冻结孔偏斜对白垩系地层冻结凿井影响研究＊

2013-04-20陈军浩陈飞敏

中国煤炭 2013年2期

陈军浩陈飞敏

（1.安徽理工大学矿山地下工程教育部研究中心，安徽省淮南市，232001；2.江苏建筑职业技术学院建筑工程技术学院，江苏省徐州市，221116）

凿井过程中冻结壁的强度与稳定性直接关系到井筒能否安全顺利地掘砌，而在白垩系地层岩石冻结设计时以防水为主，均采用单圈管冻结，冻结造孔的质量好坏显得尤为关键。但是白垩系地层岩石以砂岩、泥岩、砾岩为主，呈固结、半固结状态，岩层坚硬不利于造孔；且随着井筒深度的不断增加，也加大了造孔难度。现场虽然通过不断测斜来调整钻孔的倾角与方位，能够控制冻结孔的偏斜，但无法避免冻结孔偏斜，因此各层位冻结孔相互之间间距大小不一，冻结后形成的冻结壁实际状况与理想情况也就有所差异，这将直接影响到冻结壁的交圈时间，以及交圈之后冻结壁的厚度、平均温度等重要指标。本文以内蒙古泊江海子矿冻结风井为研究背景，分析现场冻结孔偏斜对冻结壁温度场发展状况、井帮温度等影响，同时结合数值模拟结果，比较冻结造孔无偏斜条件与偏斜条件下冻结效果对井筒掘进的影响。

1 冻结壁温度场现场实测

1.1 工程概述

内蒙古泊江海子矿冻结风井井筒净直径7.6m，掘砌荒径9.5m。冻结壁设计在保证强度与稳定性的同时，还要考虑白垩系地层较坚硬，井筒掘进需采用爆破作业施工，要求炮孔距离冻结管不得小于1.2m，以及白垩系地层造孔难度大，偏斜不易控制，需加大孔间距设计等方面原因。设计采用单圈管冻结，冻结壁厚度3.1 m，平均温度-12℃，冻结孔圈径15.3m，开孔间距1.335m，冻结孔36个，盐水温度-32℃。现场布设3个测温孔，C1孔位于27＃、28＃冻结孔连线中垂线向内1.2m；C2孔位于5＃、6＃冻结孔连线中垂线向外1.2m；C3孔位于20＃冻结孔垂直向外1.3m，现场在3个测温孔内不同深度均布设测温元件。选取-260m 中粒砂岩层位进行测试结果分析，冻结孔实际偏斜后布置图见图1所示。根据现场冻结孔偏斜资料，得出该层位最大、最小冻结孔间距分别为1820mm （18＃～19＃之间）、911mm （4＃～5＃之间）。

图1 -260m 层位冻结孔实际偏斜情况布置示意图

1.2 测试结果分析

现场冻结42d后开始进行井筒掘砌，施工至-260m 中粒砂岩测试层位时为冻结135d，施工过程对测试层位不同孔位温度实时监测，获得温度随时间变化关系见图2所示。

从图2中可以看出，3个孔位所在岩体温度分别在冻结22d、27d、33d后降至负温，在该阶段温度下降速率差别较大，分别为0.609℃／d、0.421℃／d和0.507℃／d；当岩体温度降至负温后，岩体温度下降速率减缓，最后稳定在-18.0℃、-12.1℃、-13.8℃左右。对比计算结果，C1 孔降温速率达到C2孔降温速率的1.5倍，造成这种差异除了与C1孔布置在冻结圈内侧，C2孔则布置在冻结圈外有关外，还与冻结孔、测温孔偏斜有关。现场实际C1孔距离27＃、28＃冻结孔分别为1.035 m、1.549 m；C2 孔距离4＃、5＃冻结孔分别为1.410m、1.576m，即C1孔位置岩体温度直接受制冷影响要更大。

图2 不同孔位温度随时间变化关系

在进行现场温度测试的同时，借助了安徽理工大学冻土研究所自行研发的冻结法凿井温度场信息化软件进行冻结壁温度场发展性状分析。该软件假定冻结壁温度场为二维稳定温度场，考虑了冻结、测温孔偏斜因素，采用网格划分方法将冻结区域离散化，能够计算出任意时刻温度场的整体分布、获得冻结壁特征参数。图3为掘砌至测试层位时冻结壁厚度分布情况。

图3 冻结壁厚度分布图

由于井筒掘砌时，荒径内部岩土将被挖空，因此冻结壁计算厚度指掘砌荒径至冻结壁外边缘距离，即有效冻结壁厚度。根据冻结岩土物理力学性能试验结果，选取岩体结冰温度（-2℃）作为冻结壁外边缘位置。计算获得沿径向方向冻结壁平均温度最小-12.1℃，最大-10.4℃，平均为-11.2℃；冻结壁有效厚度最大5.3 m，最小4.55m，平均4.89m。不同方位冻结壁有效厚度相差值达到0.75m，平均温度相差1.7℃，可见受冻结管偏斜对冻结壁厚度影响很大。

2 冻结壁温度场影响数值模拟分析

2.1 计算模型

通过ADINA有限元软件，分别建立了无偏斜、有偏斜两种情况下温度计算模型，对造孔偏斜对冻结壁温度场发展状况影响作进一步分析。-260m处中粒砂岩层位热物理性能参数取值分别为地温13.5℃，密度2.3g／cm3，结冰温度-2.0℃，含水率5.18%，比热1.08J／（g·K），潜热30J／g。岩层导热系数随温度变化而变化，20℃、0℃、-10℃、-30℃下岩层导热系数分别为2.88W／（m·k）、2.95 W／（m·k）、3.28 W／（m·k）、3.38 W／（m·k），相邻温度区间内导热系数通过线性内插获得。温度载荷与现场实际盐水温度下降情况相符，开机冻结时间0d、5d、10d、22d、60d、85 d、135d时温度载荷分别取10℃、-20℃、-28℃、-32℃、-32℃、-30℃、-30℃，相邻天数区间内温度载荷通过线性内插获得。其中冻结管偏斜情况下冻结壁温度场计算模型见图4所示。

图4 冻结管偏斜情况下温度场计算模型

2.2 冻结孔偏斜情况模拟与现场实测对比

先对冻结孔在偏斜条件下冻结壁温度场发展状况进行模拟，并选取对应的测温孔位置温度变化情况与现场实测结果对比。以C1孔为例，二者对比见图5所示。

对比现场实测结果与偏斜情况下数值模拟结果，得出冻结前期偏斜情况下数值模拟结果温度下降速率略大于现场温度下降速率，冻结后期二者温度变化速率相当，数值模拟结果与现场实测温度之间温差保持在1.3℃以内。表明数值模拟时通过选取适当参数，计算获得的结果能够较好地反应现场实际情况。

图5 数值模拟结果与现场实测对比

2.3 冻结孔有、无偏斜对冻结效果影响

图6 冻结壁交圈时温度场云图

对冻结孔无偏斜、偏斜情况下冻结壁温度场发展状况进行模拟，得出两种情况下冻结壁交圈时间差异较大。冻结孔无偏斜条件下冻结壁在冻结19d后即可完成交圈，此时冻结壁厚度最小0.35 m，最大1.22m，平均0.98m；冻结孔偏斜条件下需冻结27d后才完成交圈，冻结壁厚度最小0.15m，最大1.5 m，平均1.17 m。两种情况下冻结壁温度场云图见图6所示。

在冻结壁交圈后，两种情况下冻结壁平均温度、厚度均较为接近，但无偏斜条件下冻结壁向内、外平稳发展，冻结壁厚度均匀；而偏斜条件下冻结壁温度场较为紊乱，不同方位厚度、温度差异明显，因冻结孔偏斜引起的冻结孔间距较大位置为冻结壁厚度较小，温度较高，属于冻结壁薄弱位置。

以冻结135d井筒掘砌至-260m 中粒砂岩层位时为例，冻结孔无偏斜、有偏斜情况下冻结壁温度场云图见图7所示。

图7 掘砌时冻结壁温度场云图

利用数值模拟结果，计算获得造孔无偏斜情况下冻结壁有效厚度4.95m，平均温度-11.8℃；造孔偏斜情况下冻结壁有效厚度平均值5.03m，平均温度-11.4℃，均与造孔无偏斜情况下接近，但不同方位冻结壁有效厚度、平均温度差别都较大。冻结壁有效厚度介于4.73～5.39 m，差值达到0.66 m；其平均温度介于-10.7～-12.5℃，差值达到1.8℃。从图7 （b）可以看出在东南、东北方向冻结壁有效厚度较小，平均温度较高；而在西南、西北侧冻结壁有效厚度较大，平均温度较低。

2.4 冻结孔偏斜情况井帮温度分布

井筒掘砌时，井帮温度是否合理直接影响到井筒能否安全、快速的施工。如果井帮温度过高，则极易造成片帮现象，在减少冻结壁有效厚度的同时还需往片帮处填充大量混凝土；如果井帮温度过低，则需在井筒内部多挖冻结岩土，影响井筒掘砌速率。-260m 层位掘砌时冻结孔无偏斜情况下井帮温度为-6.7℃，偏斜情况下井帮不同位置温度分布见图8所示。