膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理

膨胀套管护壁技术应用于地质钻探是一门全新的研究,对膨胀套管技术国内外研究现状和膨胀套管类型进行了介绍;确定了膨胀套管材质和膨胀器外型的选择原则;分析膨胀套管的膨胀机理;制定出膨胀套管护壁技术在施工过程中的流程。分析表明,膨胀套管护壁技术是完全可用于我国地质岩心钻探,通过推广应用,可大大丰富我国地质钻探护壁技术的手段。     

遇水膨胀隔离器在水文地质孔止水中应用

为克服海带、胶皮等止水膨胀材料,在下入孔内时容易被井壁磨挂、移位,致使止水效果欠佳的缺点,采用了将遇水膨胀橡胶做成隔离止水器的方法。该隔离器由套管短节、膨胀材料和防护挡圈三部分组成。套管短节为隔离器主体管,膨胀材料为遇水膨胀橡胶,用于封闭套管底部与孔壁间隙;防护挡圈是防止下管时,膨胀材料被磨损和限位。应用表明,该隔离器不仅克服了传统膨胀材料容易被磨挂的缺点,而且简化了钻孔结构,提高了钻进效率,止水效果好,为今后在条件复杂地层中施工水文地质孔的止水工作提供了借鉴。     

不同约束方式下膨胀套管的旋转膨胀有限元分析

基于LS-DYNA动态有限元分析,建立了旋转拟合方式的膨胀套管模型,并模拟了整个膨胀过程。通过对套管不同约束方式的模拟结果分析发现,旋转拟合膨胀所需膨胀力为实心锥反拉膨胀的1/5左右,在不同约束方式下膨胀套管轴向长度的变化规律也不同：上约束方式下,套管长度先略有减少后稳定增加;下约束方式下,轴向长度一直减少。该规律通过对Φ95 mm套管的实际旋转膨胀试验得到验证,证明了模拟情况的可信性。     

可膨胀波纹管水力膨胀力学特性研究

可膨胀波纹管技术主要用于解决复杂深孔井下事故频发、套管层次受限等技术难题。管串水力膨胀是该技术应用的关键环节,为了研究可膨胀波纹管水力膨胀中的力学特性,提高井下事故处理的成功率,本文采用有限元数值模拟与室内试验相结合的方式共同研究波纹管的水力膨胀过程。通过多次波纹管水力膨胀室内试验,对比有限元理论分析结果,得出二者对于波纹管水力膨胀力学特性曲线基本一致。可膨胀波纹管的弹性形变压力为0～2.5 MPa,管串压力处于3～9 MPa时截面关键点位移速率较大,可膨胀波纹管的水力膨胀压力为14 MPa,膨胀后波纹管截面尺寸外径最大均值Xmax 为136.98 mm,外径最小均值Xmin为104.58 mm,达到了波纹管机械膨胀对截面尺寸的要求,为波纹管野外试验及产业化应用提供了重要的理论依据与技术支撑。     

地质勘探应用膨胀管时膨胀力问题的研究

膨胀管技术是近年来钻井工程领域出现的一项新兴的技术,该技术可以把常规套管固井导致的缩径问题降到最低限度。它既能极大地降低建井成本,又具有很好的环保效果。膨胀管技术在地质勘探中的深孔护壁方面具有很好的前景。在理论计算公式的基础上进行膨胀力实验,根据实验结果和理论计算结果对比,选择合适的计算膨胀力的理论公式;根据实验数据对膨胀管在地质勘探上的可行性进行分析;利用润滑措施来降低膨胀过程中的摩擦力,从面达到降低膨胀力的目的,并且对润滑措施的效果进行了理论分析。     

掺灰膨胀土表面吸附试验及吸水性验证

利用水蒸气吸附仪对石灰改性膨胀土进行水蒸气吸附试验,得出随着掺灰量的变化,膨胀土的吸水性先减小后增大,且在掺灰量为6%处取得最小值。为了研究引起膨胀土吸水性变化的主要原因,再对改性膨胀土进行氮气吸附试验,从而分析掺灰膨胀土孔隙结构的变化。研究发现,随着掺灰量的增加,BET微孔比表面积呈折线形变化,且在掺灰量为6%时取得最小值;中孔的累积容积随着掺灰量的增大而减小;随着掺灰量的增加,中孔孔径先增大后减小,且在掺灰量为6%处取得最大值。膨胀土的吸水性与中孔孔径的变化成负相关,且膨胀土的最佳掺灰量为6%。     

潭邵高速公路膨胀土特性与外部影响因素的关系

(湘)潭—邵(阳)高速公路要穿越长约22km的膨胀土地带,面临严重的膨胀土自然病害问题。本文通过大量的室内试验,对所取3种膨胀土的膨胀特性与外部影响因素的关系进行了细致的研究。结果表明:膨胀土的起始含水量和干密度是影响膨胀力、膨胀量大小的主要外部因素;荷载的大小对膨胀量的影响也很显著,各土样膨胀量都有随荷载增大而减小的趋势。同时,通过对试验数据的半对数曲线回归分析,得出膨胀土的膨胀特性与外部影响因素的相关关系显著的结论。     

击实膨胀土工程变形特征的试验研究

以湖南邵阳膨胀土为例,对3种击实膨胀土工程变形特性进行了试验研究。试验结果表明：膨胀土的起始含水率和起始干密度对其膨胀力和膨胀量大小的影响是主要的外部因素;根据膨胀力试验和膨胀量试验的试验数据,拟合出膨胀力曲线和膨胀量曲线的变化规律均为指数关系。同时,还研究了膨胀速度曲线、收缩特性曲线的特征及膨胀和收缩两个过程的相似关系。研究结果为膨胀土路堤的设计及膨胀土地基处理等膨胀土问题提供了重要的依据。     

合肥新桥国际机场膨胀土工程性质的试验研究

本文通过大量室内试验,对合肥新桥国际机场膨胀土的工程性质进行研究,从试验所得一系列试验参数对研究区内的膨胀土进行分类,并采用掺石灰处理方法对研究区的石灰改性膨胀土进行研究,提出地基处理方案。     

膨胀套管技术与膨胀成型仿真分析

膨胀套管护壁技术首先应用于石油钻采领域,在我国地质岩心钻探行业还是空白。该技术的应用可简化钻孔结构,降低钻探成本,堵漏和防塌效果明显,对于孔内事故的预防也有较好的效果。膨胀套管研究成果对我国的科学钻探、定向钻探及非开挖等也有非常重要的应用价值和指导意义,其中膨胀机理研究和膨胀成型仿真分析是该研究的重要组成部分。本文对膨...     

红层泥岩三轴膨胀力的试验研究

针对现有规范中红层泥岩膨胀力测试结果偏小问题,自主研制了膨胀性岩石三轴膨胀力测试装置。采用先放试样后加约束的方式克服了岩石与容器壁有释放变形空隙的局限性,解决了膨胀力测试结果偏小的问题。通过膨胀土和红层泥岩三轴膨胀力的测试研究,检验了三轴膨胀力测试装置的合理性和有效性,初步总结了红层泥岩三轴膨胀力的变化规律。研究结果表明:三轴膨胀力测试装置及其测试方法能够克服传统固结仪试验方法的局限性,具有较好的实用性,可以适用于膨胀土和膨胀岩三轴膨胀力的测试;红层泥岩三轴膨胀力多数是在MPa的量级,传统固结仪测试的膨胀力多数是kPa量级,更新了现有红层泥岩膨胀力较小的认识;通过对试验结果的分析和膨胀后试样的观察,发现红层泥岩的膨胀机制与膨胀土的膨胀机制是不同的;红层泥岩主要是新鲜岩石表层吸水膨胀、泥化崩解,泥化层剥蚀后,新鲜面再次吸水膨胀、泥化崩解,这是一个逐层循环膨胀的过程。     

膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

运用自行研制的膨胀仪对膨润土加砂混合物进行了一系列膨胀力及膨胀应变等膨胀特性的试验研究,分析了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间的关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。试验研究表明,膨润土加砂混合物的最大膨胀力以及最大膨胀应变主要取决于混合物的最初干密度和膨润土含量,并且随着二者的增大而增大;膨润土加砂混合物的水平膨胀力与竖向膨胀力之比随着混合物干密度的增大减小,并且与干密度近似成线性关系;不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间成双曲线关系,与吸水量近似呈S型曲线关系,并且其最大膨胀应变与膨润土含量存在指数关系。试验结果对高放废物深处置库中的缓冲回填材料设计具有一定的参考价值。     

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。     

CO2驱煤层气中煤层膨胀对套管稳定性的影响

随着中国经济的快速发展,能源供需矛盾日益突出,由于过度依赖化石能源,大量排放CO2,致使面临的环境压力越来越大。CO2驱煤层气(CO2 enhanced coal-bed methane)技术可同时增产煤层气和大规模减排CO2,在我国具有良好应用前景,但应用该技术在注采生产过程中因煤层吸附CO2产生的膨胀效应对套管稳定性的影响尚未引起重视。通过建立考虑CO2煤岩吸附膨胀效应的套管-充填材料-煤岩平面应变模型计算的套管应力和变形理论解与ABAQUS数值模拟结果具有良好的一致性,并分析了CO2吸附膨胀条件下套管应力的影响因素。分析结果表明,膨胀对套管应力和变形具有显著影响。在给定CO2吸附浓度和套管内径条件下,套管和充填材料的壁厚、充填材料和煤岩的力学参数是影响套管应力的主要因素,可通过增加套管或（和）充填材料壁厚以及改变充填材料力学参数来降低套管应力。开发超低弹模和较大泊松比的充填材料是降低套管应力的有效途径。     

红山窑红砂岩膨胀变形和软化特性试验研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的基岩红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明：红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数增长，红砂岩弹性模量、抗压强度随吸水率增加而呈对数减小，而泊松比随吸水率增加而呈对数增大，由于含水率的变化使膨胀岩发生了显著的软化现象。研究成果为工程地基稳定性分析提供了可靠的理论依据。     

膨胀力变化规律试验研究

对膨胀土胀缩机理进行了阐述,剖析了膨胀力概念,指出GB/T50279-98界定的膨胀力为最大膨胀力或极限膨胀力,提出自然膨胀力概念及其试验方法。首次开展了自然膨胀力随增湿程度变化规律的试验研究,并对膨胀力随增湿程度、干密度大小、起始含水率等因素的变化规律以及等同土样进行不同程度脱湿后的膨胀力变化规律开展了试验研究,得到了诸多有价值的结论,使对膨胀力概念的认识更加深入,其应用也更符合工程实际。     

黄河小浪底坝区泥化夹层分布及其抗剪试验方法的分析

在大量地质勘探试验研究资料的基础上 ,分析研究了形成泥化夹层的母岩和地质构造力 ,泥化夹层的类型及其粒度成分以及泥化夹层的分布规律。还分析研究了不同试验方法对泥化夹层抗剪强度的影响 ,并着重分析研究了我院研制的控制膨胀饱和固结慢剪的试验成果。     

膨胀土胀缩变形规律与灾害机制研究

采用普通固结仪和收缩仪分别进行蒙自重塑膨胀土浸水膨胀变形试验和膨胀土失水收缩变形试验,系统地研究了不同初始状态下膨胀土胀缩变形规律与致灾机制,并应用Does Response模型,定量模拟了膨胀土胀缩时程规律。研究表明,蒙自膨胀土胀缩变形差异较大,一般吸水膨胀率远大于失水收缩率,相似状态下试样膨胀系数越大,收缩系数亦越大,表现出较强的各向异性;膨胀土含有的大量细小黏土颗粒与较强的蒙脱石晶体矿物及显著的微结构特征,是其产生强烈胀缩变形灾害的内因与本质,而土中发育的微孔隙-裂隙结构及其初始状态,是发生胀缩变形灾害的外因。     

泥质岩膨胀各向异性与循环胀缩特征

采用自主开发研制的软岩膨胀试验装置,对新生代煤系地层中泥质岩进行膨胀试验研究,分析了泥质岩膨胀各向异性以及循环胀缩特性,并结合SEM试验结果,探讨了膨胀各向异性和循环胀缩特性的形成机制。结果表明:泥质岩膨胀性随岩样端面与层理面夹角的增大而减小,具有明显的各向异性;泥质岩所含黏土矿物颗粒排列的择优取向导致了泥质岩吸水膨胀的各向异性,可通过膨胀各向异性系数进行定量描述;随着干湿循环次数的增加,泥质岩绝对膨胀率增加,趋于某一稳定值;相对膨胀率和相对收缩率降低,亦趋于某一稳定值;泥质岩循环胀缩特性是干湿循环过程中矿物颗粒排列方式改变和微裂隙萌生扩展的能量耗散共同作用的结果。     

封隔器式膨胀管护壁技术研发与应用

基岩复杂地层因其地层稳定性差,易出现塌孔、掉块、缩径和漏失等问题,严重影响着水井钻探工程质量和钻探效率。膨胀管技术是解决复杂地层护壁技术难题的有效措施,但常规的膨胀管技术成本高、工艺复杂,不适用于水井钻探成井工作,基于此开展了封隔器式膨胀管技术研究工作。该技术使用封隔器作为膨胀机构,使薄壁金属管在目标层段胀开并紧贴井壁,达到护壁、堵漏和套管补贴的目的。本文介绍了膨胀管系统研发与施工工艺,并实施了膨胀管护壁与套管补贴修复现场试验,实现了膨胀管技术在水井钻探成井领域中的首次应用。