水平定向鉆穿越施工中鉆井液滲透對(duì)孔壁塑性半徑的影響

曾 聰,馬保松,劉厚平

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院,湖北武漢 430074；2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院非開挖研究所,河北廊坊065000)

水平定向鉆穿越施工中鉆井液滲透對(duì)孔壁塑性半徑的影響

曾 聰1,馬保松1,劉厚平2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院,湖北武漢 430074；2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院非開挖研究所,河北廊坊065000)

以大直徑水平定向鉆進(jìn)(HDD)在實(shí)際砂土層的工況為對(duì)象,通過理論分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的方法推導(dǎo)HDD鉆孔孔壁的塑性半徑的計(jì)算公式,并對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明:當(dāng)壓差等于零或內(nèi)壓大于外壓時(shí),孔壁塑性半徑受到鉆井液滲透的影響非常小,幾乎趨近于一個(gè)定值；當(dāng)內(nèi)外壓差小于1.0 MPa時(shí),塑性半徑受鉆井液滲透影響程度呈指數(shù)增加,當(dāng)內(nèi)外壓差大于1.0 MPa時(shí),其理論值已經(jīng)超過了實(shí)際工程鉆井液滲透的半徑。

鉆井；水平定向鉆進(jìn)；塑性半徑；鉆井液

水平定向鉆進(jìn)(horizontal directional drilling, HDD)技術(shù)采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備,以相對(duì)于地面較小的入射角鉆入地層形成先導(dǎo)孔,將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至設(shè)計(jì)要求,采用鉆機(jī)回拖牽引的方法將管道(線)裝入鉆孔[1]。在大口徑管道HDD穿越中,管道回拖前孔徑需要擴(kuò)至管徑的1.3～1.4倍,所以在弱膠結(jié)地層穿越易發(fā)生孔壁失穩(wěn)。國內(nèi)孔壁穩(wěn)定性的研究集中在石油鉆井和地質(zhì)鉆探領(lǐng)域,很少考慮到鉆井液滲入土層后對(duì)土層性能的改變[2-5]。Bezalel等[6]針對(duì)多孔隙率的砂巖,研究了鉆井液的壓裂和滲透對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響,雖然該研究也是以鉆井液壓力、性能和圍巖作為對(duì)象來研究孔壁穩(wěn)定性,然而由于其研究對(duì)象與HDD所涉及的圍土類型有本質(zhì)的區(qū)別,而且孔徑也存在較大差異,所以其理論和結(jié)果無法直接用于HDD的孔壁穩(wěn)定性分析。Allouche等[7-10]認(rèn)為提高鉆井液性能、選擇合適的孔內(nèi)壓力和回拖力等方面都有利于提高HDD工程中的鉆進(jìn)和擴(kuò)孔效率,但并沒有對(duì)鉆井液壓力以及鉆井液滲透對(duì)孔壁穩(wěn)定性影響進(jìn)行定量研究。史興全[11]對(duì)HDD技術(shù)穿越弱膠結(jié)地層的研究主要針對(duì)鉆井液性能和擴(kuò)孔頭設(shè)計(jì),但忽略從孔壁的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究來提高孔壁穩(wěn)定性[12]。筆者對(duì)HDD擴(kuò)孔過程中鉆井液滲入孔壁對(duì)其塑性半徑的影響進(jìn)行研究。

1 HDD擴(kuò)孔過程孔壁穩(wěn)定性問題簡(jiǎn)化

非開挖水平定向鉆進(jìn)的先導(dǎo)孔和擴(kuò)孔施工中,鉆井液始終充滿鉆孔,以平衡地層壓力,避免塌孔引起卡鉆事故。如果鉆井液壓力遠(yuǎn)小于地層壓力,則可能發(fā)生孔壁失穩(wěn),嚴(yán)重的失穩(wěn)會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)水平定向鉆進(jìn)工程失敗。與此相反,當(dāng)鉆井液壓力大于地層壓力時(shí),將會(huì)引起地面隆起或開裂,導(dǎo)致地表冒漿問題。

擴(kuò)孔過程中孔壁穩(wěn)定性由孔內(nèi)的鉆井液壓力平衡決定,如圖1所示。在鉆孔孔徑較小的情況下鉆井液壓力p1較低,鉆孔周圍土層處于彈性狀態(tài),這種情況下鉆井液對(duì)于土層的滲透力可忽略不計(jì)。如果孔壁周圍土層均勻分布,并進(jìn)一步假設(shè)鉆井液滲透不會(huì)導(dǎo)致土層物理性質(zhì)的改變,則鉆孔孔壁模型可簡(jiǎn)化為彈性力學(xué)模型。淺層的小孔孔壁和完整性較好的弱風(fēng)化巖層孔壁接近于理想的彈性力學(xué)模型,在這種情況下,鉆進(jìn)施工難度較低,孔壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)小,因此本文中只對(duì)彈性力學(xué)模型的孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析。

圖1 HDD鉆孔孔壁受力示意圖Fig.1 Sketch map of forces analysis on HDD borehole

油氣穿越管道均位于河床底部一定深度,設(shè)計(jì)埋深和管道直徑都較大,因此在水平定向鉆進(jìn)擴(kuò)孔過程中地層應(yīng)力和孔內(nèi)的鉆井液壓力較大,在這種情況下鉆孔孔壁的土層應(yīng)力狀態(tài)不能采用簡(jiǎn)單的彈性模型進(jìn)行分析。穿越過程中,當(dāng)管道內(nèi)壓p1超過某一個(gè)值時(shí),孔壁周圍的土體開始屈服,此時(shí)會(huì)在孔壁周圍形成一層塑性圈,但塑性圈以外的土體仍然可以認(rèn)為是彈性狀態(tài)。如果p1繼續(xù)增加或孔內(nèi)的鉆井液泵壓小于孔壁的應(yīng)力,孔壁將會(huì)失穩(wěn)出現(xiàn)坍塌。如果將上述問題進(jìn)行簡(jiǎn)化,則可以將其視為厚壁圓筒問題。

對(duì)于上述情況下鉆孔孔壁周圍的土體,當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變達(dá)到一定極限時(shí),土體將由彈性狀態(tài)進(jìn)入非彈性狀況,如果應(yīng)力應(yīng)變繼續(xù)增加,孔壁出現(xiàn)宏觀裂紋,當(dāng)應(yīng)變超過一定極限時(shí),通常認(rèn)為孔壁出現(xiàn)了失穩(wěn)狀況,并會(huì)導(dǎo)致孔壁坍塌,這種情況下的巖土材料多采用摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,基于莫爾庫倫模型的應(yīng)力解為

式中,σpr為塑性區(qū)域的徑向應(yīng)力；σpθ為塑性區(qū)域的切向應(yīng)力；δc為土的黏聚力；φ為土的內(nèi)摩擦角。

在大直徑HDD孔壁穩(wěn)定性的研究中,一般認(rèn)為當(dāng)孔壁的變形達(dá)到一定極限時(shí),孔壁出現(xiàn)失穩(wěn),因此可以通過研究鉆孔孔壁的位移和受力來判斷孔壁的失穩(wěn)邊界條件。

2 位移和受力分析

2.1 HDD孔壁彈性區(qū)域的位移

水平定向鉆進(jìn)工藝中,小直徑(小于500 mm)孔壁其測(cè)壓系數(shù)接近于1,孔壁上部和下部的土壓力相等；對(duì)于大直徑的HDD孔壁,雖然孔壁的測(cè)壓有一定的變化,但是孔徑與孔深比值非常小,可以將其忽略,因此也可以假設(shè)其測(cè)壓系數(shù)為1。因此,在討論孔壁的穩(wěn)定性模型時(shí),測(cè)壓系數(shù)假設(shè)為1。根據(jù)上述簡(jiǎn)化模型,設(shè)地應(yīng)力為p2,孔壁周圍土體受到均勻的壓力,對(duì)于上述的軸對(duì)稱問題滿足σ1= σθ,σ3=σr。實(shí)際工程中鉆孔長(zhǎng)度與鉆孔截面直徑之比較大,因此又可以將其簡(jiǎn)化為應(yīng)變平面問題進(jìn)行處理,滿足εz=ε2=0。對(duì)于彈性區(qū)的應(yīng)力和位移的軸對(duì)稱可以直接引用平面應(yīng)變軸對(duì)稱結(jié)果,即

式中,σer為徑向應(yīng)力；σeθ為切向應(yīng)力；r為某點(diǎn)的半徑；σR為彈塑性交界面的應(yīng)力。

由于鉆孔而引起的相對(duì)位移可以表示為

式中,μe為由于鉆孔破壞土層平衡而引起的位移；E為圍土的彈性模量。

如果把式(5)中減去原始位移就可以求得由于鉆孔而引起的位移為

2.2 HDD孔壁塑性區(qū)域的位移、應(yīng)變和應(yīng)力

同樣以上述的HDD孔壁穩(wěn)定性問題簡(jiǎn)化的塑性模型為基礎(chǔ)(圖1),根據(jù)軸對(duì)稱問題的幾何方程應(yīng)該有:

式中,εθ為切向應(yīng)變；εr為徑向應(yīng)變。

如果假設(shè)孔壁塑性區(qū)域的體積應(yīng)變?chǔ)舖為零,即

εm=0或εθ+εr=0.(8)聯(lián)立式(7)、(8)可以得到r處得位移和應(yīng)變分別為式中,A為積分常數(shù)。

由εz=0及式(7)可以得到塑性區(qū)內(nèi)等效應(yīng)變?chǔ)舏為

在彈塑性交互面r=b的環(huán)面處得應(yīng)變滿足εi= εc,將其帶入到上式可以得到積分常數(shù)

聯(lián)立式(7)可以得到塑性區(qū)域內(nèi)的位移、應(yīng)變和等效應(yīng)變分別為

式中,εc為彈塑性交互面上的應(yīng)變。

從上述討論的鉆孔孔壁在擴(kuò)孔過程所產(chǎn)生的位移中可以看到塑性區(qū)域的位移量與塑性區(qū)域半徑密切相關(guān),由于砂土層的特殊性,在實(shí)際應(yīng)用中一般認(rèn)為孔壁的塑性區(qū)域位移超過一定的極限孔壁就會(huì)出現(xiàn)部分坍塌或是完全坍塌[9]。因此,HDD擴(kuò)孔過程中孔壁的塑性半徑是孔壁穩(wěn)定的重要因素。

3 塑性區(qū)域的半徑

根據(jù)假設(shè),在彈性區(qū)和塑性區(qū)的交界處,即圖1中左圖中陰影區(qū)域和外部的透明區(qū)域的交界處,應(yīng)該滿足連續(xù)性理論,即該交互面的塑性區(qū)域和彈性區(qū)域的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力應(yīng)該相等,并且其和應(yīng)該等于兩倍的鉆孔外壓p2,即

這里采用選用摩爾庫倫準(zhǔn)則作為彈塑性模型中塑性條件的判斷標(biāo)準(zhǔn),則根據(jù)該準(zhǔn)則塑性區(qū)域應(yīng)該滿足如下關(guān)系式:

將式(9)帶入到式(10)中可以得到:式(14)表明鉆孔孔壁周圍土體的塑性界面上的應(yīng)力是一個(gè)與土的內(nèi)摩擦角和土的黏聚力密切相關(guān)的參數(shù),如果考慮孔壁面上一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài),將r =a代入到式(13)和式(14)中,則可以得到HDD鉆孔孔壁周圍土體的塑性半徑為

如果設(shè)Δp=p2-p1為塑性區(qū)域土體的圍壓和孔內(nèi)鉆井液壓力之差,則有

根據(jù)式(17),如果假設(shè)孔內(nèi)的鉆井液壓力等于孔壁土體的圍壓即Δp=0,則孔壁周圍土體的塑性半徑R是一個(gè)只與土體內(nèi)摩擦角相關(guān)的非常小的常數(shù),并且與土體的黏聚力無關(guān),即在實(shí)際工程中如果能滿足鉆井液壓力等于土體圍壓,則孔壁處于完全穩(wěn)定的狀態(tài),不會(huì)因?yàn)橥翆拥娜躔そY(jié)性而導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)。但是,實(shí)際情況下很難滿足Δp=0的條件,不僅是由于土體的圍壓較難確定,而且孔內(nèi)的圍壓也隨著距離的增加具有一定的壓降,并且在實(shí)際工程中孔內(nèi)壓力也處于一種波動(dòng)狀況,所以孔壁土體的塑性區(qū)域半徑與Δp、土體黏聚力和土體內(nèi)摩擦角都密切相關(guān)。然而水平定向鉆進(jìn)在擴(kuò)孔過程中孔內(nèi)的鉆井液會(huì)滲入到周圍的土體中改變土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角等物理特性,因此隨著擴(kuò)孔過程和擴(kuò)孔級(jí)數(shù)的增加,孔壁周圍土體的塑性半徑也會(huì)隨著改變[13],但是從式(17)中很難直接判斷土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化對(duì)塑性半徑影響的特征,需要通過試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果來分析上述因素相互之間的關(guān)系。

4 試 驗(yàn)

公式(16)和(17)表明HDD孔壁塑性半徑與內(nèi)外壓差、土層的內(nèi)摩擦角和黏聚力相關(guān),而在HDD擴(kuò)孔過程中,鉆井液的滲透會(huì)降低土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力等力學(xué)參數(shù),因此為進(jìn)一步揭示鉆井液滲透對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律,分析土層在鉆井液滲透后的塑性半徑變化情況,設(shè)計(jì)了5組鉆井液含量不同的土樣,分別測(cè)定砂土含不同比例的鉆井液狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度黏聚力和內(nèi)摩擦角的參數(shù)變化,并結(jié)合實(shí)際工程的內(nèi)外壓差變化來計(jì)算孔壁塑性半徑的變化量,分析鉆井液滲透對(duì)孔壁塑性半徑的影響。試驗(yàn)以大直徑HDD常用提黏度的Na-CMC＜鈉羥甲基纖維＞鉆井液配方作為參入鉆井液(優(yōu)質(zhì)造漿膨潤(rùn)土150～200 g,水1.0 L,純堿5～10 kg,Na-CMC 6 kg),分別按5%、10%、15%和20%的體積比加入到砂土中,此外增加一組加入10%純水的樣本對(duì)其進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)測(cè)試通過計(jì)算得到的結(jié)果如圖2所示。

將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),可以得到不同鉆井液含量試驗(yàn)的各種物理參數(shù),如表1所示。

圖2 不同鉆井液含量的砂土土樣的試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Soil testing results of sand with different drilling fluid content

表1 不同鉆井液含量的砂土土樣的土工試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Soil testing results of sand with different drilling fluid content

以中國石油天然氣管道局某穿越工程為例(表2),針對(duì)該項(xiàng)具體工程對(duì)鉆孔孔壁滲入鉆井液的含量進(jìn)行分析,鉆井液的最大泵壓5 MPa,導(dǎo)向孔鉆進(jìn)的鉆井液壓力為4～5 MPa,孔內(nèi)擴(kuò)孔頭處的內(nèi)壓可以達(dá)到4 MPa,根據(jù)該工程的勘察報(bào)告,砂土層位于-8～-33 m,平均容重為182 kN/m3。因此,分別考慮深度為-8、-25、-28和-33 m時(shí)的鉆孔外壓情況,帶入到式(17)中進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。

由于水平定向鉆進(jìn)穿越工程中的孔壁失穩(wěn)多為孔壁坍塌,一般不考慮孔壁壓裂的可能,因此當(dāng)孔內(nèi)內(nèi)壓大于地層外壓時(shí),認(rèn)為孔壁處于穩(wěn)定狀況,該研究對(duì)于上述情況假設(shè)其Δp=0,根據(jù)試樣的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出不同鉆井液含量的孔壁塑性半徑。

由表3可以看出,當(dāng)孔內(nèi)外壓差小于1.0 MPa時(shí),鉆孔周圍土體的塑性半徑隨鉆井液含量的增加塑性半徑呈現(xiàn)出遞增規(guī)律,然而,當(dāng)內(nèi)外壓差過大時(shí),如壓差達(dá)到2.0 MPa,計(jì)算結(jié)果表明即使土體中的鉆井液含量很低,其塑性半徑也異常大,因此在這種情況下可以認(rèn)為孔壁已經(jīng)出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。對(duì)內(nèi)外壓差為0、0.5、和1.092 MPa的情況,采用線性回歸的方法可以找到其塑性半徑和土體中鉆井液含量變化的規(guī)律,如圖3所示。當(dāng)內(nèi)外壓差小于1.0 MPa時(shí),塑性半徑和土體中鉆井液含量為明顯的指數(shù)曲線。

表2 孔內(nèi)壓力與內(nèi)外壓差Table 2 Borehole pressure and pressure difference between inside and outside

表3 孔壁塑性半徑與孔內(nèi)外壓差的關(guān)系Table 3 Relationship between soil plastic radius and pressure difference

圖3 鉆孔孔壁塑性半徑與砂土中鉆井液含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil plastic radius and drilling fluid content of sand

5 結(jié) 論

(1)當(dāng)HDD孔內(nèi)鉆井液壓力和外壓的壓差Δp =0,或孔內(nèi)鉆井液壓力大于外壓即p1＞p2時(shí),鉆孔孔壁的塑性半徑變化非常小,幾乎趨近于一個(gè)定值,因此,在這種情況下土體中鉆井液含量對(duì)鉆孔孔壁的塑性半徑影響并不大。大直徑水平定向穿越工程中的孔壁失穩(wěn)都是由于孔壁坍塌而引起的,而不考慮孔壁由于內(nèi)壓過大而壓裂的情況。

(2)當(dāng)鉆孔的內(nèi)外壓差Δp＜1.0 MPa時(shí),鉆孔孔壁的塑性半徑受鉆井液含量的影響非常大,隨著鉆井液含量的增加而呈指數(shù)級(jí)增加。

(3)當(dāng)鉆孔的內(nèi)外壓差Δp＞1.0 MPa時(shí),鉆孔孔壁的塑性半徑從理論分析值來看非常大,當(dāng)鉆井液含量大于5%體積比的時(shí)候,該理論值甚至超過了實(shí)際工程鉆井液滲透的半徑的影響,因此當(dāng)鉆孔內(nèi)壓較大時(shí),可以將鉆井液的滲透半徑作為鉆孔孔壁的塑性半徑。但是在實(shí)際工程中,在Δp＞1.0 MPa情況下,砂土層一般會(huì)出現(xiàn)孔壁坍塌,因此可以認(rèn)為這種情況下出現(xiàn)的塑性半徑理論值的異常為孔壁坍塌的一種表征。在實(shí)際施工中應(yīng)該通過有效的手段保持孔壁的內(nèi)外壓差小于1.0 MPa。

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(編輯 李志芬)

Effect of drilling fluid penetration on plastic radius of horizontal directional drilling borehole

ZENG Cong1,MA Bao-song1,LIU Hou-ping2

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China；
2.Trenchless Institute Department,China Petroleum Pipeline Research Institute,Langfang 065000,China)

Based on the field data of horizontal directional drilling(HDD)project,theory analysis and sample testing were used to deduce calculation formula of plastic radius in HDD borehole.The testing results were analyzed.The results show that,when the pressure difference is zero or ground pressure is larger than slurry pressure,plastic radius tends to be a constant with little change.When pressure difference is less than 1.0 MPa,plastic radius increases exponentially with the increment of drilling fluid penetration.When pressure difference is more than 1.0 MPa,plastic radius shows an exaggerated range beyond the penetration radius.

drilling；horizontal directional drilling；plastic radius；drilling fluid

TE 21

A

1673-5005(2013)02-0057-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.02.009

2012-04-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074144)

曾聰(1981-),男,講師,博士,在站博士后,從事地質(zhì)工程、非開挖技術(shù)方面的研究與教學(xué)工作。E-mail:zengcong@126.com。