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行業(yè)動態(tài)

非開挖施工:塌孔的原因、預(yù)防和處理

來源:www.jx-365.cn         發(fā)布時間:2023-02-07

  非開挖施工:塌孔的原因、預(yù)防和處理
  塌孔是目前非開挖施工中Z常見的事故。如果施工過程中泥漿的粘度和密度增加;鉆屑和含砂量增加;扭矩和剪切力增加;拖鉆桿回堵現(xiàn)象,說明鉆孔孔壁不穩(wěn)定。進(jìn)而會導(dǎo)致孔壁坍塌,被拖管線鎖死,工程施工失敗。
  1.井塌原因
  1.1地質(zhì)因素

  非開挖施工的地層主要在第四紀(jì)沉積物中,是地殼中的巖石在風(fēng)、地表水、湖泊、海洋等地質(zhì)作用下風(fēng)化形成的松散沉積物。砂層、雜填土層、礫石層、淤泥等地層為不穩(wěn)定地層。當(dāng)泥漿壓力不能平衡地層壓力時,就會發(fā)生井塌。

管道非開挖修復(fù)

  當(dāng)用鉆具鉆開土層時,會產(chǎn)生孔壁擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力與泥漿液柱壓力之間的壓差。當(dāng)壓差大于巖土的屈服強(qiáng)度時,就會發(fā)生剝落、脫落、坍塌,在泥漿浸泡下更為嚴(yán)重。
  當(dāng)鉆孔所在地層中存在泥頁巖時,由于其獨特的層狀特征和高粘土含量,泥頁巖的水化一方面會降低力學(xué)強(qiáng)度,另一方面會因水化膨脹壓力誘發(fā)或加劇孔壁上的應(yīng)力不平衡,泥頁巖的水化膨脹開裂造成塌孔。
  1.2物理因素
  擴(kuò)孔速度過快,泥漿泵壓力過高,鉆孔內(nèi)泥漿液柱壓力突然變大;導(dǎo)向孔曲率半徑太小,鉆桿或擴(kuò)孔器旋轉(zhuǎn)擠壓孔壁,帶動泥漿沖蝕孔壁;導(dǎo)向孔上方地層漏失,地層壓力釋放,孔內(nèi)泥漿液柱壓力降低,造成井塌。
  泥漿流體流動,長時間浸泡侵蝕孔壁,降低了土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角在力學(xué)上可以理解為斜面上塊體的臨界自穩(wěn)角,塊體在此角內(nèi)是穩(wěn)定的;超過這個角度,木塊就會滑動。R=c+tanp,即摩爾剪切理論,其中C為內(nèi)聚力,P為內(nèi)摩擦角,R為摩擦力。
  2.防止井塌和泥漿選擇
  2.1防止塌孔
  防止塌孔的措施首先要滿足兩個條件:泥柱壓力=巖土孔隙壓力;盡量減少水滲入巖土或孔壁周圍滲水。
  地質(zhì)因素導(dǎo)致塌孔的預(yù)防措施有:
  (1)提高泥漿密度,增加泥漿柱壓力,平衡地層壓力;
  (2)使用動塑比大的泥漿保護(hù)孔壁。在鉆井液技術(shù)中,動切力與塑性粘度的比值(簡稱動塑比)常用來表示剪切稀釋的強(qiáng)度。動塑比越大,剪切稀釋越強(qiáng)。為了在高剪切速率下有效破碎巖石并在低剪切速率下有效攜帶巖屑,要求鉆井液具有高的動塑比。一般情況下,動塑比控制在0.36~0.48Pa/mPs為宜。
  物理因素導(dǎo)致井塌的預(yù)防措施有:
  (1)避免開泵過快,盡可能保持鉆桿在恒張力下工作,避免液柱壓力突然變大和鉆具對孔壁的劇烈沖擊;
  (2)根據(jù)地下障礙物分布情況,做好鉆孔軌跡設(shè)計和擴(kuò)孔程序,避免導(dǎo)向孔曲率過大導(dǎo)致鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓孔壁;
  (3)合理控制泥漿的密度和流變性,使泥漿具有一定的液柱壓力,并使泥漿保持較低的返速,呈平流狀態(tài)。鉆井中的泥漿流型有三種,即絮凝流、層流和平流。層流具有環(huán)空段速度分布不均勻、鉆桿與孔壁之間中速快慢速慢的特點,不利于攜帶泥屑,但有利于孔壁的穩(wěn)定。絮體流動時,泥漿流速均勻,孔凈化良好但孔壁被沖刷,不利于孔壁形成泥皮。平板流兼有絮凝流和層流的優(yōu)點,克服了它們各自的缺點。實現(xiàn)平板流的途徑是使層流中間部分的速度相等,即剪切率為零;
  (4)提高鉆井速度,減少泥漿浸泡和沖刷時間,保持泥漿性能均勻穩(wěn)定,嚴(yán)禁泥漿性能發(fā)生較大變化。
  2.2泥漿選擇
  配制泥漿時,要適當(dāng)減少失水,減少滲入孔壁的水,適當(dāng)增加泥漿濾液的粘度,pH值控制在8.5-9.5之間。
  根據(jù)頁巖易水化、膨脹、分散、低失水、高礦化度泥漿的特點,可選用石膏泥漿和鉀基泥漿。高礦化度泥漿包括氯化鈉泥漿和氯化鈣泥漿,兩者都屬于控制性泥漿,能顯著控制泥頁巖的水化膨脹,防止坍塌。石膏漿性能穩(wěn)定,流動性好,300~500mg/L的鈣離子濃度可防止泥頁巖地層膨脹坍塌。鉀基泥漿中的鉀離子容易嵌入氧原子的六角環(huán)中,可以使結(jié)構(gòu)更加致密,減少粘土的負(fù)電荷,從而減弱頁巖的水化分散,有效防止塌孔。
  3.塌孔處理
  井塌不嚴(yán)重時,適當(dāng)增加泥漿密度,減少失水,小排量循環(huán),使泥漿呈扁平層流或塞流,將塌塊和巖屑取出。當(dāng)塌塊尺寸較大時,選擇高剪切、高粘度的泥漿,保持泥漿在環(huán)空層流狀態(tài),適當(dāng)加大沖洗排量,以便帶出大的塌塊。
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