深水噴射法下表層導(dǎo)管靜止時(shí)間與側(cè)向摩擦力關(guān)系模擬試驗(yàn)研究

朱磊 （中海油研究總院，北京100028）

周波，楊進(jìn) （中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

深水噴射法下入導(dǎo)管的研究主要是針對(duì)下入深度確定方法、噴射下入?yún)?shù)［1～6］等方面，偏重于理論分析，相關(guān)模擬試驗(yàn)開(kāi)展的較少。筆者以某深水氣田淺層土質(zhì)參數(shù)為依托，以相似原理為理論基礎(chǔ)，采用小尺寸的鋼管進(jìn)行了導(dǎo)管靜止時(shí)間對(duì)噴射導(dǎo)管側(cè)向摩擦力變化的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了導(dǎo)管黏結(jié)強(qiáng)度與噴射下入導(dǎo)管靜止時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，同現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合度較好。

1 理論基礎(chǔ)及試驗(yàn)方案

1.1 相似原理

考慮幾何相似以及物理相似，試件模型與原結(jié)構(gòu)物之間按照一定的比例，在保持原結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)的基礎(chǔ)上縮小到某一適合試驗(yàn)條件的尺寸，具體包括長(zhǎng)度、直徑等幾何尺寸。按照幾何相似性所確定的尺寸比例，采用現(xiàn)有的API標(biāo)準(zhǔn)管材，以此來(lái)滿足試件材質(zhì)方面與原結(jié)構(gòu)物的一致性，進(jìn)而保證試驗(yàn)的可靠性。

1.2 理論模型

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，表層導(dǎo)管軸向承載力主要由側(cè)向摩擦力和底部端阻力組成。在噴射鉆井過(guò)程中表層導(dǎo)管底部端阻力一般是比較小的（70m深的黏土層能提供的單位樁端承載力尚不足1MPa，且?36in隔水導(dǎo)管截面受力面積僅為0.036m2），在計(jì)算時(shí)可以忽略考慮，所以表層導(dǎo)管的承載力主要取決于側(cè)向的摩擦力。

側(cè)向摩擦力在噴射下入表層導(dǎo)管時(shí)表現(xiàn)為豎直向上，而在拔出表層導(dǎo)管時(shí)表現(xiàn)為豎直向下，且大小基本相等。所以為了便于測(cè)量，模擬試驗(yàn)采用測(cè)量表層導(dǎo)管上拔時(shí)的阻力，將此阻力作為表層導(dǎo)管側(cè)向摩擦力。采用這種方法上拔與下入對(duì)表層導(dǎo)管和土壤之間的黏結(jié)力影響不是很大。

由力學(xué)平衡可推知作用在表層導(dǎo)管上的外力應(yīng)等于套管與黏土之間形成的側(cè)向摩擦力，即：

式中：τf為黏結(jié)強(qiáng)度，Pa；d為表層導(dǎo)管直徑，m；L為表層導(dǎo)管入泥長(zhǎng)度，m；F為界面脫開(kāi)時(shí)的剪切力，N；S為表層導(dǎo)管與井壁的界面面積，m2。

獲得作用在表層導(dǎo)管上的外力F和對(duì)應(yīng)表層導(dǎo)管的入泥面積S，即可求得平均黏結(jié)強(qiáng)度值。

1.3 試驗(yàn)方案

進(jìn)行了2種尺寸鋼管和2種土質(zhì)（黏土、砂土）的試驗(yàn)。某深水氣田淺層土質(zhì)參數(shù)如表1、2所示。

表1 試驗(yàn)黏土參數(shù)表

表2 試驗(yàn)砂土參數(shù)表

1）模擬試驗(yàn)的場(chǎng)地選擇含水區(qū)域的水深0.1m，A區(qū)為砂土，B區(qū)為黏土，A區(qū)模擬試驗(yàn)鋼管編號(hào)分別為1＃、2＃、3＃、4＃，B區(qū)為5＃、6＃、7＃、8＃；A、B區(qū)分別使用?32in和?4in的導(dǎo)管。

2）A、B區(qū)導(dǎo)管位置均分布為兩行兩列，行向上相鄰兩根鋼管之間的樁心距是600mm，列向上相鄰兩根鋼管之間的樁心距是800mm，以此來(lái)降低鋼管下入時(shí)彼此之間擾動(dòng)的影響。為避免邊界效應(yīng)的影響，設(shè)置鋼管距離邊界各為700mm和800mm，如圖1所示。不同編號(hào)的鋼管，設(shè)置不同的靜止時(shí)間節(jié)點(diǎn)。靜止時(shí)間達(dá)到設(shè)定節(jié)點(diǎn)時(shí)，將該根鋼管上拔，并不完全拔出，拔動(dòng)即可，記錄所需的最大上拔力，然后再靜止至下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述過(guò)程，直至設(shè)定的多個(gè)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)完成后將導(dǎo)管完全拔出。

4）A、B區(qū)鋼管互換位置，重復(fù)以上操作過(guò)程。

5）試驗(yàn)中主要記錄如下數(shù)據(jù)：鋼管靜止時(shí)間t，鋼管原長(zhǎng)度l、鋼管外露長(zhǎng)度l1、鋼管入泥長(zhǎng)度l2、導(dǎo)管上拔力Fu。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鋼管長(zhǎng)度為1m，鋼管入泥深度均為0.35m，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、4。

圖1 導(dǎo)管下入位置分布示意圖

表3 3in鋼管在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)記錄

表3 3in鋼管在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)記錄

靜止時(shí)間／h鋼管上拔力／N 平均黏結(jié)強(qiáng)度／Pa黏土 砂土 黏土 砂土2 26 65 266.1 655.3 4 49 120 501.5 1228.3 6 62 197 634.6 2016.4 8 95 278 972.4 2845.5 10 142 296 1453.4 3029.7 12 170 350 1740.0 3582.4 18 196 396 2006.1 4053.2 24 226 435 2313.2 4452.4 36 253 491 2589.6 5025.6 48 287 542 2937.6 5547.6 72 321 571 3285.6 5844.4 96 349 596 3572.2 6100.3

表4 4in鋼管在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)記錄

表4 4in鋼管在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)記錄

靜止時(shí)間／h鋼管上拔力／N 平均黏結(jié)強(qiáng)度／Pa黏土 砂土 黏土 砂土2 30 82 268.6 734.1 4 55 175 492.4 1566.7 6 75 223 671.4 1996.4 8 105 304 940.0 2721.6 10 160 341 1432.4 3052.8 12 190 415 1701.0 3715.3 18 230 465 2059.1 4162.9 24 260 504 2327.7 4512.1 36 285 552 2551.5 4941.8 48 310 595 2775.3 5326.8 72 365 678 3267.7 6069.8 96 405 702 3625.8 6284.7

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖2 3in鋼管黏結(jié)強(qiáng)度與靜止時(shí)間關(guān)系

圖3 4in鋼管黏結(jié)強(qiáng)度與靜止時(shí)間關(guān)系

1）不同尺寸導(dǎo)管拔出時(shí)所施加的上拔力與膠結(jié)時(shí)間、黏結(jié)強(qiáng)度與膠結(jié)時(shí)間都近似成對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著膠結(jié)時(shí)間的增加所需的上拔力和黏結(jié)強(qiáng)度也逐漸增大，但增加的幅度越來(lái)越小，即到達(dá)一定程度后隨著靜止時(shí)間的增加上拔力和黏結(jié)強(qiáng)度緩慢增加。

2）側(cè)向摩擦力是平均黏結(jié)強(qiáng)度和導(dǎo)管入泥面積的乘積，入泥面積不變的情況下，從圖4中可以看出砂土的側(cè)向摩擦力要明顯大于黏土的側(cè)向摩擦力。

3）曲線擬合的殘差與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比很小，基本上符合理論上允許的誤差范圍，因而可以用這些模型去估算實(shí)際的導(dǎo)管所受到的側(cè)摩擦力及平均黏結(jié)強(qiáng)度。

2.3 模型校驗(yàn)

圖4 噴射法下入36in導(dǎo)管側(cè)向摩擦力與靜止時(shí)間關(guān)系

從圖4可以看出，當(dāng)?36in表層導(dǎo)管下入靜止10h后，側(cè)摩擦力達(dá)到了700～1500kN；當(dāng)表層導(dǎo)管靜止48h后，側(cè)摩擦力達(dá)到了1500～2700kN；當(dāng)表層導(dǎo)管靜止72h后，側(cè)摩擦力達(dá)到了1600～3000kN。與施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相符合，說(shuō)明根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所建立的理論側(cè)向摩擦力計(jì)算模型基本符合生產(chǎn)實(shí)踐，因而在以后施工過(guò)程中可以借鑒引用。

表5 深水噴射下入表層導(dǎo)管側(cè)摩擦阻力計(jì)算公式

3 結(jié)論

1）以南海深水淺層土質(zhì)參數(shù)為依托，以相似原理為理論基礎(chǔ)，開(kāi)展了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，采用小尺寸的鋼管進(jìn)行了導(dǎo)管靜止時(shí)間對(duì)噴射導(dǎo)管側(cè)向摩擦力變化的模擬試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了導(dǎo)管黏結(jié)強(qiáng)度與噴射下入靜止時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，同現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合度較好，可以較好地進(jìn)行理論分析與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)。

2）導(dǎo)管拔出時(shí)所施加的上拔力與膠結(jié)時(shí)間、黏結(jié)強(qiáng)度與膠結(jié)時(shí)間都近似成對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著膠結(jié)時(shí)間的增加所需的上拔力和黏結(jié)強(qiáng)度也逐漸增大，但增加的幅度越來(lái)越小，即到達(dá)一定程度后隨著靜止時(shí)間的增加，上拔力和黏結(jié)強(qiáng)度緩慢增加。

3）砂土的側(cè)向摩擦力要明顯大于黏土的側(cè)向摩擦力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地描繪了導(dǎo)管上拔力與膠結(jié)時(shí)間、黏結(jié)強(qiáng)度與膠結(jié)時(shí)間之間形成的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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