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随着浅层煤炭资源的开采殆尽,钻井法特殊凿井的开凿深度逐渐加大,井壁的结构形式需要创新,施工阶段井壁结构的稳定问题也需要详细讨论。本文针列钻井法超深井孔施工阶段井壁结构在泥浆中的整体稳定问题,总结了影响井壁结构整体稳定性的因素;分别采用平衡法和能量法分析了施工阶段井壁结构的整体稳定临界荷载;推导了普通节间连接和可缩井壁接头的转动刚度表达式;探索一种新型钢结构井壁并分析了其在横向压力和轴向压力作用下的局部稳定承载力。
⑴分析了在施工阶段井壁结构可能出现的稳定分类,指出整体稳定性和局部稳定性是施工阶段可能出现的稳定问题。之后,分析了影响施工阶段井壁结构整体稳定性的因素,指出井壁分段数、井壁节间连接刚度、井壁刚度沿轴向的变化、泥浆和配重水的作用、井壁结构的端部支承条件以及井壁制作安装质量等是影响井壁结构整体稳定性的因素,并对各个因素的计算方法进行了探讨。
⑵采用平衡法分析了施工阶段井壁结构的整体稳定性。考虑分段数、节间连接刚度、井壁刚度沿轴向变化和轴向压力沿轴向变化等因素,不考虑泥浆压力的影响,建立井壁结构整体稳定性的分析模型。采用平衡法推导各个井壁段的平衡方程,求解平衡方程,并令挠度、转角、弯矩和剪力满足井壁段之间的协调条件和井壁边界条件。通过理论推导,得出了井壁结构的稳定系数,并编制程序实现了求解。经程序计算,定量分析了上述各个因素对施工阶段井壁结构整体稳定性的影响。考虑初始弯曲缺陷,分析了各影响因素下井壁结构的荷载-挠度关系以及井壁上各点挠度沿轴向的变化,得出各因素对井壁挠度的影响.对上述分析的各种数据,采用最小二乘法进行了拟合,得出稳定系数和跨中挠度的拟合公式。
⑶采用能量法分析了施工阶段井壁结构的整体稳定性。首先,不考虑节间连接刚度和井壁刚度沿轴线的变化,假设井壁结构为等刚度匀质弹性杆,考虑井壁自重、泥浆荷载和配重水荷载,分别分析了充满配重水和非充满配重水情况下井壁结构的整体稳定性。考虑井壁分段数、节间连接刚度、井壁刚度沿轴向变化、泥浆与配重水作用,分别推导了充满配重水和非充满配重水情况下井壁结构的稳定系数公式,并编制程序进行了求解.经过程序计算,分析了各影响因素对井壁稳定系数的影响,并与平衡法的计算结果进行了比较。
⑷对于井壁节间连接,根据其构造和功能,分为普通井壁节间连接和可缩井壁节问连接。对普通井壁节间连接,考虑焊缝、螺栓和法兰盘的作用,建立了井壁节间连接抗弯刚度的分析模型。通过三个受力阶段的分析,建立了不同阶段节问连接承受的弯矩和转角的关系式,并得到节间连接的转动刚度表达式。
⑸针对超深井壁结构带来的混凝土井壁结构厚度过大问题,提出了两种新型钢结构井壁方案,一种由外层钢圆柱壳和内层双向加劲肋组成,另一种由双层钢圆柱壳、加劲肋以及层间肋撑组成。分析了在横向压力和轴向压力作用下钢结构井壁的承载能力和局部稳定性,得出了失稳临界荷载之间的相关方程,并分析了加劲肋规格、间距对加劲圆柱壳井壁失稳临界荷载的影响。