一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法
【專利摘要】一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，包括以下步驟:(1)測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)；(2)確定每天送冷量和推出單根凍結(jié)管第n天凍土發(fā)展半徑公式；(3)推出計算凍結(jié)交圈時間公式；(4)推出凍土發(fā)展到井幫所需要的凍結(jié)天數(shù)N計算公式；(5)推出受單圈孔影響的井幫溫度計算公式；(6)推出受兩個或以上凍結(jié)孔影響的井幫溫度的計算公式；(7)確定距離影響系數(shù)ε的數(shù)值；(8)將測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)和確定距離影響系數(shù)ε的數(shù)值代入第(5)步中的計算公式中；其中步驟(1)步驟(3)可以放在步驟(8)后。該步驟方法避免了經(jīng)驗法和工程類比法的苛刻條件，以科學(xué)的方式提前獲得數(shù)據(jù)。
【專利說明】
一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及立井井筒領(lǐng)域，尤其涉及一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 凍結(jié)技術(shù)己廣泛應(yīng)用到立井和隧道等地下工程中，凍結(jié)技術(shù)就是對未知和復(fù)雜的 表土層進(jìn)仔預(yù)先凍結(jié)處理。立井工程中表土段采用凍結(jié)技術(shù)施工通過。近20年來，采用凍結(jié) 法施工的立井達(dá)到幾百個。比如，當(dāng)凍結(jié)深度超過400米，各國凍結(jié)孔的設(shè)計難度較大，現(xiàn)有 技術(shù)是全凍結(jié)段上下同時送冷或停凍，這樣容易造成井幫溫度上下不均勻的情況，從而給 井筒掘砌施工帶來巨大的困難和安全隱患，造成成本浪費和工期延誤。
[0003] 凍結(jié)法施工立井井筒，凍結(jié)壁溫度場發(fā)展的預(yù)測是非常重要的，預(yù)測的準(zhǔn)確與否 直接影響到井筒掘砌的速度和下一階段的施工安排，隨著凍結(jié)深度的不斷增大，凍結(jié)施工 中很難做到精細(xì)控制和準(zhǔn)備把握，在通常情況下是超凍或者過凍，浪費了大量的電力和材 料消耗，同時也給井筒安全掘砌帶來很多不確定的安全隱患，造成凍結(jié)立井施工時常發(fā)生 斷管、透水等嚴(yán)重工程事故。在總結(jié)血的教訓(xùn)的同時，廣大技術(shù)科技人員都在努力研究更加 準(zhǔn)確可靠的立井凍結(jié)溫度場計算與預(yù)測理論，期望能夠更加準(zhǔn)確的掌握凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r。
[0004] 如果在工程設(shè)計方案之前就做好預(yù)測工作，可以更好的指導(dǎo)凍結(jié)方案設(shè)計工作， 從技術(shù)源頭抓好掘砌和凍結(jié)的協(xié)調(diào)關(guān)系。保證立井掘砌安全最根本、也是最有效的方法就 是制定一個好的凍結(jié)方案，也是避免安全問題的最好的"預(yù)防針"。因此，在凍結(jié)方案設(shè)計完 成后應(yīng)根據(jù)該方案首先進(jìn)行預(yù)測，再根據(jù)預(yù)測的結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化方案，才能最大程度地保 證掘砌的安全、連續(xù)進(jìn)行。
[0005] 雖然目前施工單位和科研單位都在積極研究凍結(jié)計算和模擬技術(shù)，其中就包括 了凍結(jié)預(yù)測技術(shù)，但大多都處在完善和實驗階段，有的還一直在使用經(jīng)驗法，雖然這些技術(shù) 對凍結(jié)的預(yù)測有很大幫助，但有時誤差太大，仍然不能作為可靠的井筒施工依據(jù)。因此，急 需一種準(zhǔn)確地獲得凍結(jié)情況的預(yù)測的方法，其中確定凍結(jié)壁交圈時間和井幫溫度的提前預(yù) 測是獲得凍結(jié)情況的兩個重要的因素，為掘砌施工提供重要指導(dǎo)，及時采取最為合適的措 施，倉il造最優(yōu)的施工條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題在于不能用科學(xué)的方法提供一種預(yù)測立筒井筒的 凍結(jié)情況的方法，特別涉及不能準(zhǔn)確預(yù)測凍結(jié)壁交圈時間和井幫溫度，本發(fā)明采用以下技 術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：
[0007] -種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0008] (1)測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)；
[0009] (2)確定每天送冷量和推出單根凍結(jié)管第η天凍土發(fā)展半徑公式；
[0010] (3)推出計算凍結(jié)交圈時間公式；
[0011] (4)推出凍土發(fā)展到井幫所需要的凍結(jié)天數(shù)Ν計算公式；
[0012] (5)推出受單圈孔影響的井幫溫度計算公式；
[0013] (6)推出受兩個或以上凍結(jié)孔影響的井幫溫度的計算公式；
[0014] (7)確定距離影響系數(shù)ε的數(shù)值；
[0015] (8)將測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)和確定距離影響系數(shù)ε的數(shù)值代入第(5)步中的 計算公式中；
[0016] 詳細(xì)地說，所述的步驟(1)需要測量或查看的參數(shù)分別為:查看鹽水狀態(tài)和凍結(jié)管 最大散熱期的鹽水溫度，從而確定凍結(jié)管最大散熱系數(shù)Kt、測量凍結(jié)管的外徑de、立井處的 土的種類，確定相應(yīng)的土比熱容m和密度P、該土形成的巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù)α和測量巖層 的原始溫度to、凍結(jié)管距井幫的距離R b，統(tǒng)計凍結(jié)站前期鹽水溫度沒達(dá)到設(shè)計值的準(zhǔn)備時間 Τι〇
[0017] 詳細(xì)地說，所述的步驟(2)中，每天的送冷量一定且為
[0018] 243idehekt,
[0019] 推出單根凍結(jié)管第η天凍土發(fā)展半徑，計算公式如下：
[0020]
[0021] 其中he為巖層厚度，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為凍結(jié) 管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h) ;m為土的比熱容，J/kg · °C ;P為土的密度，kg/m3;t〇為巖層的原 始溫度，°C; η為凍結(jié)天數(shù)。
[0022] 詳細(xì)地說，所述的步驟(3)中，計算凍結(jié)交圈第二時間Τ2的計算公式如下：
[0023]
[0024] 計算凍結(jié)交圈時間Τ的計算公式如下：
[0025]
[0026] 其中Ti為統(tǒng)計凍結(jié)站前期鹽水溫度沒達(dá)到設(shè)計值的準(zhǔn)備時間；LC為每個層位的最 大成孔間距，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)， J/(m2 · h);m為土的比熱容，J/kg · °C;P為土的密度，kg/m3;t〇為巖層的原始溫度，°C。
[0027] 詳細(xì)地說，所述的步驟(4)中，凍土發(fā)展到井幫所需要的凍結(jié)天數(shù)N的計算公式為：
[0028]
[0029]其中Rb為凍結(jié)管距井幫的距離，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑， m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h) ;m為土的比熱容，J/kg · °C ;P為土的密度，kg/m3;t〇 為巖層的原始溫度，°C。
[0030]詳細(xì)地說，所述的步驟(5)中，受單圈孔影響的井幫溫度的計算公式為：
[0031]
[0032] 其中Rb為凍結(jié)管距井幫的距離，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑， m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h) ;m為土的比熱容，J/kg · °C ;P為土的密度，kg/m3;t〇 為巖層的原始溫度，°C;n為凍結(jié)天數(shù)，該公式中的Rb>500mm，該公式適用于受單圈孔影響的 凍結(jié)壁任意點的溫度。
[0033] 詳細(xì)地說，所述的步驟(6)中，計算出受兩個或以上凍結(jié)孔影響的井幫溫度，計算 公式如下：
[0034]
[0035]其中：Rb為凍結(jié)管距井幫的距離，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑， m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h) ;m為土的比熱容，J/kg · °C ;P為土的密度，kg/m3;t〇 為巖層的原始溫度，°C ;n為凍結(jié)天數(shù)，ε為距離影響系數(shù)，該公式中的Rb>500mm。
[0036] 詳細(xì)地說，Rn是第η天的凍結(jié)壁發(fā)展半徑，Rbmin、Rbmax是測點到最近、最遠(yuǎn)凍結(jié)管的 距離。單排凍結(jié)管rn<Rbmin時，ε取1，雙排孔時ε最小值取0.4,最大值為1。
[0037]詳細(xì)地說，所述的步驟(2)之前還包括以下步驟：
[0038] (1)假設(shè)原巖溫度從to降到0°C為一個循環(huán)，鹽水和巖層熱能交換可以用如下公式 表不：
[0039]
[0040] 其中he為巖層厚度，m;de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h) ;m為土的比熱容，J/kg · °C ;P為土的密度，kg/m3;t〇為巖層的原始溫度，°C ;
[0041] (2)從上述公式推導(dǎo)出權(quán)利要求1中的單根凍結(jié)管第一天凍土發(fā)展半徑的公式：
[0042]
[0043] (3)假設(shè)第一天發(fā)展半徑，第二天發(fā)展到R2· · ·第η天發(fā)展到Rn;
[0044] 凍結(jié)管每天送冷量近似相等，故有：
[0045]
[0046] 式中Q表示凍結(jié)管每天的送冷量，At = t〇-〇表示每天發(fā)展的凍結(jié)壁的溫度差為常 數(shù)，根據(jù)上式可得到：
[0047] ?]
1 V -L I ^ v j Z v a ? -1
[0048]由上式可得單根凍結(jié)管第η天凍土發(fā)展半徑：
[0049]
[0050] 詳細(xì)地說，所述的步驟(4)之前還包括以下步驟：
[0051] (1)確定凍結(jié)范圍內(nèi)某點下降溫度，該點第η天溫度下降了
[0052]
[0053] (2)確定凍結(jié)第η天后的井幫溫度tb，公式為
[0054]
[0055]本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0056] (1)本發(fā)明所得出的凍結(jié)壁溫度場計算公式中只有一兩個主觀參數(shù)，其他全部為 凍土試驗所得到的客觀參數(shù)，大大減少人為主觀所造成的誤差，計算得到的結(jié)果與實際結(jié) 果非常接近。
[0057] (2)本發(fā)明可以滿足立井凍結(jié)施工所需的絕大多數(shù)的工程數(shù)據(jù)。
[0058] (3)本發(fā)明可以優(yōu)化凍結(jié)方案，在凍結(jié)方案討論過程中，提供可靠的預(yù)測數(shù)據(jù)，進(jìn) 而根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)方案的缺陷和不足，從而提前改進(jìn)凍結(jié)方案。
【附圖說明】 圖1為本發(fā)明的立井凍結(jié)溫度場發(fā)展與分布計算模型圖； 圖2為本發(fā)明的凍結(jié)凍結(jié)孔布置圖。
【具體實施方式】
[0059]凍結(jié)是經(jīng)過電能將氨或者二氧化碳等材料液化冷卻，和鹽水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱能交 換，低溫鹽水再和巖層進(jìn)行熱能交換，從而達(dá)到降低巖土溫度的目的，最后形成完整的凍結(jié) 壁。
[0060]如附圖1-2所示，圖中，1為凍結(jié)管；2區(qū)間范圍為第一天凍結(jié)壁發(fā)展位置;3代表的 區(qū)間范圍凍結(jié)影響范圍;4的區(qū)間范圍凍結(jié)壁計算半徑Rn。
[0061 ]預(yù)測立井井筒凍結(jié)情況的步驟如下：
[0062]第一步:測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)：
[0063] 查看鹽水狀態(tài)和凍結(jié)管最大散熱期的鹽水溫度，從而確定凍結(jié)管最大散熱系數(shù) Kt、測量凍結(jié)管的外徑de，查看立井處的土的種類，確定相應(yīng)的該土比熱容Μ和密度P，該土 形成的巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù)α和測量巖層的原始溫度to,凍結(jié)管距井幫的距離R b，統(tǒng)計凍結(jié) 站前期鹽水溫度沒達(dá)到設(shè)計值的準(zhǔn)備時間Tu
[0064] 第二步:獲得凍結(jié)管每天的送冷量和推出單根凍結(jié)管第η天凍土發(fā)展半徑公式；
[0065] (1)假設(shè)原巖溫度從to降到0°C為一個循環(huán)，鹽水和巖層熱能交換可以用如下公式 表不：
[0066]
( 1 )
[0067]其中he為巖層厚度，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為凍結(jié) 管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h) ;m為土的比熱容，J/kg · °C ;P為土的密度，kg/m3;t〇為巖層的原 始溫度，°C; η為凍結(jié)天數(shù)。
[0068] (2)由公式（1)可知凍結(jié)管每天送冷量一定且為
[0069] 243idehekt (2)
[0070] (3)從公式(2)可推導(dǎo)出單根凍結(jié)管第一天凍土發(fā)展半徑的公式：
[0071]
(3)
[0072] (4)推導(dǎo)出單根凍結(jié)管第η天凍土發(fā)展半徑的公式
[0073] 假設(shè)第一天發(fā)展半徑Ri，第二天發(fā)展到R2· · ·第η天發(fā)展到Rn;
[0074] 凍結(jié)管每天送冷量近似相等，故有：
[0075](4) ^ H-1
[0076]式中Q表示凍結(jié)管每天的送冷量，At = t〇-〇表示每天發(fā)展的凍結(jié)壁的溫度差為常 數(shù)，根據(jù)上式可得到：
[0077]
[0078] 由（5)式可以推出：
[0079]
[0080]由上式可得單根凍結(jié)管第η天凍土發(fā)展半徑： _
(7)
[0082] 凍結(jié)壁發(fā)展是從凍結(jié)管外壁開始，逐漸向四周發(fā)展，巖土溫度也是從凍結(jié)管外壁 開始慢慢降溫，但降溫的幅度與離凍結(jié)管距離的遠(yuǎn)近有關(guān)，離凍結(jié)管越遠(yuǎn)的地方，溫度下 降的越慢，這是由冷量在凍結(jié)管周圍分部不均造成的，絕大多數(shù)冷量被凍結(jié)管附近的凍土 吸收了，只有少量冷量擴(kuò)散到較遠(yuǎn)的地方。通過模擬可知，在凍結(jié)擴(kuò)散半徑以內(nèi)的冷量占總 送冷量的 60%左右，這和土的導(dǎo)熱能力密切相關(guān)(導(dǎo)熱能力越大，溫度擴(kuò)散范圍越大，反之 亦然），也有一小部分冷量擴(kuò)散到影響范圍以外的地方，還有一部分是地?zé)嵊绊?，被消耗?了（這就是為何在凍結(jié)立井開機(jī)前，要弄清楚周圍地下水流情況和水源井使用情況的原 因），所以凍土擴(kuò)散半徑計算公式應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整：
[0083]
[0084] 其中:α為溫度擴(kuò)散系數(shù)，η為凍結(jié)天數(shù)。
[0085] 將公式(3)帶入公式(8)中，即單根凍結(jié)管第η天凍土發(fā)展半徑的公式為：
[0086]
(9)
[0087] 不同巖層的溫度擴(kuò)散速度不一樣，且能量損失大小不一樣，故不同巖層溫度擴(kuò)散 系數(shù)見下表：
[0088]
[0089]表1溫度擴(kuò)散系數(shù)取值表
[0090]第三步:推出計算凍結(jié)交圈時間的公式；
[0091 ]根據(jù)以上分析可知，η為凍結(jié)天數(shù)，單個凍結(jié)孔凍土發(fā)展速度為Rn，凍結(jié)層位的凍 結(jié)孔成孔最大間距假設(shè)為Lc，顯然凍結(jié)壁交圈受此最大間距控制，相鄰凍結(jié)孔的凍土相交 后即為凍結(jié)交圈，故：
[0092]
[0093] 根據(jù)公式(7)推導(dǎo)出凍結(jié)交圈第二時間T2的計算公式：
[0094]
:(11)[0095]取等于號就是交圈時間。即：
(12)
[0096]
[0097] 由于計算式（3)中kt基于鹽水溫度取值是-20度，同時公式（5)也是在假設(shè)凍結(jié)站 送冷量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，所以根據(jù)以上公式計算出的凍結(jié)交圈時間不包括凍結(jié)站前期鹽水溫 度沒達(dá)到設(shè)計值的時間。通常凍結(jié)站鹽水溫度從20度降到-20度需要一段時間，鹽水降溫階 段時間為Τι;
[0098] 即凍結(jié)交圈時間Τ的計算公式為：
(13)
[0099]
[0100] 第四步:計算凍土發(fā)展到井幫所需要的凍結(jié)天數(shù)Ν
[0101] 通過模擬可知，凍結(jié)范圍內(nèi)的某點溫度隨時間變化曲線近似是一個凍結(jié)天數(shù)η的 1/2次冪的函數(shù)，第η天溫度下降了 ：
[0102] （14)
[0103] 其中η代表凍結(jié)天數(shù)，Ν代表動土發(fā)展到井幫所需要的凍結(jié)天數(shù)。
[0104] 故凍結(jié)η天后的井幫溫度：
[0105]
(15)
[0106] (16)
[0107] 第五步，推出受單圈孔影響的井幫溫度計算公式：
[0108]
(17.)
[0109] 其中：Rb為凍結(jié)管距井幫的距離，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑， m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h) ;m為土的比熱容，J/kg · °C ;P為土的密度，kg/m3;
[0110] 公式（17)隨著Rb取值不同既可以計算井幫溫度也可以計算凍結(jié)壁內(nèi)任意一點的 溫度，但不適用于Rb<500mm，因為在凍結(jié)管500mm左右的范圍內(nèi)，凍土已不再繼續(xù)降溫了， 可以認(rèn)為凍結(jié)管附近的凍土處于恒溫狀態(tài)，它吸收的熱量全部擴(kuò)散到恒溫帶以外的地方。 所以公式(17)中要求R b>500mm，并且該公式適用于受單圈孔影響的凍結(jié)壁任意點的溫度。
[0111] 第六步:推出受兩個或以上凍結(jié)孔影響的井幫溫度的計算公式
[0112] 通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析，公式（17)在計算受單圈孔影響的凍結(jié)壁任意一點溫 度時是準(zhǔn)確的，而計算兩排凍結(jié)孔之間的溫度有較大差異，如主排孔和輔助孔之間的測點。 原因是雙排孔之間，測點同時受兩個或以上凍結(jié)孔影響，影響大小受單凍結(jié)管凍土發(fā)展半 徑與測點到最近凍結(jié)孔的距離比控制，定義為距離影響系數(shù)ε，公式(17)相應(yīng)修改為：
[0113]
(18)
[0114] 第七步:確定距離影響系數(shù)ε的數(shù)值
[0115]
[0117] 表2:距離影響系數(shù)表
[0118] 表2中匕是第η天的凍結(jié)壁發(fā)展半徑，Rbmin、Rbmax是測點到最近、最遠(yuǎn)凍結(jié)管的距離。 單排凍結(jié)管KRbmin時，ε取1，雙排孔時ε最小值取0.4,最大值為1。
[0119] 第八步:將測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)和確定的ε的值代入公式（18)中的計算公 式中。
[0120] 具體實施例如下：
[0121] -、計算凍結(jié)交圈時間：
[0122] 3個水文孔分別為S1孔、S2孔、S3孔，S1孔、S2孔、S3孔深度分別為92m，153m、338m， 所對應(yīng)的層位的最大鉆孔間距分別為1.816m，2.026m，2.269m，巖性分別是粘質(zhì)粉砂、粗砂、 礫石層，統(tǒng)計出S1孔、S2孔、S3孔鹽水降溫階段時間Ti均為9天，。
[0123] 第一步，根據(jù)溫度擴(kuò)散系數(shù)取值表和S1孔、S2孔、S3孔的巖性特質(zhì)，α取值分別為 Ο·53、0·58、0·63·
[0124] 測得S1孔鹽水狀態(tài)為層流，凍結(jié)管最大散熱期的鹽水溫度零下26/°C;
[0125] 測得S2孔鹽水狀態(tài)為層流，凍結(jié)管最大散熱期的鹽水溫度零下28/°C;
[0126] 測得S3孔鹽水狀態(tài)為層流，凍結(jié)管最大散熱期的鹽水溫度零下30/°C;
[0127] 根據(jù)表3，Kt取值范圍均為kt= (882000~1080000)J/(m2 · h);
[0128]
[0129] 表3凍結(jié)管最大散熱系數(shù)(單位熱流量)Kt參考值
[0130] 測得si層位其他參數(shù)分別為：t〇= 19°C，m= 1200J/kg · °C，P = 2300kg/m3，de = 0.159m,Lc= 1.816m；
[0131] 測得52層位其他參數(shù)分別為：1：() = 2〇.4<€，111=12〇〇]71^.<€，0 = 22〇〇1^/1113，(16 = 0.159m,Lc = 2.026m；
[0132] 測得S3層位其他參數(shù)分別為：t〇 = 25.8°C，m=1200J/kg · °C，P = 2600kg/m3,、de = 0· 159m，Lc = 2.269m;
[0133] 根據(jù)公式（13)可得：
[0134] SI孔的交圈時間：T = 37天；
[0135] S2孔的交圈時間：Τ = 39天；
[0136] S3孔的交圈時間:Τ = 51天。
[0137] 實際的S1孔、S2孔、S3孔的實際交圈時間為35、38、48天。
[0138] 由上式計算出來的交圈時間和水文孔實際冒水時間相差很小。有誤差時間是由于 在測試過程中有參數(shù)的范圍的選擇，該誤差也在正常范圍內(nèi)。
[0139] 二、計算井幫溫度
[0140] 凍結(jié)孔到井幫距離Rb在200m以上為1.5m，200m以下2.1m。根據(jù)凍結(jié)孔偏斜實測數(shù) 據(jù)并結(jié)合下表2可得相應(yīng)凍結(jié)層位的距離影響系數(shù)ε的取值。
[0141] 根據(jù)公式(18)綜合上述數(shù)據(jù)和表4中參數(shù)確定最后一列井幫溫度。
[0142]
[0143] 表4預(yù)測井幫溫度對應(yīng)表
[0144]
[0145] 表5實測井幫溫度應(yīng)對表
[0146] 根據(jù)表4和表5的對比，預(yù)測的井幫溫度和實際測量的井幫溫度誤差小于1°C，產(chǎn)生 誤差原因是由于測點無法準(zhǔn)確定位和環(huán)境溫度的影響所致。
[0147] 所述的步驟(1)和\或步驟(3)可以放在步驟(8)后。
[0148] 以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本 發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，包括W下步驟： (1) 測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)； (2) 確定每天送冷量和推出單根凍結(jié)管第η天凍±發(fā)展半徑公式； (3) 推出計算凍結(jié)交圈時間公式； (4) 推出凍±發(fā)展到井幫所需要的凍結(jié)天數(shù)的十算公式； (5) 推出受單圈孔影響的井幫溫度計算公式； (6) 推出受兩個或W上凍結(jié)孔影響的井幫溫度的計算公式； (7) 確定距離影響系數(shù)ε的數(shù)值； (8) 將測量或查看凍結(jié)管的各參數(shù)和確定距離影響系數(shù)ε的數(shù)值代入第(5)步中的計算 公式中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步驟 (1) 需要測量或查看的參數(shù)分別為:查看鹽水狀態(tài)和凍結(jié)管最大散熱期的鹽水溫度，從而確 定凍結(jié)管最大散熱系數(shù)Kt，測量凍結(jié)管的外徑de、立井處的±的種類，確定相應(yīng)的±比熱容 m和密度0、該±形成的巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù)α和測量巖層的原始溫度to、凍結(jié)管距井幫的距 離化，統(tǒng)計凍結(jié)站前期鹽水溫度沒達(dá)到設(shè)計值的準(zhǔn)備時間Τι。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步驟 (2) 中，每天的送冷量一定且為 24JT^dehekt ? 推出單根凍結(jié)管第η天凍±發(fā)展半徑，計算公式如下：其中he為巖層厚度，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為凍結(jié)管最 大散熱系數(shù)，J/(m2 · }1);111為±的比熱容，J/kg · °(：;0為±的密度，kg/m3;t日為巖層的原始溫 度，°C;n為凍結(jié)天數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步驟 (3) 中，計算凍結(jié)交圈第二時間T2的計算公式如下：計算凍結(jié)交圈時間T的計算公式如下：其中Τι為統(tǒng)計凍結(jié)站前期鹽水溫度沒達(dá)到設(shè)計值的準(zhǔn)備時間；Lc為每個層位的最大成 孔間距，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/ (1112'}1);111為±的比熱容，J/kg.。0為±的密度，kg/m3;t日為巖層的原始溫度，°C。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步驟 (4) 中，凍±發(fā)展到井幫所需要的凍結(jié)天數(shù)N的計算公式為：其中化為凍結(jié)管距井幫的距離，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為 凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · }1);111為±的比熱容，J/kg · °(：;0為±的密度，kg/m3;t〇為巖層 的原始溫度，C。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步驟 (5) 中，受單圈孔影響的井幫溫度的計算公式為：其中化為凍結(jié)管距井幫的距離，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為 凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · }1);111為±的比熱容，J/kg · °(：;0為±的密度，kg/m3;t〇為巖層 的原始溫度，°C;n為凍結(jié)天數(shù)，該公式中的化巧00mm，該公式適用于受單圈孔影響的凍結(jié)壁 任意點的溫度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步驟 (6) 中，計算出受兩個或W上凍結(jié)孔影響的井幫溫度，計算公式如下：其中：Rb為凍結(jié)管距井幫的距離，m;a為巖層的溫度擴(kuò)散系數(shù);de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt 為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · }1);111為±的比熱容，J/kg · °(：;0為±的密度，kg/m3;t日為巖 層的原始溫度，°C ;η為凍結(jié)天數(shù)，ε為距離影響系數(shù)，該公式中的化巧00mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，Rn是第η天的 凍結(jié)壁發(fā)展半徑，Rbmin、Rbmax是測點到最近、最遠(yuǎn)凍結(jié)管的距離。單排凍結(jié)管rn《Rbmin時，ε取 1，雙排孔時ε最小值取0.4,最大值為1。9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步驟 (2)之前還包括W下步驟： (1) 假設(shè)原巖溫度從to降到(TC為一個循環(huán)，鹽水和巖層熱能交換可W用如下公式表示：其中he為巖層厚度，m;de為凍結(jié)管的外徑，m;Kt為凍結(jié)管最大散熱系數(shù)，J/(m2 · h);m為 ±的比熱容，J/kg · °(：;0為±的密度，kg/m3;t〇為巖層的原始溫度，°C; (2) 從上述公式推導(dǎo)出權(quán)利要求1中的單根凍結(jié)管第一天凍±發(fā)展半徑的公式：(3) 假設(shè)第一天發(fā)展半徑化，第二天發(fā)展到R2· ··第η天發(fā)展到Rn; 凍結(jié)管每天送冷量近似相等，故有：式中Q表示凍結(jié)管每天的送冷量，At = t〇-〇表示每天發(fā)展的凍結(jié)壁的溫度差為常數(shù)，根 據(jù)上式可得到：由上式可得單根凍結(jié)管第η天凍±發(fā)展半徑：10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種預(yù)測立筒井筒凍結(jié)情況的方法，其特征在于，所述的步 驟(4)之前還包括W下步驟： (1) 確定凍結(jié)范圍內(nèi)某點下降溫度，該點第η天溫度下降了(2) 確定凍結(jié)第η天后的井幫溫度tb，公式為
【文檔編號】G06Q10/04GK105976060SQ201610305516
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】張海驕, 姚直書, 湯江明, 王成博, 常軍, 魏瑋, 楊海若, 李世輝, 謝玉兵
【申請人】淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司