CN106021867A - 一种冻结壁交圈时间判断方法 - Google Patents

Abstract

一种冻结壁交圈时间判断方法，首先查看盐水状态和冻结管最大散热期的盐水温度，从而确定冻结管最大散热系数Kt，测量冻结管的外径de、查看立井井筒处的围岩土的种类，根据取芯实验室确定比热容m和密度ρ，该围岩土形成的岩层的温度扩散系数和测量岩层的原始温度t₀,测量每个层位的最大成孔间距为L_C，然后分别通过计算计算单根冻结管第一天冻土发展半径、计算单根冻结管第n天冻土发展半径、计算冻结交圈第二时间T₂，最后计算冻结交圈时间,冻结交圈时间T等于第二时间T₂加上冻结站前期盐水温度没达到设计值的准备时间T₁，该方法可以从大量的客观数据得到冻结交圈的时间，避免了经验法和工程类比法的苛刻条件。

Description

一种冻结壁交圈时间判断方法

技术领域

本发明涉及立井井筒领域，尤其涉及一种冻结壁交圈时间判断方法。

背景技术

冻结法施工立井井筒，冻结壁温度场发展的预测是非常重要的，预测的准确与否直接影响到井筒掘砌的速度和下一阶段的施工安排，甚至影响到井筒施工安全和冻结管安全。以往冻结法施工立井井筒，经常会发生断管和淹井事故，在总结血的教训的同时，广大技术科技人员都在努力研究更加准确可靠的立井冻结温度场计算与预测理论，期望能够更加准确的掌握冻结壁发展状况。

如果在工程设计方案之前就做好预测工作，可以更好的指导冻结方案设计工作，从技术源头抓好掘砌和冻结的协调关系。保证立井掘砌安全最根本、也是最有效的方法就是制定一个好的冻结方案，也是避免安全问题的最好的“预防针”。因此，在冻结方案设计完成后应根据该方案首先进行预测，再根据预测的结果进一步优化方案，才能最大程度地保证掘砌的安全、连续进行。

目前施工单位和科研单位都在积极研究冻结计算和模拟技术，其中就包括了冻结预测技术，但大多都处在完善和实验阶段，有的还一直在使用经验法，虽然这些技术对冻结的预测有很大帮助，但有时误差太大，仍然不能作为可靠的井筒施工依据。因此，急需一种准确地获得冻结情况的预测的方法，首先我们需要解决冻结壁交圈时间判断问题，为掘砌施工提供重要指导，及时采取最为合适的措施，创造最优的施工条件。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于不能准确的判断冻结壁交圈时间，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：

一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)查看盐水状态和冻结管最大散热期的盐水温度，从而确定冻结管最大散热系数Kt，测量冻结管的外径de、查看立井在该处的围岩土的种类，确定相应的土比热容m和密度ρ，该围岩土形成的岩层的温度扩散系数和测量岩层的原始温度t₀,测量每个层位的最大成孔间距为L_C,统计冻结站前期盐水温度没达到设计值的准备时间T₁；

(2)计算单根冻结管第一天冻土发展半径，计算公式如下：

$R_1=\sqrt{\frac{24{\mathrm{deK}}_t}{{\mathrm{m\ρt}}_0}+{\mathrm{de}}^2}$

其中R₁为第一天冻土发展半径(从t₀降到0℃的圆柱区域)；

(3)计算单根冻结管第n天冻土发展半径，计算公式如下：

$R_n=\mathrm{\α}\sqrt{n}{R}_1$

其中：α为温度扩散系数；n为冻结天数；

(4)计算冻结交圈第二时间T₂的计算公式如下：

${\left(\frac{L_C}{2{\mathrm{\αR}}_1}\right)}^2\≤T_2$

其中：n为冻结天数，取等于号就是交圈第二时间T₂；

(5)计算冻结交圈时间,冻结交圈时间T等于第二时间T₂加上冻结站前期盐水温度没达到设计值的准备时间T₁，

进一步地，步骤(1)之前还包括以下步骤：

首先假设原岩温度从t₀降到0℃为一个循环，盐水和岩层热能交换可以用如下公式表示：

$\mathrm{\π}m\mathrm{\ρ}({R_1}^2-d_e^2)h_e{t}_0=24{\mathrm{\πd}}_e{h}_e{k}_t$

其中he为岩层厚度；

然后，从上述公式推导出权利要求1中的单根冻结管第一天冻土发展半径的公式。

进一步地，步骤(2)之前还包括以下步骤：

首先假设第一天发展半径R₁，第二天发展到R₂···第n天发展到R_n。

冻结管每天送冷量近似相等，故有：

$Q=\underset{R_{n-1}}{\overset{R_n}{\∫}}2{\mathrm{\πm\ρh}}_e\mathrm{\Δ}trdr$

式中Q表示冻结管每天的送冷量，△t＝t₀-0表示每天发展的冻结壁的温度差为常数，根据上式可得到：

${\mathrm{\πR}}_1^2=\mathrm{\π}(R_2^2-R_1^2)=\mathrm{\π}(R_3^2-R_2^2)=......=\mathrm{\π}(R_n^2-R_{n-1}^2)$

然后，由上式可得单根冻结管第n天冻土发展半径：

进一步地，步骤(3)之前还包括以下步骤：

首先因为冻结壁交圈受该层位最大冻结孔间距控制，相邻冻结孔的冻土相交后即为冻结交圈，故获得公式：

2R_n≥L_c

然后由上式可得冻结交圈第二时间T₂。

本发明的优点在于：

(1)本发明所得出的冻结壁温度场计算公式中只有一两个主观参数，其他全部为冻土试验所得到的客观参数，大大减少人为主观所造成的误差，计算得到的结果与实际结果非常接近。

(2)本发明可以满足立井冻结施工所需的绝大多数的工程数据。

(3)本发明可以优化冻结方案，在冻结方案讨论过程中，提供可靠的预测数据，进而根据预测数据发现方案的缺陷和不足，从而提前改进冻结方案。

附图说明

图1为本发明的立井冻结温度场发展与分布计算模型图；

图2为本发明的冻结冻结孔布置图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

冻结是经过电能将氨或者二氧化碳等材料液化冷却，和盐水循环系统进行热能交换，低温盐水再和岩层进行热能交换，从而达到降低岩土温度的目的，最后形成完整的冻结壁。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如附图1-2所示，图中，1为冻结管；2的区间范围代表第一天冻结壁发展位置；3的区间范围代表冻结影响范围；4的区间范围代表冻结壁计算半径R_n。

一、冻结管单孔冻结管热能交换公式

假设原岩温度从t₀降到0℃为一个循环，盐水和岩层热能交换可以用如下公式表示：

$\mathrm{\π}m\mathrm{\ρ}({R_1}^2-d_e^2)h_e{t}_0=24{\mathrm{\πd}}_e{h}_e{k}_t---\left(1\right)$

通过上式可以推演出冻结第一天的冻结壁发展半径R₁：

$R_1=\sqrt{\frac{24d_e{\mathrm{\κ}}_t}{{\mathrm{M\ρt}}_0}+d_e^2}---\left(2\right)$

二、单根冻结管第n天冻土发展半径

假设第一天发展半径R₁，第二天发展到R₂···第n天发展到R_n。

冻结管每天送冷量近似相等，故有：

$Q=\underset{R_{n-1}}{\overset{R_n}{\∫}}2{\mathrm{\πm\ρh}}_e\mathrm{\Δ}trdr---\left(3\right)$

式中Q表示冻结管每天的送冷量，△t＝t₀-0表示每天发展的冻结壁的温度差为常数，根据上式可得到：

${\mathrm{\πR}}_1^2=\mathrm{\π}(R_2^2-R_1^2)=\mathrm{\π}(R_3^2-R_2^2)=......=\mathrm{\π}(R_n^2-R_{n-1}^2)---\left(4\right)$

由(4)式可以推出：

$\begin{array}{c}{R}_2=\sqrt{2}{R}_1\\ R_3=\sqrt{3}{R}_1\\ .\\ .\\ .\\ R_n=\sqrt{n}{R}_1\end{array}---\left(5\right)$

冻结壁发展是从冻结管外壁开始，逐渐向四周发展，岩土温度也是从冻结管外壁开始慢慢降温，但降温的幅度与离冻结管距离的远近有关，离冻结管越远的地方，温度下降的越慢，这是由冷量在冻结管周围分部不均造成的，绝大多数冷量被冻结管附近的冻土吸收了，只有少量冷量扩散到较远的地方。通过模拟可知，在冻结扩散半径以内的冷量占总送冷量的60％左右，这和土的导热能力密切相关(导热能力越大，温度扩散范围越大，反之亦然)，也有一小部分冷量扩散到影响范围以外的地方，还有一部分是地热影响，被消耗掉了(这就是为何在冻结立井开机前，要弄清楚周围地下水流情况和水源井使用情况的原因)，所以冻土扩散半径计算公式应做相应调整：

$\begin{array}{c}{R}_2=\mathrm{\α}\sqrt{2}{R}_1\\ R_3=\mathrm{\α}\sqrt{3}{R}_1\\ .\\ .\\ .\\ R_n=\mathrm{\α}\sqrt{n}{R}_1\end{array}---\left(6\right)$

其中：α为温度扩散系数，n为冻结天数。

不同岩层的温度扩散速度不一样，且能量损失大小不一样，故不同岩层温度扩散系数见下表：

岩性

粘土

砂质粘土

钙质粘土

粘质粉砂

粗砂

中砂

细砂

砂质泥岩

细砂岩

砾石层

α

0.65～0.7

0.63～0.65

0.65～0.68

0.5～0.55

0.55～0.6

0.62～0.65

0.6～0.62

0.45～0.5

0.62～0.65

0.62～0.65

温度扩散系数取值表

三、计算冻结交圈时间公式；

根据以上分析可知，n为冻结天数，单个冻结孔冻土发展速度为Rn，冻结层位的冻结孔成孔最大间距假设为Lc，显然冻结壁交圈受此最大间距控制，相邻冻结孔的冻土相交后即为冻结交圈，故：

$\begin{array}{c}2R_n\≥L_c\\ 2\mathrm{\α}\sqrt{n}{r}_1\≥L_c\end{array}---\left(7\right)$

根据公式(7)推导出冻结交圈第二时间T₂的计算公式：

${\left(\frac{L_C}{2{\mathrm{\αR}}_1}\right)}^2\≤T_2---\left(8\right)$

取等于号就是交圈时间。由于计算式(2)中k_t基于盐水温度取值是-20度，同时公式(4)也是在假设冻结站送冷量稳定的基础上，所以根据以上公式计算出的冻结交圈时间不包括冻结站前期盐水温度没达到设计值的时间。通常冻结站盐水温度从20度降到-20度需要一段时间，根据公式(8)计算出的冻结交圈时间应加上这个准备时间，盐水降温阶段时间为T₁；

即冻结交圈时间T的计算公式为：

$T=T_1+T_2=T_1+\frac{{L_C}^2}{4{\mathrm{\α}}^2(\frac{24{\mathrm{deK}}_t}{{\mathrm{m\ρt}}_0}+{\mathrm{de}}^2)}---\left(9\right)$

具体实施例如下：

3个水文孔分别为S1孔、S2孔、S3孔，S1孔、S2孔、S3孔深度分别为92m，153m、338m，所对应的层位的最大钻孔间距分别为1.816m，2.026m，2.269m，岩性分别是粘质粉砂、粗砂、砾石层，统计出S1孔、S2孔、S3孔盐水降温阶段时间T₁均为9天。

第一步，根据温度扩散系数取值表和S1孔、S2孔、S3孔的岩性特质，α取值分别为0.53、0.58、0.63.

测得S1孔盐水状态为层流，冻结管最大散热期的盐水温度零下26/℃；

测得S2孔盐水状态为层流，冻结管最大散热期的盐水温度零下28/℃；

测得S3孔盐水状态为层流，冻结管最大散热期的盐水温度零下30/℃；

根据下表Kt取值范围均为k_t＝(882000～1080000)J/(m²·h)；

测得S1层位其他参数分别为：t₀＝19℃，m＝1200J/kg·℃,ρ＝2300kg/m³，de＝0.159m，L_C＝1.816m；

测得S2层位其他参数分别为：t₀＝20.4℃，m＝1200J/kg·℃,ρ＝2200kg/m³，de＝0.159m，L_C＝2.026m；

测得S3层位其他参数分别为：t₀＝25.8℃，m＝1200J/kg·℃,ρ＝2600kg/m³，、de＝0.159m，L_C＝2.269m；

第二步，根据公式可以得出公式：

${\left(\frac{L_C}{2\mathrm{\α}\sqrt{\frac{24{\mathrm{deK}}_t}{{\mathrm{m\ρt}}_0}+{\mathrm{de}}^2}}\right)}^2=T_2$

第三步，将S1孔、S2孔、S3孔的参数分别带入上述计算交圈第二时间T₂.

将S1的参数带入上式得：T₂＝28天；

将S2的参数带入上式得：T₂＝30天；

将S3的参数带入上式得：T₂＝42天；

第四步，计算分别S1孔、S2孔、S3孔的交圈时间，分别将将S1孔、S2孔、S3孔的交圈第二时间T₂加上盐水降温阶段时间T₁的时间，可得：

S1孔的交圈时间:T＝37天；

S2孔的交圈时间:T＝39天；

S3孔的交圈时间:T＝51天。

实际的S1孔、S2孔、S3孔的实际交圈时间为35、38、48天。

由上式计算出来的交圈时间和水文孔实际冒水时间相差很小。有误差时间是由于在测试过程中有参数的范围的选择，该误差也在正常范围内。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)查看盐水状态和冻结管最大散热期的盐水温度，从而确定冻结管最大散热系数Kt，测量冻结管的外径de和查看立井在该处的围岩土的种类，确定相应的土比热容m和密度ρ，该处的围岩土形成的岩层的温度扩散系数和测量岩层的原始温度t₀,测量每个层位的最大成孔间距为L_C,统计冻结站前期盐水温度没达到设计值的准备时间T₁；

(2)计算单根冻结管第一天冻土发展半径，计算公式如下：

$R_1=\sqrt{\frac{24{\mathrm{deK}}_t}{{\mathrm{m\ρt}}_0}+{\mathrm{de}}^2}$

其中R₁为第一天冻土发展半径(从t₀降到0℃的圆柱区域)；

(3)计算单根冻结管第n天冻土发展半径，计算公式如下：

$Rn=\mathrm{\α}\sqrt{n}{R}_1$

其中：α为温度扩散系数；n为冻结天数；

(4)计算冻结交圈第二时间T₂的计算公式如下：

${\left(\frac{L_C}{2{\mathrm{\αR}}_1}\right)}^2\≤T_2$

其中：n为冻结天数，取等于号就是交圈第二时间T₂；

(5)计算冻结交圈时间,冻结交圈时间T等于第二时间T₂加上冻结站前期盐水温度没达到设计值的准备时间T₁。

2.根据权利要求1所述的一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，步骤(1)之前还包括以下步骤：

首先假设原岩温度从t₀降到0℃为一个循环，盐水和岩层热能交换用如下公式表示：

$\mathrm{\π}m\mathrm{\ρ}(R_1^2-d_e^2)h_e{t}_0=24{\mathrm{\πd}}_e{h}_e{k}_t$

其中he为岩层厚度；

然后，从上述公式推导出单根冻结管第一天冻土发展半径的公式。

3.根据权利要求1所述的一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，步骤(2)之前还包括以下步骤：

首先假设第一天发展半径R₁，第二天发展到R₂···第n天发展到R_n；

冻结管每天送冷量近似相等，故有：

$Q=\underset{R_{n-1}}{\overset{R_n}{\∫}}2{\mathrm{\πm\ρh}}_e\mathrm{\Δ}trdr$

式中Q表示冻结管每天的送冷量，△t＝t₀-0表示每天发展的冻结壁的温度差为常数，根据上式可得到：

${\mathrm{\πR}}_1^2=\mathrm{\π}(R_2^2-R_1^2)=\mathrm{\π}(R_3^2-R_2^2)=......=\mathrm{\π}(R_n^2-R_{n-1}^2)$

然后，由上式可得单根冻结管第n天冻土发展半径：

4.根据权利要求1所述的一种冻结壁交圈时间判断方法，其特征在于，步骤(3)之前还包括以下步骤：

首先因为冻结壁交圈受该层位最大冻结孔间距控制，相邻冻结孔的冻土相交后即为冻结交圈，故获得公式：

2R_n≥L_c

然后由上式可得冻结交圈第二时间T₂。