水平定向钻管道穿越中力学参数研究_丁鹏

收稿日期 : 2007 - 03- 28 作者简介 : 丁 鹏 ( 1980- ) , 男 (汉族 ) , 山东平度人 , 博士研究生 , 主要从事管道力学及管理方面的研究。
第 5期
丁 鹏等 :
[ 7]
水平定向钻管道穿越中力学参数研究
153
最大被动垂直土应力计算公式为 q p, m ax = 0 . 5 D0 0 . 5 D0 +H 1
第 29 卷 第 5 期 2007 年 10 月
西南石油大学学报
Journa l o f Southw est P etroleum U n ive rsity
Vo . l 29 O ct
wenku.baidu.com
No . 5 2007
文章编号 : 1000- 2634( 2007) 05- 0152- 04
水平定向钻管道穿越中力学参数研究
4
结
论
( 1) 针对定向钻管道穿越的特殊施工方式 , 指
第 5期
丁 鹏等 :
水平定向钻管道穿越中力学参数研究
155
出水平定向钻穿越过程的 3 类土压力 : 中性垂直土 压力、 被动垂直土压力和折算垂直土压力, 并给出了 各自的计算公式。 工程实例分析表明 , 被动垂直土压 力是管道穿越工程的主要土压力。 ( 2) 考虑到定向钻穿越中泥浆的主要作用 , 提 出了定向钻施工过程最小需要泥浆压力和最大允许 泥浆压力的概念 , 并推导出理论公式。 ( 3) 定向钻管道穿越技术的理论化, 对今后管 道定向钻穿越工程具有重大指导意义 , 能够推动国 内管道定向钻穿越的全面发展。 符号说明
f f [ 12] [ 11] [ 9, 10]
图 3 表 1
类型 硬质粘土 粉砂 粘土
某定向钻管道穿越工程示意图 各穿越土层的物理力学性质表
单位重度 内聚力 摩擦角 不排水内聚 弹性模量 / ( kN /m 3 ) / ( kN /m 2 ) / ( b) 力 / ( kN /m 2 ) / ( kN /m 2 ) 19 18 18 80 0 50 12 30 12 120 50 50 10000 15000 8000
R cv, H ) 深度为 H 的垂直有效土应力 , kN /m 2 ; H 1 ) 管线顶端覆盖的土层厚度 , m; D 0 ) 管道外径 , m;
3 C c H ) 管线上部 土层的有效单位重量 , kN /m ;
p pm ) 回拖方向从左侧开始的最小需要泥浆压力 , kPa ; in, l p pm ; in, r ) 回拖方向从右侧开始的最小需要泥浆压力 , kP a
在不同的施工阶段 ( 钻孔、 扩孔、 回拖 ), 泥浆流 变性是泥浆压力变化的一个重要特征。 泥浆是水和 膨润土的混合体 , 属于非牛顿流体, 其流变行为可以 用宾汉姆模型描述
[ 8]
在定向钻管道穿越工程中 , 还存在一种土压力, 称为折算垂直土压力。 折算垂直土压力是由于管道 两侧土体的摩阻力作用, 即边界约束对土压力的作 用而产生的 , 其大小与导向孔的尺寸有关。 当管道穿 越可压缩土层时 ( 如图 2所示 ), 折算垂直土压力 q n, r 的计算公式为 q n, r = 其中 B 1 = m ax D 0 1 + tan 2 P U b 4 2 , Rb hC cq v, n Fr 2B 1 z> 8 B1 ( 4)
d dp p m in, l = C bh + L l dz
( 7)
d
Fr =
0 . 9F m ax B1( 3 H - 2h ) ln h 1+ F m ax 2CH D d + 2B 1 k v
d dp p m in, r = C b h + (L - L l ) dz
( 8)
d
同理, 可以得到扩孔过程最小需要泥浆压力计 算公式为
1 定向钻管道穿越过程土力学参数计算
对于填埋式管道土压力的计算, 目前国内外学 者已做了大量研究
[ 1- 3]
。但在定向钻管道穿越工程 1. 2
图 1
中性垂直土压力计算示意图
中 , 对于土压力参数的计算, 国内尚无成熟的理论, 在工程实际中常常采用经验确定甚至直接忽略。因 此 , 分析定向钻穿越过程管道周围的土力学参数, 得 到其定量值 , 对定向钻管道穿越工程设计与施工具 有重要意义。 垂直土压力 是定向钻 管道穿越 过程的主 要载 荷。美国学者 马斯顿 ( M arston) 提出的马 氏土压力 理论, 是计算管道土压力的基本理论。根据马氏土 压力理论, 管道土压力与覆土深度和管径相对尺寸 以及土层的物理力学性质 ( 容重、 内摩擦角、 粘聚力
+Q
- sin U b 1+ s i nU b
cb co t Ub ) - cb cot Ub 其中 p cf = R c 0 ( 1 + sin U b ) + cb cos U b Q = 1 . 3 Rc 0 sin U b + cb cos U b Gb
折算垂直土压力
图 2 H 与 h 关系示意图
r d dp p m in, l = m in p m in, r, C bh + L l dz
K h ta n U B1
Q n, r F m ax = 2B 1 h C cD0 Q n, r B1 ( C c- c /B 1 ) = K tan U 1- e
-
( 9)
r
p m in, r = D0
2
程成败的重要因素。 在实际工程中, 导向孔坍塌或冒 浆等事故时有发生, 究其原因, 在于泥浆的供应压力 (p cf + ( 3) 不合适。 可见 , 如何在穿越过程中选择最优的泥浆压 力 , 保证工程的顺利施工是目前亟待解决的问题。 但 至今为止, 在定向钻穿越工程泥浆压力的确定并没 有具体标准可以借鉴 , 现场施工大多根据经验确定, 精度较差。 从穿越过程泥浆基本作用出发 , 考虑泥浆特性 及地层影响 , 提出定向钻穿越过程最小需要泥浆压 力和最大允许泥浆压力的概念 , 并给出了理论分析。 2. 1 最小需要泥浆压力 定向钻施工过程 , 需要一定的泥浆压力携带孔 内泥流及钻屑物 , 使得泥浆在导向孔环空区域循环 流动的门限压力值就称为最小需要泥浆压力。 在钻孔过程中, 钻头所处位置一般低于泥浆排 出口, 因此 , 首先需要克服高差影响产生的静压力 。 p1 = C bh ( 5)
d dp m in p m in, l, C bh + ( L - L l ) dz
r
( 10 )
r
2
定向钻穿越过程泥浆压力计算
泥浆是水平定向钻穿越的血液 , 是关系穿越工
回拖过程最小需要泥浆压力计算公式为
p r dp p m in, l = m in p m in, r, C bh + L l dz
丁 鹏, 闫相祯, 杨秀娟
(中国石油大学研究生院 , 山东 东营 257061)
*
摘要 : 针对目前定向钻管道穿越工程的理论与力学分析方面 在很大程度 上依靠经 验 , 力学 参数值难 以定量确 定的问 题 , 通过对定向钻穿越施工中的土压力 、 泥浆压 力等关 键参数 的理论 分析 , 指出穿 越工程 中的三 类垂直 土应力 , 提出 了最小需要泥浆压力和最大 允许泥浆压力两个新概念 , 并推导出各自 的计算公式 。 依据该公式 对某管道 穿越工程进 行分析 , 得到了关键力学指标的定量值 。 水平定向钻管道穿越中力学参数的理论化可为工 程实际提供参考 。 关键词 : 管道 ; 水平定向钻 ; 穿越 ; 垂直土压力 ; 泥浆压力 中图分类号 : TE832 文献标识码 : A
*
被动垂直土压力 在定向钻穿越工程中 , 由于管顶中性垂直压力
的作用 , 管壁将挤压管底的土体 , 在导向孔内产生一 定的沉降, 并最终达到极限平衡状态 , 因此, 导向孔 底部土 体 会 对 管 道 产 生 被 动 垂 直 土 压 力。根 据 Cou lom b 土压力理论 , 被动垂直土 压力随管道沉降 [ 6] 增大而增大 , 是定向钻管道穿越过程土压力的最 大值, 可由下式计算。 q v, p = m in q v, n + f Rc v, H H , q D 0 1 p, m ax ( 2)
L le ft ) 钻头与入土点之间的导向孔长度 , m; L ) 导向孔总长度 , m; C u, f ) 土壤不排水内聚力的分解值 , kN /m 2 , C u, f = C u /f c; f c) 内聚力安全系数 ; C u ) 土壤不排水内聚力 , kN /m 2 ; R c0 ) 初始有效应力 , kN /m2 ; u) 管线中部土壤孔隙压力 , kN /m 2 。
2 . 2
最大允许泥浆压力 在实际工程中, 由于使用高压泥浆而产生的泥
浆泄漏以及孔壁漏塌问题常常发生。 根据空腔膨胀 理论, 导向孔内泥浆压力存在临界值 , 超过该值孔壁 就会变得不稳定 , 即保持土壤内洞腔持续不变的最 高泥浆压力值 。 因此, 在理论上 , 导向孔内的泥 浆压力必定有一个上限值 , 即最大允许泥浆压力。 在导向孔施工完成后 , 泥浆压力会施加到孔壁 土壤上 , 当泥浆压力达到一定值时, 靠近导向孔的土 壤就会发生塑性变形, 处于塑性状态的土体在孔壁 周围形成一个塑性圈, 塑性区以外的土体则处于弹 性状态。 当压力继续增大直至超过这个值, 发生塑性 变形的土壤区域进一步扩大 , 当塑性变形区域达到 一定范围时 , 就会发生导向孔漏塌现象 。 为了预防靠近钻孔的土壤区域漏塌或损坏 , 避 免由于使用高压泥浆产生的泥浆泄漏带来的严重环 境污染问题 , 必须将孔洞附近的塑性土壤区域稳定 在安全范围之内。 因此 , 根据不同的土层地质条件确 定施工过程中最大允许泥浆压力显得尤为重要。 最 大允许泥浆压力与土层特性有关 , 水平定向钻穿越 不排水土层时的最大允许泥浆压力计算公式 p u, m ax = m in( 0 . 9p lim, p m ax ) + u 其中 p lim = R c 0 + C u, p m ax = Rc 0 + C u,
( 11 )
p
154 p m in, r =
p
西南石油大学学报
2007 年 影响最大的载荷。 图 5 为穿越工程钻导向孔过程最
r dp m in pm in, , l C b h + (L - L l ) dz
( 12 )
p
大允许泥浆压力图, 从图中可以看出, 在入土点附近 最大允许泥浆压力明显增大 , 这是由于需要穿越的 入土点侧有硬度较高的粘土层。
。 ( 13 )
1 - ln C u, f G C u, f Rb + G R p, m ax
2
( 14 )
1 - ln
( 15 )
3
计算实例
某定向钻管道穿越工程需穿越长度约 600 m 的
一条河流。 为顺利进行工程施工 , 减少工程风险 , 必 须选择合理的穿越路由。 对此, 通过对穿越工程地质 特点及技术难点的综合分析, 提出的穿越方案见图 3 所示。 穿越土层的基本参数如表 1所示。 采用上述理 论对该穿越工程的力学参数进行计算 , 所得的结果 与工程实际符合良好。 图 4 为穿越工程施工过程的垂直土压力图 , 从 图中可以看出, 被动垂直土压力是管道穿越工程中
近年来 , 水平定向钻穿越技术在我国长输油气 管道工程中得到了广泛的应用。值得一提的是, 虽 然定向钻穿越技术在国内发展迅速, 但在管道穿越 工程理论与力学分析方面, 如穿越过程垂直土压力 的计算以及施工过程泥浆压力的确定, 目前国内研 究比较少, 尚没有成熟理论可以采用。 本文对定向钻管道穿越过程土压力进行了理论 分析, 将垂直土压力分为 3 类, 并分别给出了计算公 式。同时, 提出了定向钻管道穿越施工过程最小需 要泥浆压力和最大允许泥浆压力两个新概念, 并推 导出理论公式。
等 ) 有关
[ 4, 5]
。
考虑到定向钻管道穿越中特殊的施工方法以及 引起土压力的各种因素 , 穿越工程中的垂直土压力 可分为 3 种 : 中性垂直土压力、 被动垂直土压力和折 算垂直土压力。 1. 1 中性垂直土压力 中性垂直土压力 q v, n 是由覆盖在管道上部土柱 的自重产生 , 见图 1所示, 其计算公式可表示为 q v, n = R c v ,H + 0 . 5PD C 0 c H 8 ( 1)
, 即泥浆发生循环流动必须克
服初始剪切阻力。 泥浆在导向孔内流经环空区域 ( 钻 杆或管线与孔壁之间的空间 ) 时 , 所需的流动压力 还与环空体大小、 泥浆流动特性和流速有关。 维持泥 浆在导向孔内流动所需压力 p 2 可由以下公式计算。 p2 = dp L dz ( 6)
z[ 8 B1
通过上述分析, 可以得到钻孔过程最小需要泥 浆压力的计算公式。