发布需求信息

非开挖施工中钻孔塌孔的原因、预防与处理

来源:1+非开挖 2020-08-24 15:18:22

引言

塌孔,是现阶段非开挖施工中最常见的事故。施工中如果出现泥浆粘度、密度增大;岩屑、含砂量增多;扭矩、切力加大;回拖钻杆受阻等现象,这就说明钻孔孔壁不稳定。继而会导致孔壁坍塌、回拖管道抱死、工程施工失败

1. 塌孔的原因

1.1 地质因素

非开挖施工的地层主要是在第四纪沉积层,第四纪沉积物是由地壳的岩石风化后,在风、地表流水、湖泊、海洋等地质作用下形成的松散沉积物。砂层、杂填土层、卵砾石层、淤泥等地层均为不稳定地层,当泥浆压力不能平衡地层压力时,就会发生塌孔。


土层被钻具钻开时,孔壁被挤压产生的应力与泥浆液柱压力产生压差,当压差大于岩土屈服强度时就会产生剥落、掉块和坍塌,泥浆浸泡下这些现象更加严重。


当钻孔所在地层中含有泥页岩时,由于泥页岩具有独特分层特性及高粘土含量,泥页岩水化一方面造成力学强度降低,另一方面由于产生水化膨胀压而诱发或加剧孔壁受力不平衡,泥页岩水化膨胀和裂解造成塌孔。

1.2 物理因素

扩孔速度过快,泥浆泵压力过大,钻孔内泥浆液柱压力骤增;导向孔曲率半径过小,钻杆或扩孔器旋转挤压孔壁,带动泥浆冲蚀孔壁;导向孔上部地层漏失,地层压力释放,孔内泥浆液柱压力降低,导致塌孔。


泥浆液流动,长时间浸泡冲蚀孔壁,降低土层内聚力和内摩擦角。内摩擦角在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角,在这个角度内,块体是稳定的;大于这个角度,块体就会产生滑动。r=c+tanp,即摩尔剪切理论,c即为内聚力,p为内摩擦角,r为摩擦力。

2. 塌孔的预防与泥浆选择

2.1 塌孔的预防

塌孔的预防措施应首先满足两个条件:泥浆液柱压力=岩土孔隙压力;尽量减少水渗入岩土或孔壁四周的水渗出。


对于地质因素造成的塌孔预防措施有:

(1)增大泥浆密度,提高泥浆液柱压力以平衡地层压力;

(2)使用较大动塑比值的泥浆来保护孔壁。在钻井液工艺中,常用动切力与塑性粘度的比值(简称动塑比)表示剪切稀释性的强弱,动塑比值越大,剪切稀释性越强,为了能够在高剪率下有效地破岩和在低剪率下有效地携带岩屑,要求钻井液具有较高的动塑比。一般情况下将动塑比控制在0.36~0.48Pa/mPs是比较适宜的。


对于物理因素造成的塌孔预防措施有:

(1)开泵避免过快,让钻杆尽量保持在恒定张力下工作,以避免液柱压力骤增以及钻具对孔壁的猛烈撞击;

(2)根据地下障碍分布情况做好钻孔轨迹设计和扩孔程序,以避免因导向孔曲率过大引起的钻具回转挤压孔壁;

(3)合理控制泥浆密度和流变性能,使泥浆具有一定的液柱压力,保持泥浆的低返速,呈平板流型的状态。泥浆在钻孔中流型有三种,絮流、层流和平板型流,层流具有环空断面上流速分布不均呈尖峰型,中间流速快而钻杆与孔壁间流速慢的特点,因此层流不利于携带泥屑但利于孔壁稳定,絮流时,泥浆流速均匀,孔内净化好但孔壁冲刷作用大,不利于孔壁的泥皮形成,平板型流具有絮流与层流的优点,克服了各自的不足。实现平板型流的途径是,使层流中心部分的流速相等,即剪切速率为零;

(4)提高钻进速度,减少泥浆浸泡冲蚀时间,同时保持泥浆均匀、性能稳定,严禁出现泥浆性能大幅度变化的情况。

2.2 泥浆选择

配制泥浆应适当降低失水量,减少渗入孔壁的水分,适当增大泥浆滤液黏度,pH值控制在8.5~9.5之间


针对泥页岩易水化、膨胀、分散的特性,可选用低失水高矿化度泥浆、石膏泥浆、钾基泥浆。高矿化度泥浆有氯化钠、氯化钙泥浆,都属于抑制性泥浆,可显著的控制泥页岩水化膨胀,防止坍塌。石膏泥浆性能稳定且流动性好,300~500mg/L浓度的钙离子能防止泥页岩地层的膨胀坍塌。钾基泥浆中的钾离子易嵌入氧原子六角环,可以使结构更加紧密,亦可使黏土负电荷减少,从而减弱泥页岩水化分散,有效预防塌孔。

3. 塌孔处理

当塌孔不严重时,适当增大泥浆密度,减少失水,小排量循环,使泥浆呈平板型层流或塞流,将塌块和岩屑带出。当塌块尺寸较大时,选择高切力、高黏度泥浆,保持泥浆在环形空间层流状态下,适当加大冲洗排量,以便将大塌块带出。

4. 结束语

总的来说,为了更好的提高施工成功率,降低施工成本,更加有效的预防塌孔事故,在定向钻施工前应做好以下几点:

(1)施工点地层地质详细勘察;

(2)优化设计导向轨迹;

(3)针对穿越地层科学配制泥浆;

(4)合理选择钻机、钻具;

(5)耐心操作,精心施工。

内容摘自互联网,如您不希望您的文章出现在此处,请联系我们删除!

热点推荐
  • 试论城市建设污水管道顶管施工技术

  • 矩形土压平衡顶管技术在地铁施工中的应用

  • 苏州桐泾路北延工程“姑苏号”盾构机刀盘顺利下井组装

  • 我国首条下穿运营高铁的大直径盾构隧道盾体组装完成

  • 非开挖施工中钻孔塌孔的原因、预防与处理

  • 长5483米!大临铁路大保山隧道顺利贯通