遇水软化泥岩地层反井扩孔钻进井帮稳定影响分析

发布时间：2021-06-23 02:48

　　本文通过理论分析和室内实验相结合的方法,结合蟠龙抽水蓄能电站的工程地质情况,先对反井钻机施工井筒围岩进行分级研究,再针对井筒围岩中遇水软化的泥岩进行浸水软化试验,得到其力学参数的软化规律,最终建立了考虑工程参数、岩石力学参数、软化效应、边界条件的井帮围岩位移与浸水时间解析模型,用来评价反井钻井法扩孔施工过程中井帮缩径和围岩失稳的安全性,为反井钻井法的工程应用提供参考。基于目前国内外针对反井钻井法的围岩分级方法尚未明确的情况,通过对比分析反井钻机的破岩机理和隧道工程中TBM掘进机的破岩机理,本论文借鉴TBM施工隧道的的围岩分级的经验和优点,以岩石的抗压强度、耐磨性、岩体的完整性这三个影响反井钻机施工的主要的因素,对不同等级地质情况下的反井钻机施工条件进行了划分。由于反井钻机施工围岩稳定性的判定依据未考虑围岩吸水软化对井帮稳定性的影响,而围岩吸水软化会造成井帮缩径和围岩失稳。本论文通过对泥岩的常规力学试验研究,得出了本次试验泥岩的天然含水率、密度、单轴抗压强度及抗剪切强度等物理性质;通过浸水软化试验研究,得出了泥岩的吸水率、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比与浸水时间的变化关系,以及不同水压、... 

【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

井帮缩径现场

2反井钻井法围岩分级研究15图2.1导孔钻进示意图Figure2.1Guidewelldrillingschematic当导孔钻头钻入下部巷道后，卸下导孔钻头，再用扩孔钻头进行更换，然后从下到上进行扩孔，以达到设计井筒的尺寸。当反井钻机进行扩孔时，由反井钻机的动力头施加在钻杆上的轴向拉力和回转扭矩将驱动扩孔钻头旋转并破碎岩石。轴向拉力T使得刀齿压入岩石并使岩石破碎，回转扭矩kM使得刀头产生一个剪应力，使得破碎的岩石从岩体脱落，从而扩孔钻进。扩孔钻进示意图如图2.2所示。MkT动力头钻杆扩孔钻头图2.2扩孔钻进示意图Figure2.2Reamingdrillingdiagram2.1.2TBM破岩机理TBM刀盘上的圆盘滚刀在推力作用下挤压岩石表面。同时，圆盘滚刀在扭矩的作用下绕刀盘的中心轴旋转。在推力和扭矩的共同作用下，刀盘带动滚刀以一定的轨迹在破岩面上滚动。当岩石上的压力大于岩石的抗压强度时，岩石会破裂，滚刀会穿透进入岩石，形成轨迹槽。随着凹槽深度的增加，破碎岩石表面上的裂纹会加深并扩展，岩石逐渐破碎。同时，扭矩将岩体表面上的破碎岩石从岩

冷却水），围岩吸水软化导致岩体强度变低。当反井扩孔钻进穿越以这类岩石（遇水软化类岩石）为主构成的地层时，水对井帮围岩的影响十分突出[66]。当反井扩孔钻进穿越遇水软化围岩地层时，围岩遇水导致围岩体的强度降低，岩性由脆性转变为延性，岩体的稳定性也会降低。并且，由于反井扩孔的卸荷作用，井帮临空面会产生径向位移，而吸水软化围岩地层遇水会导致围岩岩体力学性能的弱化，进而加大井帮临空面的径向位移，当径向位移逐渐增大，扩孔钻进形成的井帮直径就会减小，即产生反井工程中的“缩径”现象，如图所示。图2.3扩孔施工的“缩径”现象Figure2.3"Reducingthediameter"phenomenonofreamingconstruction随着“缩径”的范围不断扩大，即井帮位移逐渐增大，钻具将无法下放，导致埋钻等事故的发生，这样不仅造成了经济损失，也意味着工程失败。依据工程经验，现实反井工程施工的解决办法是：先通过地层取芯了解岩层的大概性质，如果存在遇水软化类岩石，则必须结合泥浆护壁的工艺，同时反井钻机以一定的钻进参数迅速穿过，泥浆的关键参数（如密度、粘度、泥皮厚度）需要经过调试才能确保阻止更多的水浸入井帮。总之，需要一定限度地隔绝水与井帮，才能减


本文编号：3244069