大口径工程井套管事故及预防技术措施

近几年国内施工大口径煤矿瓦斯排放井、输冰降温井、注氮井、送料井等特殊用途工程井时,常发生套管下不到位、套管折断跑管、固井时将钻杆固在井内、套管挤毁报废等事故,给施工单位造成巨大的经济损失。结合近年来的施工经验对大口径工程井常见事故进行研究,分析了事故的成因,提出了采取的预防措施。     

大口径钻井自平衡浮力法下管关键技术研究

介绍了大口径瓦斯抽排井施工中自平衡浮力下套管新工艺方法;通过对该工艺的相关理论与关键技术研究,采用理论分析、试验和数值模拟相结合,并实际指导顾桥矿5#瓦斯抽排井关键下套管的施工,使大口径瓦斯抽排井关键下套管施工更安全、可靠。     

煤矿瓦斯抽排井施工钻孔与巷道串通的治理及成井技术

介绍了煤矿大直径瓦斯抽排井钻孔施工过程中,施工钻孔与巷道串通事故的处理,以及扩孔钻进成孔、漂浮法安放井管、壁后充填水泥浆固井止水等工艺技术。     

孔壁地层超静孔隙水（气）压力的形成及其对瓦斯抽排井套管稳定性影响

瓦斯抽排井套管失稳的事故时有发生。为了探索套管失稳机理,应用土力学原理分析了钻井和固管过程中孔壁地层超静孔隙水（气）压力的形成机制;建立了孔壁地层超静孔隙水（气）压力对套管作用的力学模型,该模型包含超静孔隙水（气）压力、地层孔隙率、井液液柱压力、套管抗外挤强度、固管水泥圈使套管抗外挤强度提高的效应系数和固管水泥圈与孔壁岩层界面处的抗张强度等参数;分别就新地层、基岩和煤层的超孔隙水（气）压力对套管稳定性影响的特点进行了分析。结合实例介绍了煤层超瓦斯压力引起套管失稳的分析方法。提出了局部提高套管抗外挤强度、提高固管水泥圈强度、延迟井液排空时间、增设套管扶正器等提高套管稳定性的具体措施。     

钢板式浮塞下管工艺在煤矿大口径工程井中的应用

针对煤矿大口径工程井采用常规水泥浮塞下管技术存在的施工工序多、钻井液易污染、水泥块沉渣多和易残留等工艺缺陷,以霍州某煤矿大口径瓦斯抽采钻孔工程实践为例,开展钢板式浮塞下管技术研究。介绍了该技术的工艺原理,对瓦斯孔工作套管发生弹性失稳变形和材料屈服破坏的临界强度进行校核计算,开展了钢板浮塞的结构和装配方案设计,并对其强度进行验算。采用本工艺完成直径836 mm,重150 t瓦斯抽采管路的下放作业。经实践验证,该技术可减少下管固井期间起下钻工作量,缩短作业时间,成井后套管内无水泥块残留,且工艺制作过程简单、操作方便,可为今后类似工程施工提供经验和借鉴。     

大口径瓦斯抽排井施工扩孔分级设计优选探讨

受现有钻探设备能力限制,大口径瓦斯抽排井工程通常采用“先导钻进+分级扩孔”施工方法。通过扩孔所需回转扭矩的计算分析,对常用大口径瓦斯抽排井扩孔分级的设计进行了探讨。     

大口径特殊工程钻孔套管事故原因及对策

大口径特殊工程钻孔近几年在煤矿安全生产中应用越来越广泛,而大口径特殊工程钻孔在施工中套管挤毁事故时有发生,就事故发生原因进行了分析和研究,并根据套管事故案例的共性问题提出了相应的技术措施。     

漂浮下管技术在瓦斯抽排井中的应用

瓦斯抽排孔套管直径设计一般在Φ450~Φ1500mm。由于套管质量较大,远远超过钻机的提升能力,研究和选择合适的下管方法显得尤为重要。以山西省高平市长平矿的瓦斯抽排井为例,介绍了漂浮下管技术的原理,并进行了相关的计算,对下管的技术措施进行了较为全面的说明。应用表明,该技术更适合直径较大、套管壁较厚、套管柱总质量较大的工程井;对套管与钻孔直径间隙要求较大,一般≥250mm;对井身质量要求较高,如井眼的垂直度、狗腿度等;钻井过程中要严格控制钻井液的滤失量,抑制泥页岩地层的吸水膨胀,同时采用固控设备最大限度去除钻井液中无用固相,使井壁形成的泥皮薄而致密。     

套管钻进技术在煤矿复杂地层中的应用探讨

我国的地质条件和煤层特征差异大,复杂地层中构造煤发育,瓦斯含量高,地应力大,煤层破碎松软,易发生塑性流变。采用套管钻进技术替代传统的常规钻杆进行钻孔瓦斯抽采,可提高工作效率,防止卡钻、塌孔等事故的发生,提高瓦斯抽采的效率,并可以不起钻取出钻头等孔底钻具组合下筛管,解决在井下复杂地层中钻孔瓦斯抽采的难题。介绍了套管强度及孔底组合钻具结构,探讨了套管钻进技术在煤矿复杂地层中的应用前景。     

煤矿瓦斯抽排立眼套管安设及水泥固井工艺探讨

在煤矿瓦斯抽排立眼施工的过程中,套管安设及水泥固井是两个关键性的工序,如果出现失误,便可能产生严重的工程事故,甚至可能使整个工程报废。本文通过对坪上煤矿瓦斯抽排立眼工程的套管安设及水泥固井工序的施工,吸取了一些套管安设的事故教训,总结了一些套管安设、水泥固井的经验,有望对今后类似工程的安全施工提供帮助。     

大庆油田古龙1井套管柱设计方法分析及优选

针对目前大庆油田最深的一口风险探井——古龙1井,为了使套管满足空气钻井和经济性需要,首次使用组合套管柱设计方法,同时在设计中对套管强度进行三轴应力强度校核,分析了套管强度设计的误差,给出一套新的安全经济的套管柱设计方法,为以后超深井套管柱设计提供了一个新的思路,对于指导设计与现场施工具有重要的意义。     

定向钻铺管回拖力计算模型

在定向钻穿越铺管的过程中,管道在孔内的受力情况非常复杂,但是回拖力计算又是机具选择的重要参考依据,所以管道受力分析及回拖力计算就显得非常重要。通过分析管道在弯曲段和稳定段的受力情况,分别建立管道弯曲段和稳定段的受力模型,最终总结出计算管道回拖力的方法。经实例计算检验,这种计算方法更加接近实际。      

粘性土的动力特性实验及数值模拟

使用产自日本的DTC-306型多功能电液伺服动态三轴仪,对粉质粘土进行动三轴试验。在试验提供的各种参数和数据的基础上,利用有限元程序ABAQUS建立动三轴试件的三维有限元模型,模拟在循环荷载作用下粉质粘土的动力变形特性;并通过与动三轴试验相关数据的大量对比分析,验证了模型的可靠性。然后在建立的三维有限元模型的基础上,进一步用数值模拟的方法研究了土体动力变形与各影响因素间的关系,得出如下结论:初始弹性模量、阻尼系数、受荷形式对土的塑性变形影响最大,应力幅值、围压、频率、加荷周数次之,加载波形的影响最小,不同波形对塑性变形的影响取决于荷载最大值时历时的长短。有限元数值模拟方法在一定程度上可以替代动三轴实验。     

水电站坝的砂层地基地震液化可靠度研究

对四川地区江河上数座水电站坝基砂层的26组动力三轴试验资料进行了统计分析,基于动剪应力比法的液化判别方法推导了的地震液化的极限状态方程,使用蒙特卡洛随机抽样的方法计算了砂层液化的失效概率,并对某水电站的厂房地基砂层的液化可靠度进行了计算分析。研究表明,统计按粉砂样总体和中细砂样总体划分较为合理;砂层的动剪应力比可采用正态分布;电站砂层地基地震液化的最危险工况为,闸坝盖重加稳定的向上渗流及遭遇Ⅶ度地震荷载,为高液化风险,其液化概率随埋深加大而增大,最危险部位为砂层底板,对坝基砂层应进行抗液化处理。     

冻结黏土的动力学参数确定方法研究

基于黏弹性理论,对土的动弹性模量和阻尼比确定方法进行探讨,并结合青藏铁路沿线黏土在一系列温度下的动三轴试验结果,给出冻结黏土的动弹性模量和阻尼比的确定方法.结果表明：冻结黏土的骨干曲线不是双曲线,建议通过滞回曲线求冻土的动弹性模量和动应变幅,从而获得它们之间的关系;不同计算方法得到的阻尼比随动应变幅的变化趋势基本相同,用滞后角法计算得到的阻尼比整体小于用能量损失法计算得到的阻尼比,建议采用相关函数法计算应变滞后于应力的滞后角,然后用滞后角法计算土的阻尼比;冻结黏土的阻尼比随动应变幅的增加而增大.     

岩石三轴强度试验

通过自制岩石三轴压力室和配备液压泵与现有万能材料试验机组成岩石三轴试验系统，进行岩石三轴强度试验研究，并与其它方法比对，结果相近，满足了科研和生产的需要。     

泥质砂岩动弹模阻尼及能量耗散特性试验研究

针对煤矿矿区受爆破地震波影响下泥质砂岩斜坡的稳定性问题,利用MTS 815试验机开展了波形为正弦波、频率1 Hz的岩石动三轴试验,对滞回圈应力—应变数据进行了准确分析,计算了泥质砂岩的动弹性模量及阻尼参数,以及在循环动力作用下单位体积能、单位弹性能、单位耗散能的演化规律。研究中发现耗散能与围压水平、动应力水平两者之间呈幂函数关系。对试验中出现的“突增或突减”现象进行了讨论和分析,初步归因于岩石具有蓄能的特性和动应力的“触发效应”、“累积效应”,并指出这与天然或爆破地震波能触发斜坡崩塌的机理是一致的。本试验旨在为受爆破地震波影响的泥质砂岩斜坡稳定性分析指明研究方向和提供基础性的研究指标。     

基于Poulos弹性理论的被动桩改进算法

传统的Poulos弹性理论仅适合于均质土中土体侧向位移时桩的性状分析,无法考虑土的层状特性。通过引入层状地基中作用一水平集中力的广义Mindlin解和地面作用有竖向荷载时的应力和位移通解,对Poulos方法进行了改进,使之扩展到多层土中,还用于研究堆载条件下的被动桩变形和受力响应。算例分析表明,改进弹性理论要比Poulos方法更为严密、合理,提高了计算精度,应用范围也更广。     

基于离散元的边坡矢量和稳定分析方法研究

基于离散元方法对获取的块体单元、节理的应力场处理后得到坡体整体应力场,结合矢量和法安全系数的定义提出了一种边坡稳定性分析方法即VSM-UDEC法。首先通过滑块试验验证了多种情况下UDEC接触应力计算和单元应力的精确性,结果表明,UDEC接触应力和块体单元应力的精确程度很高（接触应力相对误差基本低于0.2%）,能够满足矢量和安全系数计算要求。采用VSM-UDEC法分别对直线型滑面和圆弧型滑面算例进行了分析,并与相应的理论解和严格极限平衡法（Morgenstern-Price法）进行了对比。结果表明,对于直线型滑面VSM-UDEC法安全系数与理论解几乎相同,而对于圆弧型滑面该方法与极限平衡法结果基本一致。最后将VSM-UDEC法运用到锦屏I级水电站左岸边坡工程实例中,结果表明,假设块体为刚体时VSM-UDEC法安全系数与极限平衡法（Sarma法、Morgenstern-Price法）结果吻合较好,此外,VSM-UDEC法能够考虑坡体内结构面对稳定性的影响,较极限平衡法更能反映边坡的变形分布情况。鉴于UDEC在模拟边坡破坏方面优点较多且矢量和法安全系数物理意义明确,VSM-UDEC法有望在边坡稳定性分析中有较好的应用前景。     

基于地面磁信标的水平定向钻进实时定位方法

为提高非开挖水平定向钻进定位的精度和适用范围,提出一种基于地面永磁体信标的定位导向方法,在地面布置Φ50 mm×300 mm永磁体信标,永磁体轴线与水平面平行,利用钻具上安装的由5个三轴磁强计、1个三轴加速度计和1个三轴陀螺仪构成的传感器阵列测量磁信标在钻头附近的磁梯度张量解算钻头的位置.对该定位模型进行仿真实验表明该定位方法在深度和水平方向的定位精度均较高,理论上通过调整磁信标位置、永磁体数量、磁强计精度和基线长度在足够大的钻进深度和距离内保持定位误差小于1%,同时证明在有限钻具空间内基线相对越长,定位精度越高.实测实验表明环境干扰磁场对该方法的影响非常小,具有良好的实际效果.该定位方法满足非开挖水平定向钻进施工时的实时定位导向要求,操作简单,对场地条件要求低,大大提高了水平定向钻进定位的效率和适用范围.