【摘 要】
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斜井开拓常采用盐水冻结法施工,因钻孔工艺限制,目前常采用的是在地面打垂直孔,进行垂直冻结的形式,冻结管常采用多排孔布置,不同井筒所采用的冻结设计参数应根据所处地层、冻结深度而有所差异;在近海地区,地层多为砂性地层,有良好的渗透性能,且含盐量较高,导致结冰温度低,地层不易冻结,需要比普通地层消耗更多冷量。针对上述问题,本文以近海高盐地区砂性地层井筒冻结工程为背景,通过采用数值模拟计算与现场试验相结合
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斜井开拓常采用盐水冻结法施工,因钻孔工艺限制,目前常采用的是在地面打垂直孔,进行垂直冻结的形式,冻结管常采用多排孔布置,不同井筒所采用的冻结设计参数应根据所处地层、冻结深度而有所差异;在近海地区,地层多为砂性地层,有良好的渗透性能,且含盐量较高,导致结冰温度低,地层不易冻结,需要比普通地层消耗更多冷量。针对上述问题,本文以近海高盐地区砂性地层井筒冻结工程为背景,通过采用数值模拟计算与现场试验相结合的方法,基于Ansys有限元软件,建立三维数值模型,通过对典型参数下的井筒冻结温度场进行详细分析,结合单因素分析试验和正交试验分析,研究冻结管径、冷媒剂温度、初始地温、冻结管间距对井筒冻结温度场的影响规律及显著性;最后基于数值模拟所得结论,建立了复杂条件下三维斜井冻结温度场数值计算模型,得出冻结管外侧冻结锋面扩展相比内侧较慢的发展规律,优化实际工程冻结设计,并利用各种传感器监测实际工程中土层温度变化,分析得出冻结壁平均温度与盐水温度的发展规律,并在工程冻结实践中得到了很好验证,取得了良好效果。论文主要包括:(1)通过理论研究分析,计算出本工况条件下的理论模型。(2)通过典型参数下的数值模型分析,在整体冻结过程中冻结温度场发展在0~25d之间为单管冻结模式,在25~55d之间为平板冻结模式。与理论模型中温度场计算一致。(3)通过单因素试验分析研究得出,冻结管直径在89mm~127mm范围时增大管径能够有效提高冻结效率,继续增大管径对冻结效果提升不明显;冷媒剂温度越低,冻结壁厚度越大;冻结壁交圈时间随着初始地温的增大而线性增大;冻结管间距2.2m时的冻结效果与管间距2.4m时效果基本一致,因此在实际冻结中,冻结管间距可选取2.2m。(4)通过正交试验分析,四种因素对其影响的主次顺序为盐水温度、冻结管间距、初始地温、冻结管直径;其中盐水温度为影响冻结壁平均温度的首要因素。(5)基于数值模拟所得结论,建立了复杂条件下三维斜井冻结温度场数值计算模型,优化实际工程冻结设计,并利用各种传感器监测实际工程中土层温度变化,分析得出冻结管外侧冻结锋面扩展相比内侧较慢,冻结壁平均温度与盐水温度近似呈线性的发展规律。
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