水平定向鉆進工程泵量與鉆速匹配的計算模型

劉遠亮

(廣東省建筑科學(xué)研究院,廣東廣州 510500)

水平定向鉆進工程泵量與鉆速匹配的計算模型

劉遠亮

(廣東省建筑科學(xué)研究院,廣東廣州 510500)

在非開挖水平定向鉆進過程中,泵量與鉆進速度是2個關(guān)鍵施工參數(shù),泵量與鉆速匹配與否將直接影響鉆進成孔質(zhì)量和施工進度,而國內(nèi)外對這方面的研究較少,沒有形成成熟的理論體系,現(xiàn)場施工大多靠經(jīng)驗來估算取值。運用數(shù)學(xué)解析方法,并考慮鉆屑含量的影響,建立泵量與鉆速相匹配的計算模型,再結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行驗證。實踐表明該模型比較符合實際,對現(xiàn)場施工有一定的指導(dǎo)意義。

水平定向鉆進;非開挖;泵量;鉆速;匹配;計算模型

1 問題的提出

在非開挖水平定向鉆進過程中,泵量與鉆速是2個重要施工參數(shù)。泵量過大,容易造成鉆孔內(nèi)泥漿壓力過大,導(dǎo)致孔壁失穩(wěn);泵量過小,則造成鉆屑無法順利排出,導(dǎo)致孔內(nèi)憋壓、卡鉆和進尺困難。另一方面,鉆速太快則造成相同時間里切削下來的鉆屑過多,鉆屑含量過大,同樣會導(dǎo)致卡鉆和進尺困難;鉆速太慢則會影響施工進度和成孔質(zhì)量。由此可知在現(xiàn)場施工過程中,泵量與鉆速的匹配是很關(guān)鍵的。而以往有關(guān)這方面的研究大都局限于垂直孔鉆井,對在水平鉆進中的研究則很少,沒有形成成熟的理論體系,而現(xiàn)場施工大多靠經(jīng)驗來估算取值。因此,建立泵量與鉆速相匹配的計算模型具有十分重要的意義[1]。

2 泵量與鉆速相匹配的計算模型

泥漿的主要作用之一是懸浮、攜帶和排出鉆屑,而泵量的大小則是能否順利從鉆孔中排出鉆屑的關(guān)鍵。在垂直孔鉆井,其鉆屑在泥漿的帶動下運行,其運行方向與鉆屑本身重力方向相反,而在水平定向鉆進施工中,最常見的是水平孔,鉆屑雖也是在泥漿的帶動下運行,但此時鉆屑本身的重力方向與泥漿的流動方向相互垂直。在鉆進過程中,所有的鉆屑在鉆頭的剪切力作用下或在高壓泥漿射流作用下,一開始都是懸浮于泥漿中。此時鉆頭附近或射流作用下的環(huán)狀空間內(nèi)泥漿處于紊流狀態(tài)。隨著鉆孔的深入,鉆孔環(huán)空中的泥漿流態(tài)逐漸地由紊流變成層流,在這種層流條件下,鉆屑的沉降速度與鉆屑顆粒大小等有關(guān)[2,3]。

下面運用固液兩相流的理論,計算鉆屑在泥漿中的沉降速度,由此可計算出懸浮和排出鉆屑所需的泵量,再根據(jù)泵量和鉆屑含量可確定與泵量相匹配的鉆速。

對單個鉆屑顆粒進行受力分析(假設(shè)顆粒充分分散、互不干擾,也不考慮顆粒的群體效應(yīng)),顆粒受到泥漿垂直向上的浮力Fb、阻力Fd和垂直向下的重力Fg(如圖1所示),單顆粒在流體中自由沉降時在所受合力方向上產(chǎn)生加速度合力為零時,顆粒與流體之間將保持一個穩(wěn)定的相對速度。

假設(shè)泥漿為不可壓縮流動,泥漿和鉆屑之間無質(zhì)量交換,鉆屑為均勻顆粒,鉆屑顆粒在液體中均勻分布。

圖1 鉆屑顆粒受力分析圖

得到鉆屑顆粒沉降速度:

根據(jù)漿體與粒狀顆粒輸送水力學(xué)的理論[4～6]可得出泥漿攜帶鉆屑的臨界流速Vc的計算式:

因此可得攜帶鉆屑的臨界泵量Q的計算式:

式中:η——鉆屑含量,%;g——重力加速度,m/s2; D——鉆孔直徑,m;ρs——鉆屑密度,kg/m3;ρm——混合液密度,ρm=ηρs+(1-η)ρ,kg/m3;es——懸浮效率系數(shù),無量綱,一般取0.006～0.01,與鉆屑含量成反比;d——鉆屑顆粒粒徑,現(xiàn)場可近似取鉆屑顆粒的平均粒徑,m;fm——泥漿阻力系數(shù),無量綱,一般可取0.02;ρ——泥漿密度,kg/m3;A——鉆孔橫截面積,m2。

設(shè)鉆頭沿鉆孔方向切削土體的線速度(鉆頭的鉆進速度)為v,則在t時間內(nèi),鉆頭切削下來的土體體積V1為:

鉆進導(dǎo)向孔時A=πd02/4,擴孔時A=π(di2-)/4(其中d0為導(dǎo)向孔直徑,di為第i級擴孔直徑)。

假設(shè)t時間內(nèi)鉆頭破碎的土體全部進入鉆孔環(huán)空,泥漿泵量為Q。而不考慮新增鉆屑體積時,t時間內(nèi)流進鉆孔環(huán)空的泥漿體積V2為:

則鉆屑含量η計算公式為:

所以,在一定鉆屑含量條件下最優(yōu)鉆速可按下式確定:

3 確定鉆屑含量的室內(nèi)實驗

實驗過程:以一定配方的泥漿作為基漿,在基漿內(nèi)分別加入不同含量的膨潤土,以模擬實際中鉆頭切削下來的不同含量的鉆屑。通過測試加入不同膨潤土后泥漿的六速旋轉(zhuǎn)粘度,并用相應(yīng)的環(huán)空泥漿壓力計算公式,可以得出不同鉆屑含量對泥漿壓力的影響,由此確定合理的鉆屑含量。

3.1 實驗方案設(shè)計

3.1.1 配制基漿

基漿配方為:4%土(穿越土)+0.15%NaOH+ 0.2%Na2CO3。

3.1.2 以膨潤土模擬鉆屑

分別在基漿基礎(chǔ)上加入1%、2%、4%、6%和8%的膨潤土形成5種新的配方。測取包括基漿在內(nèi)的6種泥漿配方的六速粘度值,如表1所示。

表1 不同鉆屑含量下泥漿配方六速旋轉(zhuǎn)粘度讀值

3.2 數(shù)據(jù)處理

(1)將以上各泥漿配方的旋轉(zhuǎn)粘度值代入環(huán)空泥漿壓力計算公式,計算得到不同鉆屑含量的泥漿壓力,如表2所示。

(2)將配方2～6環(huán)空壓力計算值與基漿(配方1)壓力值相除,得到從1%到8%5種不同鉆屑加量對于基漿的壓力增長比率,并取加權(quán)平均[7],如表2所示。

(3)將鉆屑加量與壓力增長倍數(shù)關(guān)系繪成曲線如圖2所示。對該曲線進行擬合,得到鉆屑加量與壓力增長倍數(shù)的擬合曲線,該擬合曲線的關(guān)系式為:

表2 不同泥漿配方鉆桿內(nèi)、鉆孔環(huán)空對應(yīng)的壓力值

圖2 壓力增長倍數(shù)和鉆屑增量關(guān)系曲線圖

由以上實驗數(shù)據(jù)可知,鉆屑含量>6%時,環(huán)空泥漿壓力增加很快,所以鉆屑含量不宜超過6%,因此可取η=6%(理論上,鉆屑含量當然越少越好,但綜合考慮施工進度的因素,可取η=6%),將η= 6%代入(3)式和(4)式可得到泵量與鉆速相匹配的計算模型:

4 現(xiàn)場應(yīng)用

武漢某管道穿越工程,穿越水平距離1300 m,鉆遇地層以粘土、粉土和粉質(zhì)粘土為主。現(xiàn)場測得的相關(guān)參數(shù)為:η=6%;D=0.2415 m;ρs=1700 kg/ m3;ρm=1240 kg/m3;es=0.01;d=0.2×10-6m;fm=0.2;ρ=1200 kg/m3;A=0.04578 m2。代入(5)和(6)式計算最優(yōu)的泵量與鉆速。

計算得到的最優(yōu)泵量Q=1.36 m3/min,與之匹配的最優(yōu)鉆速v=1.9 m/min≈2 m/min。

現(xiàn)場按照上述所計算得到的泵量與鉆速的數(shù)值進行施工,鉆屑能順利從鉆孔中排出,鉆孔的泥漿環(huán)空壓力一直維持在1 MPa以內(nèi)(如圖3所示),成孔質(zhì)量較好,沒有發(fā)生憋壓、卡鉆等現(xiàn)象,保證了整個工程的順利完成。

圖3 實測環(huán)空壓力曲線圖

5 結(jié)語

泵量與鉆速是水平定向鉆進中的2個重要施工參數(shù),本文運用固液兩相流的理論知識,并考慮鉆屑含量的影響,建立泵量與鉆速匹配的計算模型。實踐表明該模型較為符合實際,對現(xiàn)場施工有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 顏純文,非開挖管線施工技術(shù)的發(fā)展及我國對策[J].探礦工程,1998,(2～3).

[2] 李曉芬,烏效鳴,王海,等.對非開挖鉆孔縮徑抱管問題的分析探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(2):63-65.

[3] David K.Ferry,等.水平定向鉆孔中鉆屑的懸浮和排除[J].李曉苗譯.非開挖技術(shù),2005,22(2～3).

[4] 費祥俊.漿體與粒狀物料輸送水力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994.

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[6] 白曉寧,胡壽根.固液兩相流管道水力輸送的研究進展[J],上海理工大學(xué)學(xué)報,1999,21(4).

[7] 陳立,林鵬,葉小云.泥沙對挾沙水流流動結(jié)構(gòu)影響的研究[J].水利學(xué)報,2003,(9):39-42.

Calculation Model for Matching of Pump Displacement and Drilling Speed in HDD

LIU Yuan-liang(Guangdong Provincial Academy of Building Research,Guangzhou Guangdong 510500,China)

Pump displacement and drilling speed are 2 pivotal parameters in HDD.The matching state of pump displace-ment and drilling speed will affect the borehole quality and the construction progress,but there is no mature academic sys-tem to obtain them,for little research has been done in China,these parameters usually are estimated with experience in construction.In this article,mathematical analysismethod is usedwith the consideration on the influence of drilled cuttings amount,calculating model of optimization of pump displacement and drilling speed is established combiningwith testing da-ta for verification.It is proved by practice that thismodel is accordingwith field construction.

HDD;trenchless technology;pump displacement;drilling speed;matching;calculating model

P634.7

A

1672-7428(2011)01-0068-03

2010-08-03

劉遠亮(1980-),男(漢族),廣東人,廣東省建筑科學(xué)研究院,地質(zhì)工程專業(yè),博士,從事非開挖鉆進鋪管技術(shù)、巖土力學(xué)、工程力學(xué)和鉆井液技術(shù)的研究工作,廣東省廣州市大金鐘路金鐘東二街3號201,liang801014@126.com。