HDD擠壓式擴孔鉆頭拉力 -扭矩模型建立及驗證

邱玲玲,烏效鳴,孟凡威

(中國地質大學〈武漢〉工程學院,湖北武漢 430074)

0 引言

隨著我國經濟的大力發(fā)展,水平定向鉆進技術廣泛應用于供水、煤氣、天然氣、污水、電力和電信電纜等公用事業(yè)管線的鋪設。但其遇到的問題也是比較復雜。例如在進行定向鉆進施工前對鉆機型號的選擇沒有可參考的依據,在施工設計時,只是人為的分配擴孔級數,沒有科學高效的分配擴孔級徑,而在鉆機開動時,對回拉速度與回轉速度方面也達不到最優(yōu)化的效果,諸如此類往往會出現“大馬拉小車”或“小馬拉大車”等不協(xié)調的情況,造成設備的適應能力差或高頻率出現鉆孔事故等。

本文通過對擠壓時鉆頭的力學分析建立的拉力-扭矩模型很好的解決了以上的問題。

1 鉆頭拉力 -扭矩模型建立

1.1 鉆頭鉆進過程分析

水平定向鉆進在回轉鉆進時,鉆頭在與土體平面接觸后,假設鉆頭回轉一周進尺為 h,在軸向力的作用下,鉆頭尖端先切入土層,則鉆頭切入土層的深度為 h,在回轉力的作用下,鉆頭回轉一周,將其所經過部分的土體破壞掉,鉆頭在軸向力和回轉力的作用下繼續(xù)鉆進,鉆頭尖部又吃入土層 h深度,而此時,鉆頭斜面只與中部土體圓臺區(qū)域接觸。該部分土體將產生變形。隨著鉆頭的回轉,圓錐體面上的土體都將產生變形,這樣循環(huán)往復,鉆孔就會不斷地加深。而破碎下來的土體,其中部將進入鉆頭上部,另一部分將被擠入土層。該部分土體在鉆頭斜面的作用下發(fā)生破壞,鉆頭提供破壞該部分土和克服側壁摩擦所需的力。

1.2 模型建立

1.2.1 基本假設

(1)鉆頭為剛性體形;

(2)鉆頭橫截面為圓形;

(3)鉆頭與孔壁連續(xù)接觸;

(4)摩擦系數在某孔段為常數;

(5)把一切引起軸向阻力和旋轉扭矩增加的因素都等價于鉆頭與孔壁摩擦系數的變化。

1.2.2 鉆頭 (以擠壓式鉆頭為例)拉力 -扭矩方程

圖1為工程中常用的擠壓時鉆頭實體,圖 2為其相應的力學模型的示意圖,鉆頭的錐度為α,前一級孔半徑為 r,鉆頭半徑為 R,土體摩擦系數為 f。

圓臺的側面積:s=πl(wèi)(R+r)〔其中 l為圓臺的母線 ,l=(R-r)/sinα〕。

圖1 擠壓式鉆頭

圖2 擠壓式鉆頭模型

(1)單位面積上的正壓力

(3)微圓臺環(huán)側面積

(4)微側環(huán)產生的扭矩

(5)對圓臺面積進行積分,求出總扭矩

2 現場數據驗證

當鉆孔資料的摩擦系數確定后,利用以建拉力-扭矩模型預測鉆機扭矩。對上海市伽利略路某電纜鋪設非開挖工程進行扭矩預測計算。

該鉆孔長 180 m,鉆機型號為 D100×120,鉆桿長度 6 m,鉆頭直徑 600 mm,前一級鉆孔直徑 400 mm,土體的摩擦系數 0.3,鉆頭錐度 28°,軸向力 50 kN。

模型預測數據與實際施工數據對比見表 1。

表1 實際施工數據與模型預測值對比表

3 影響因素分析

不同拉力條件下,理論數據均比實測數據小。這是由于扭矩表盤的數據包括液壓系統(tǒng)的損失以及鉆桿摩擦的部分。

3.1 扭矩計算影響因素

通過對式(5)的分析,我們知道土體摩擦系數、軸向力、鉆頭錐度和前后擴孔直徑的大小有關系。其中扭矩與土體摩擦系數、軸向力成正比。這是影響扭矩大小的主要因素。土體越堅硬,摩擦系數越大,鉆進難度越大,相應所需扭矩也越大。鉆機提供的軸向力主要用于破壞土體,越大的軸向力對土的正壓力越大,摩擦力越大,則扭矩也相應增大。同時鉆頭錐度的正弦與扭矩成正比,使用不同錐度的鉆頭,需要提供的扭矩的大小不一樣。擴孔直徑影響扭矩的大小,在上一級擴孔直徑一定的情況下,新一級的擴孔直徑越大,破壞土體產生的扭矩也就越大,擴孔直徑與扭矩的大小成正比。

3.2 土性參數的取值

上述公式中 f的數值由 f=tanθ得出〔其中θ為鉆頭與土體之間的內摩擦角,(°)〕。不同類型的土有不同的θ值,主要視土體的軟硬程度而決定,由相關規(guī)范可確定。

3.3 扭矩與回拉力的合理配套設計

只有強大的功率輸出才能夠確保工程順利和鉆機的良好工作,才能延長整個鉆機的使用壽命。由于定向鉆機并不是短暫間歇式的高動力作業(yè)方式,而是帶動主機、水泵等設備負荷連續(xù)工作的,所以在設計和選擇鉆機時,首先要考慮配套發(fā)動機的連續(xù)輸出功率,而不僅是最大間歇輸出功率或總功率,這樣才能保證鉆機長時間以恒定的負荷能力去克服施工中的阻力,尤其在進行復雜或含石塊地層的工程施工時顯得更加重要,而鉆機的功率的配額更為重要。表 2為對應孔徑和鉆孔長度的設備功率配備選擇對照表,以供參考。

表2 鉆機功率要求對應關系表

結合鉆機功率要求和在現場施工記錄的回擴孔時拉力、扭矩和泥漿泵量等數據 (表 2),以拉力 -扭矩數學模型分析為基本依據,全面考慮其它影響因素,對水平定向鉆進鋪設施工優(yōu)化綜合設計。對設計模型進行編程,以 Visual C++軟件開發(fā)平臺,采用空間解析幾何方法,運用三維圖形庫技術 Open-GL,設計出拉力 -扭矩模型的可視化界面,其演示界面如圖 3所示。

圖3 擠壓式鉆頭扭矩拉力對話框

4 結論

(1)拉力 -扭矩模型對水平定向鉆進鋪設施工設計優(yōu)化起到了很重要的指導作用。

(2)可利用拉力 -扭矩模型和鉆機功率要求表確定工程需要鉆機型號。

(3)拉力 -扭矩模型的可視化界面方便工程施工應用。

[1] 烏效鳴,胡郁樂,李糧綱,等.導向鉆進與非開挖鋪管技術[M].武漢:中國地質大學出版社,2004.

[2] 張寶增,王瑞和,等.鉆柱拉力扭矩模型在側鉆水平井中的應用[J].天然氣工業(yè),2007,(1):68-71.

[3] 費廣正,喬林.Visual C++6.0高級編程技術 (OpenGL篇)[M].北京:中國鐵道出版社,2000.