一種水平定向鉆擴(kuò)孔級差的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種水平定向鉆擴(kuò)孔級差的確定方法,屬于非開挖水平定向鉆技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水平定向鉆是采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備,W相對于地面較小的入射角鉆入地層 形成導(dǎo)向孔,然后將導(dǎo)向孔擴(kuò)大至所需大小孔桐并鋪設(shè)管道的一項(xiàng)新興技術(shù)。目前由于其 對環(huán)境、交通的危害較小,鋪管效率高,施工成本低,在社會應(yīng)用中取得了較好的社會效益 和經(jīng)濟(jì)效益,被廣泛應(yīng)用于石油天然氣管道、市政管道在穿越河流、公路、建筑物等特殊情 況下的穿越工程中。
[0003] 擴(kuò)孔是定向鉆穿越技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一,是要將導(dǎo)向孔的直徑擴(kuò)大到待敷設(shè) 管道管徑的1.2~1.5倍(如敷設(shè)1016mm的管徑其需要擴(kuò)大到的直徑為1219~1524mmW上)。 由于受到水平定向鉆機(jī)的鋪管能力、擴(kuò)孔阻力、泥漿的攜巖和運(yùn)移能力的限制,目前都需要 進(jìn)行多級擴(kuò)孔,擴(kuò)孔級差的確定是多級擴(kuò)孔的基礎(chǔ)。
[0004] 目前,計(jì)算水平定向鉆擴(kuò)孔級差的方法有Ξ種:等差數(shù)列法;等切削面法;等扭矩 法。等差數(shù)列法即每級擴(kuò)孔直徑的差值為恒定值,運(yùn)種方法不宜用于擴(kuò)孔阻力大和地層較 為復(fù)雜的情況,且需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定該差值;等切削面法即每次切削的面積相等,隨著 孔徑的增加,切削所需的扭矩逐漸增大;等扭矩法是工程上應(yīng)用最多的一種設(shè)計(jì)方法,即每 一級擴(kuò)孔時(shí)鉆機(jī)的輸出扭矩恒定不變,但采用該法時(shí)需要事先確定擴(kuò)孔級數(shù)。上述方法在 工程應(yīng)用時(shí),均是基于擴(kuò)孔工藝參數(shù)而定。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有計(jì)算水平定向鉆擴(kuò)孔級差的方法不足,提供一種水 平定向鉆擴(kuò)孔級差的確定方法,它是基于彈塑性力學(xué)、巖±力學(xué)理論,用于解決水平定向鉆 擴(kuò)孔時(shí)孔壁的巧塌的問題。
[0006] 為解決上述問題,本發(fā)明采用W下的技術(shù)方案:
[0007] 本發(fā)明一種水平定向鉆擴(kuò)孔級差的確定方法,是W彈塑性力學(xué)理論和巖石力學(xué)理 論為基礎(chǔ)而建立。該方法將前一級擴(kuò)孔產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍作為下一級擴(kuò)孔的待切削范圍, 也就是其塑性區(qū)厚度作為下一級擴(kuò)孔的切削量即擴(kuò)孔級差。其具體步驟如下:
[000引①根據(jù)GB50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,確定終孔直徑0:0 = CDp,其中Dp為待敷管道管徑,C為工程經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取1.2-1.5;
[0009] ②根據(jù)彈性力學(xué)拉梅解答,確定第i級擴(kuò)孔后彈性區(qū)應(yīng)力分布;根據(jù)孔壁周圍巖± 體受力模型,利用彈性力學(xué)理論,將其簡化為厚壁圓筒模型,由拉梅解答得到第i級擴(kuò)孔后 彈性區(qū)一點(diǎn)處的應(yīng)力分布:
[0010]
(1)
[0011]
(沿
[0012] Trfi = 0 (3)
[001引其中0ri為第i級擴(kuò)孔后彈性區(qū)一點(diǎn)處的徑向應(yīng)力,oei為第i級擴(kuò)孔后彈性區(qū)一點(diǎn) 處的切向應(yīng)力山Θ功第i級擴(kuò)孔后一點(diǎn)處的剪應(yīng)力;P功第i級擴(kuò)孔泥漿靜壓力;P為地層壓 力;ri為第i級擴(kuò)孔后的孔桐半徑;r為彈性區(qū)一點(diǎn)處的半徑;i取1,2……n-l,n為擴(kuò)孔級數(shù)。 [0014]③基于摩爾庫倫準(zhǔn)則,確定第i級擴(kuò)孔后塑性區(qū)應(yīng)力分布;應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到一定極限 時(shí),孔壁周圍巖±體由彈性狀態(tài)進(jìn)入彈塑性狀態(tài),基于摩爾庫倫強(qiáng)度模型,得到第i級擴(kuò)孔 后塑性區(qū)的應(yīng)力分布:
[0017]其中,Opri為第i級擴(kuò)孔后塑性區(qū)域一點(diǎn)處的徑向應(yīng)力;Ορθι為第i級擴(kuò)孔后塑性區(qū) 域一點(diǎn)處的切向應(yīng)力;8。為±的粘聚力;<?為±的內(nèi)摩擦角,r為塑性區(qū)一點(diǎn)處的半徑。
[0018] ④根據(jù)彈性區(qū)、塑性區(qū)交界處滿足連續(xù)性理論,確定第i級擴(kuò)孔后塑性區(qū)半徑;彈 性區(qū)應(yīng)力與塑性區(qū)應(yīng)力的交界處(r = R)滿足連續(xù)性理論,即彈性區(qū)徑向應(yīng)力等于塑性區(qū) 徑向應(yīng)力Opri,彈性區(qū)切向應(yīng)力〇0i等于塑性區(qū)切向應(yīng)力〇p0i。則有:
[0019] 〇ri+〇0i =化= Opri+〇p0i (6)
[0020] 由公式(4)、(5)和(6)能夠得到芬納公式:
[0021]
(7)
[0022] 式中Ri為第i級擴(kuò)孔后的塑性區(qū)半徑。
[0023] 考慮實(shí)際情況,引入修正系數(shù)β來確定最終的塑性區(qū)半徑,即為Ri' = (l+i3)Ri。其 中,Ri'為修正后的第i級擴(kuò)孔后的塑性區(qū)半徑。
[0024] ⑤根據(jù)塑性區(qū)半徑,確定第i級擴(kuò)孔后塑性區(qū)厚度;確定塑性區(qū)半徑之后,用公式 Spi = Ri'-r巧得塑性區(qū)厚度:
[0025]
(8)
[0026] 其中,δρι為第i級擴(kuò)孔后塑性區(qū)厚度;Ri '為修正后的第i級擴(kuò)孔后的塑性區(qū)半徑;β 為修正系數(shù),取0.1-0.3;ri為第級擴(kuò)孔后的孔桐半徑;Ρ功第i級擴(kuò)孔泥漿靜壓力;Ρ為地層 壓力;S。為巖±的粘聚力;取為巖±的內(nèi)摩擦角;i取1,2……n-1,n為擴(kuò)孔級數(shù)。
[0027] ⑥將第i級擴(kuò)孔后的塑性區(qū)厚度δρι作為第i+1級擴(kuò)孔級差,確定第i+1級擴(kuò)孔級差, 即第i+1級的擴(kuò)孔切削厚度。即得:
[0028]
(9)
[0029] 其中,δι+ι為第i+1級的擴(kuò)孔級差,切削厚度。
[0030] ⑦確定第i+1級孔桐半徑,第i+1級擴(kuò)孔級差確定W后,孔桐半徑由公式rw = Sw+ r巧得,孔桐直徑由公式Dw =化W可得。其中功第i+1級擴(kuò)孔后的孔桐半徑,Dw為第i+ 1級擴(kuò)孔后的孔桐直徑。
[0031] ⑧將第i + 1級孔桐直徑與終孔直徑比較,若相近,則終止計(jì)算過程,確定出擴(kuò)孔級 數(shù);若第i+1級孔桐直徑遠(yuǎn)小于終孔直徑,則重復(fù)步驟②一⑧),當(dāng)孔桐直徑Dw與終孔直徑D 相接近時(shí),停止計(jì)算過程,確定擴(kuò)孔級數(shù)η,即合理的確定出下一級擴(kuò)孔級差。
[0032] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:1.本發(fā)明W彈塑性力學(xué)、巖石力學(xué)為理論基礎(chǔ)的水平定向鉆 擴(kuò)孔級差的確定方法,發(fā)揮水平定向鉆鉆孔孔壁周圍巖±體的力學(xué)性能;2.下一級擴(kuò)孔時(shí), 將上一級擴(kuò)孔產(chǎn)生的塑性區(qū)域切削掉,防止產(chǎn)生的塑性區(qū)二次加載而導(dǎo)致孔桐巧塌,降低 孔桐巧塌的可能性,為工程上提供了一種可靠可行的水平定向鉆擴(kuò)孔級差確定方法。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明一種水平定向鉆擴(kuò)孔級差的確定方法的流程圖;
[0034] 圖2為本發(fā)明計(jì)算彈性分布的鉆孔受力圖;
[0035] 圖3為本發(fā)明計(jì)算彈性分布的鉆孔平面應(yīng)變模型圖;
[0036] 圖4為圖3左視圖;
[0037] 圖5為本發(fā)明鉆孔后彈性區(qū)、塑性區(qū)分布示意圖,其中為孔桐,r〇<r<R為塑性 區(qū),Ri<r<RE功彈性區(qū),r>貼功未影響區(qū);r = ri為孔壁,r = Ri為彈性區(qū)與塑性區(qū)交界。
[0038] 具體實(shí)施方法
[0039] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0040] 如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示,本發(fā)明一種水平定向鉆擴(kuò)孔級差的確定方法,該方 法將前一級擴(kuò)孔產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍作為下一級擴(kuò)孔的待切削范圍,也就是其塑性區(qū)厚度作 為下一級擴(kuò)孔的切削量即擴(kuò)孔級差;其具體的步驟如下:
[0041 ] ①根據(jù)GB50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,確定終孔直徑0:0 = CDp,其中Dp為待敷管道管徑,C為工程經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取1.2-1.5;
[0042] W下步驟②~步驟⑧W推導(dǎo)第2級擴(kuò)孔級差為例,假定鉆遇巖±體為理想彈塑性 體,側(cè)壓系數(shù)為1,形成的塑性區(qū)為一等厚圓環(huán)且與鉆孔同屯、。
[0043] ②計(jì)算第1級擴(kuò)孔后彈性區(qū)應(yīng)力解:考慮實(shí)際工程,將其簡化為平面應(yīng)變問題,鉆 孔周圍巖±體受力模型、厚壁圓筒模型;如圖2所示和如圖3所示,根據(jù)彈性力學(xué)理論推導(dǎo), 得到孔壁周圍巖±體的一點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)可W表示為:
[0047]其中為第1級擴(kuò)孔后彈性區(qū)一點(diǎn)處的徑向應(yīng)力,ΟΘ1為第1級擴(kuò)孔后彈性區(qū)一點(diǎn) 處的切向應(yīng)力;trei為第1級擴(kuò)孔后一點(diǎn)處的剪應(yīng)力;P1為第1級擴(kuò)孔泥漿靜壓力;P為地層壓 力;ri為第1級擴(kuò)孔后的孔