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【6h】

冻结孔泥浆置换浆液材料优化及浆液流动混合规律

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致谢

变量注释表(List of Variables)

1绪论

1.1选题的背景及问题的提出(Background and Problem Statement)

1.2国内外研究历史与现状(Domestic andForeignResearchingSituation)

1.3研究内容、方法与技术路线(ResearchContents、Method andTechnical route)

2缓凝水泥浆性能优化

2.1概述(Introduction)

2.2试验方案(Test Scheme)

2.3缓凝水泥浆性能测试仪器与方法(The Performance Testing Apparatus and Methods of Retarded Cement Slurry)

2.4不同混掺比例水泥浆的性能测试(The PerformanceTest ofCement Slurry withDifferentMixingRatio)

2.5掺加缓凝剂与分散剂的浆液性能测试(The PerformanceTest of the Slurry withRetarder andDispersant)

2.6掺加悬浮剂E的浆液性能测试(The PerformanceTest of theSlurrywith Suspending Agent E)

2.7新、原配方性能比较(Comparison ofNew andOriginalFormulation)

2.8本章小结(Chapter Summary)

3隔离液的研制

3.1概述(Introduction)

3.2隔离液原材料的确定(The Determination ofSpacerFluid’sRaw Material)

3.3隔离液的性能评价(The PerformanceEvaluation ofSpacerFluid)

3.4本章小结(Chapter Summary)

4泥浆置换过程的浆液流动混合规律数值模拟

4.1概述(Introduction)

4.2FLUENT简介(The BriefIntroductionof FLUENT)

4.3FLUENT三维模型的确立(Establishment ofFLUENT3DModel)

4.4计算方案的确定(The Determination ofCalculationScheme)

4.5计算结果与分析(CalculationResults andAnalysis)

4.6本章小结(Chapter Summary)

5泥浆置换过程的浆液流动混合规律的物理模拟试验

5.1概述(Introduction)

5.2相似准则的推导(The Derivation ofSimilarityCriterion)

5.3试验方案(Test Scheme)

5.4实验系统(Experimental System)

5.5泥浆、缓凝水泥浆密度随时间的变化规律(The Regulation of Changing Densityon Mud andRetarded cement slurryStanding atDifferentTime)

5.6流量因素条件下浆液流动混合规律(The FlowMixingLaw ofSlurry under theCondition ofthe FlowFactor)

5.7本章小结(Chapter Summary)

6结论与展望

6.1结论(Conclusions)

6.2展望(Prospects)

参考文献

作者简介

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摘要

近年来,全深冻结凿井技术逐渐在富水岩层井筒建设中得到推广应用,冻结孔的泥浆置换充填工艺得到了发展,然而,现场施工中依然会出现冻结管无法顺利下沉的情况。因此,本文采用室内试验、数值模拟及物理模型试验的方法,开展了冻结孔泥浆置换浆液材料优化及浆液流动混合规律的研究。
  首先,通过室内试验,在原配方的缓凝水泥浆中掺加超细水泥及外加剂的优化,开展缓凝水泥浆性能优化研究,确定了掺加超细水泥的缓凝水泥浆配方。结果表明:水泥浆中掺加超细水泥对浆液的初始流动性影响不大,但减小了水泥浆的初凝时间。从初始粘度、结石率、初凝时间、析水速率方面比较,水泥浆中超细水泥混掺量宜为20%~40%。在水泥浆中加入缓凝剂与分散剂,超细水泥混掺比例40%的悬浮稳定性比混掺比例30%和35%好。加入相同比例的悬浮剂后,混掺比例为40%的水泥浆悬浮稳定性明显高于混掺比例为30%、35%的水泥浆,且缓凝水泥浆的初始流动性良好。新、原配方的缓凝水泥浆分别与泥浆按照不同体积比混合后,混合浆液的表观粘度值随着缓凝水泥浆的比例增加,先缓慢增加然后快速减小;新配方与泥浆不同比例混合后的表观粘度整体都比原配方略大。混合浆液的初凝时间随着缓凝水泥浆的比例增加,呈先减小后增大的趋势。针对优化后的缓凝水泥浆,获得其表观粘度和动切力等流变参数。
  其次,通过室内试验,开展隔离液的研究,获得了适用于冻结孔泥浆置换充填的隔离液材料及其配方。试验结果表明:黄原胶掺量达到重晶石粉质量的0.45%时,隔离液的悬浮性能和流动性能优异。掺加2%的磺化褐煤树脂,滤失量为55ml,明显小于木质素磺酸钠和烷基萘磺酸钠。确定隔离液密度为1.30 g/cm3的配方组成为:1.77的水+1的重晶石粉+0.45%黄原胶+2%的磺化褐煤树脂。隔离液与泥浆和缓凝水泥浆的相容性良好,且隔离液的不同密度的悬浮稳定性、滤失性能及流变性能良好,能够满足施工需要。针对上述隔离液,获得了稠度系数和流性指数等流变参数。
  然后,通过数值模拟,研究了泥浆置换过程的浆液流动混合规律,获得了不同条件下混合段高度的变化规律。结果表明:体积分数为5%~95%的环空混合段高度h随着压浆流量的增加呈先增加后减小;随着壁面粗糙度的增加呈先减小后增大;随着钻杆内径与孔径之比的增加呈先增大后减小,然后再增大;随着浆液塑性粘度和动切力的逐渐增加呈先减小后增大再减小;随着钻杆偏心度的增加呈先减小后增大,且h2不断增大。同时研究了在各种因素最不利条件下所需隔离液的最小体积量。通过正交试验的极差和方差分析,影响h2的因素主次顺序和显著性顺序相同,依次为:钻杆偏心度>压浆流量>钻杆内径与孔径之比>浆液流变参数>壁面粗糙度;各因素对宽间隙处混合段高度h(5%~95%)的影响显著性依次为压浆流量因素>钻杆偏心度因素>壁面粗糙度因素>浆液流变参数因素>钻杆内径与孔径之比因素。
  最后,通过物理模拟试验,开展泥浆置换过程的浆液流动混合规律研究。结果表明:物理试验得出的混合段高度h随着流量的增加,h逐渐增大,但增加趋势减缓。对应模型的数值模拟结果表明,随着流量的增加,混合段高度h呈先增大后减小的趋势,但减小趋势很小;物理试验的混合段高度h的结果都比数值模拟的结果偏大,并分析了可能存在的影响因素。

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