机理及材料配制研究。首先,以可可盖煤矿中央回风立井为工程背景,利用Comsol Multiphysics数值计算软件进行了围岩、充填层和钻井井壁流固耦合作用分析。计算结果表明:有效应力和孔隙水压力分布曲线呈现出明显的“压降漏斗”型特征(即越靠近井筒中心,两者降低速率越快),且曲线的陡降段位于充填层区域;由此可见,在西部孔隙型含水岩层中,充填层不但具有固井和封水作用,而且还具有减载功能。然后,基于有效应力原理和达西渗流理论,提出充填层材料应具有低渗透性、较高强度和较大比重、微膨胀、不收缩,同时拌合物的流动性好、满足泵送机械化施工要求。综上,提出采用高性能水泥砂浆作为西部地区孔隙型含水岩层钻井井筒壁后充填材料。最后,通过正交试验测定了充填材料的主要物理力学性能,并采用极差分析法研究了粉煤灰与膨胀剂质量掺量对充填材料各因素指标的影响;同时,将比重、三轴抗压强度、渗透系数3者作为其性能的最终评定指标;基于综合平衡法获得水泥、粉煤灰、膨胀剂、水、砂、泵送剂等壁后充填材料的最优配合比为1∶0.286∶0.143∶2.144∶0.443∶0.0143。论文研究结果为西部地区孔隙型含水岩层钻井法凿井的壁后充填提供了工程应用基础。

西部地区钻井法凿井壁后充填模拟试验研究

针对西部富水弱胶结地层中深立井钻井井筒壁后充填技术难题,开展了壁后充填模拟试验,对充填效果、充填层抗压强度和抗渗性能进行了分析。以可可盖煤矿中央回风立井钻井井筒为工程原型,基于相似理论原理构建了变态模拟试验系统,采用高性能微膨胀充填材料进行了钻井井筒壁后充填模拟试验。研究结果表明,高性能微膨胀充填材料整体置换护壁泥浆效果好,模拟试验各段置换率均达到97%以上,平均置换率为99.0%;充填层固结体3d抗压强度大于10MPa,28d抗压强度大于30MPa,其强度高、充填固井效果好;在流固耦合作用下,高性能微膨胀充填材料相较于传统水泥浆充填材料有更高的抗压强度和更好的抗渗性能,适宜作为深立井钻井井筒壁后充填材料。但模拟试验也发现,在模型最下部出现少量泥浆沉淀,该段置换效果相对较差。在实际工程充填前,调整泥浆参数、优化泥浆性能可以减少泥浆沉淀,提高工程充填效果。

升富矿斜井冻结温度场数值计算分析

为探究升富矿斜井冻结温度场发展规律,预测确定明挖段开挖时间,基于冻结管实际成孔位置和传热相关理论,结合土体热物理学参数,利用COMSOL MultiphysicsR模拟软件对明挖段不同层位土体温度场发展进行分析。研究结果表明:冻结初期,中砂层温度下降速率较快且冻结壁交圈时间早于细砂层;冻结中期,中砂层位冻结壁发展优于细砂层,但到后期,两者冻结指标差值逐渐缩小;冻结60 d后,侧帮和底板冻结壁有效厚度和平均温度满足设计要求,为控制冻结成本,可以选择60 d后开挖进行井筒施工。

深冻结井筒竖向可缩井壁的设计与施工技术

论文针对深厚表土层冻结法施工的立井井筒可能因竖向附加力作用而发生破裂这一技术难题,根据设计原则研制了一种深冻结井筒竖向可缩井壁结构。详细叙述了该井壁结构的制作方法和现场施工技术,并在丁集矿三个井筒中得到了成功应用,可为新井建设中的新型井壁结构的设计和施工提供参考依据。

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。

冻结封水箍在富水砂层斜井冻结中的应用

目前矿山斜井冻结技术广泛应用于西北地区,但是在斜坡道井筒开拓施工中,存在地表水沿着已成型井筒外侧流至施工迎头,影响井筒正常掘进的难题。为减小或避免井筒迎头面、底板、侧板等位置的地下水影响,提出在冻结斜井中增设封水箍,在不同开挖区间分别增设明挖段、明转暗段及暗洞段止水箍,可阻断底板、侧帮的地下水流对井筒施工的不利影响。通过实际应用案例证明了该工艺方法的可行性与科学性,表明封水箍工艺技术可用于解决富水砂层井筒渗流难题。

刘庄矿东风井第三含水文孔溢水延期原因分析

为了分析刘庄煤矿东风井冻结法凿井第三含水文孔溢水延期问题,研究了刘庄矿东风井水文地质概况、井筒冻结参数,并对水文孔进行了现场排查和分析。结果表明:造成水文孔溢水延迟的主要原因是地层富水性弱且孔隙率大,同时提出了问题的处理方法。

竖井全断面机械破岩装备技术现状及发展方向

全断面机械破岩装备及技术用于竖井井筒施工,具有自动化程度高、作业环境好、成井质量可控等特点,可实现无人或少人作业,是未来竖井施工的发展方向。分析了国内外竖井全断面机械破岩装备与技术现状,总结了钻井法与竖井掘进机装备与技术取得的主要成绩和存在的问题,提出了竖井全断面机械破岩的使用条件和下一步研究方向。

钻井法凿井气举反循环多相排渣运移规律及其洗井参数优化试验研究

针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣效率低问题,以可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景,采用相似模型试验和PIV(粒子图像测速法)测试技术相结合的方法,研究了井底及排渣管内液固气多相耦合运移规律;基于模型试验结果,分析了洗井排渣效果主要影响因素,并提出了高效洗井排渣工艺参数.研究结果表明:自主研发的煤矿立井气举反循环排渣试验装置,可实现钻井法井底及排渣管内流体运移特性的可视化试验研究;岩渣在井底做“积聚—悬浮—吸附—补充—再积聚”动态循环运动,排渣管内液固区段流体呈上下螺旋往复运动,液固气区段呈上下交替的振荡运动,上返速度分布均具有强烈的脉动现象;井底流体的运动主要以水平流动为主,流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近,且上返速度与泥浆循环量呈正相关,增大刀盘转速或泥浆循环量可提高井底环流和径向流速;排渣效果影响因素显著性依次为刀盘转速、注气流量、风管沉没比和泥浆黏度;基于工程背景和试验结果,满足井底清洁高效洗井排渣相关钻进参数为刀盘转速11.5 r/min,注气流量3500 m^(3)/h.研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣效率低下技术难题,提供有益的理论参考.

一种大比重充填固井用水泥砂浆的研制与应用

对大比重充填用水泥砂浆进行配比及试验,得出了合理配比;对大比重充填用水泥砂浆物理力学性能进行了试验;在泵送试验成功的基础上,在信湖矿风井钻井工程中应用,取得了较好的效果,对今后同类工程有重要的参考价值。

南疆地区修复井冻结壁开窗出水原因分析及修复施工关键技术

提出了修复井的纵向测温检测出水位置的办法,解决了井筒出水的修复方法,为该地区其他井筒的类似施工提供了经验。

L40钻机井架改造设计

L40钻机的井架为A形双支腿结构,钻进过程中易出现井架摆动、振荡及打钻偏斜等现象,严重地影响了安全生产。为了解决井架存在的问题,分析井架的结构特点,采用四支腿刚性稳定结构,对井架进行了重新设计,取得了良好的效果。

龙固煤矿钻井泥浆安全护壁条件的研究

钻井法是井筒特殊施工的主要方法之一，它是目前机械化程度最高的凿井方法。泥浆是钻井过程的重要环节之一，对钻井工程的成败和技术经济效果均有直接作用。

水下高速公路盾构隧道联络通道冻结施工模拟分析

公路盾构隧道联络通道建设面临较大的不确定性和风险,通常采用人工地层冻结法进行施工。以孟加拉吉大港卡纳普里河底盾构隧道联络通道为研究对象,分析联络通道施工过程中冻土帷幕和结构衬砌受力情况,研究采用双圈管冻结施工过程中冻土帷幕发展规律。针对施工期和运营期衬砌受力的最不利工况进行验算,分析积极冻结和维护冻结阶段温度场的变化,并研究部分不确定参数的敏感性。分析结果表明,该联络通道设计施工方案合理可行。

下料孔在矿井领域的应用

介绍了下料孔的应用范围、管材形式及结构形式,分析了下料孔在应用过程中应注意的施工技术要点,并探讨了下料孔所具有的缩短建井周期、节约施工成本、安全效益高等优势,对矿井建设的发展有重要意义。

钻井法在可可盖煤矿中央回风立井井筒施工中的应用

钻井法凿井是以钻机驱动钻头破碎岩体,利用泥浆洗井、护壁、排碴,在井筒钻至设计直径和深度后,将提地面预制好的井壁通过漂浮下沉的方法下沉到位,然后采用胶凝材料充填固井方法进行永久支护的一种机械化凿井方法。主要应用于含水丰富,砂层、卵砾石层等不稳定地层地质条件复杂的立井井筒施工。可可盖煤矿风立井采用了钻井法施工,是该工法首次应用于西北地区。本文介绍了钻井工在法西北地区首例项目应用情况,分析总结了施工技术经验为钻井工法在西北地区推广应用提供了经验。

交流变频调速技术在新河新副井冻结工程中的应用

交流电动机进行变频调速控制，不仅能使电力拖动系统具有优秀的控制性能，且在许多生产场合中，还具有非常显著的节能效果。在耗能较高的冻结工程中引入并应用了交流变频调速技术。使用变频调速控制技术比使用前，盐水泵的节能介于31．1％-73．3％之间；转速的减慢能减小了盐水泵的磨损，提高了盐水泵的使用寿命；同时对变频调速控制技术在冻结工程盐水泵应用中出现的问题和缺陷进行了分析和解决。