管道臺(tái)階穿越數(shù)值模擬計(jì)算分析

常瓊

摘要：通過對(duì)水平定向鉆在管道回拖過程中臺(tái)階穿越模型的建立及理論分析，并利用Abaqus軟件對(duì)臺(tái)階穿越的模型進(jìn)行模擬仿真分析，與理論分析結(jié)果以及實(shí)際工程狀況相符合，具有一定的工程參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆；管道回拖；Abaqus

一、臺(tái)階成因分析

近年來(lái)雖然水平定向穿越技術(shù)在我國(guó)取得了飛躍的進(jìn)步，但是同發(fā)達(dá)國(guó)家比起來(lái)還是存在一定的距離。我國(guó)當(dāng)前正處于水平定向穿越技術(shù)發(fā)展的高潮期，很多情況下對(duì)管道回拖力的計(jì)算都取決于經(jīng)驗(yàn)值，受人為主觀因素的影響較大，理論水平遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際工程需要，因此對(duì)管道在穿越過程中的特性分析尤其是對(duì)回拖載荷的研究就變得尤為重要[1-2]。

圖1 階梯孔示意圖

臺(tái)階是管道在擴(kuò)孔階段擴(kuò)孔器未將堅(jiān)硬的巖石切削干凈或者上孔壁落石而形成的。擴(kuò)孔臺(tái)階的大小也不盡相同，這主要是在穿越軟硬地層交界處是擴(kuò)孔器兩端受力大小不同而產(chǎn)生不同大小的臺(tái)階。當(dāng)前水平定向鉆大多采用回拖擴(kuò)孔，所以當(dāng)擴(kuò)孔器兩端受力不同時(shí)產(chǎn)生的臺(tái)階對(duì)管道的回拖影響大小也不同[3-4]。

首先對(duì)管道穿越臺(tái)階過程進(jìn)行力學(xué)分析，然后在回拖載荷凈浮力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上建立力學(xué)平衡方程，推導(dǎo)出臺(tái)階阻力計(jì)算公式，并進(jìn)行分析得到不同臺(tái)階參數(shù)與臺(tái)階阻力的關(guān)系。并建立管道穿越臺(tái)階的有限元計(jì)算模型，分析計(jì)算管道穿越臺(tái)階過程中回拖力以及管道應(yīng)力的變化規(guī)律，得到臺(tái)階幾何參數(shù)與回拖力以及管道應(yīng)力的關(guān)系。通過分析管道在水平定向穿越過程中回拖載荷的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)管道在鉆孔中穿越的情況，通過計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)管道穿越中是否遇到類似臺(tái)階穿越的情況，由此可保證定向穿越以施工情況及時(shí)調(diào)整工藝，防止穿越事故發(fā)生。這樣可以有效地減低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少施工成本。

二、臺(tái)階阻力計(jì)算模型的建立

（一）模型建立

水平定向臺(tái)階穿越管道在孔壁完好的情況下受重力、浮力、臺(tái)階阻力，鉆機(jī)拉力（回拖力）和管道與孔壁之間的摩擦力。其中鉆機(jī)拉力可近似為：

由于臺(tái)階相對(duì)于管道長(zhǎng)度很小，因此管道在通過臺(tái)階接觸面積基本不變，故摩擦力的變化可以忽略，此時(shí)臺(tái)階阻力是影響管道回拖力的主要因素，其受力情況如圖1所示。管道與臺(tái)階之間的作用力主要與管道重力、浮力以及鉆機(jī)拉力有關(guān)，其中管道重力與浮力的合力為：

假設(shè)管道在穿越臺(tái)階的過程中保持平衡狀態(tài)，此時(shí)受力如圖2所示。

由式（5）中可以看出，臺(tái)階阻力與傾角、管道長(zhǎng)度成正比。而傾角主要與臺(tái)階的曲率和高度相關(guān)，故本研究主要分析不同高度和曲率的臺(tái)階對(duì)回拖力的影響。

又，為接觸點(diǎn)高度，所以臺(tái)階阻力可以表示為：

（6）

三、階梯孔穿越數(shù)值仿真分析

（一）計(jì)算模型及幾何參數(shù)

不考慮管道在回拖過程中可能發(fā)生的旋轉(zhuǎn)，故可建立對(duì)稱模型以縮減計(jì)算時(shí)間，同時(shí)還可在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束避免產(chǎn)生剛體位移。階梯孔穿越網(wǎng)格劃分圖如圖3所示，

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共12076個(gè)網(wǎng)格，臺(tái)階段采用局部加密。本文分析主要研究回拖力隨管道位移變化而變化的結(jié)果，故采用了C3D8R單元。

（二）臺(tái)階高度對(duì)回拖力的影響

臺(tái)階曲率r=0.5m，不同高度h（h=0.1m、0.2m、0.3m）時(shí)的三種階梯孔穿越計(jì)算云圖如圖4所示。

從圖中可以看出，隨著臺(tái)階的增高，管道剛進(jìn)入臺(tái)階時(shí)的接觸應(yīng)力逐漸增大，并且當(dāng)臺(tái)階高度為0.3m時(shí)，管道進(jìn)入臺(tái)階后，接觸應(yīng)力為4.65×105 Pa，大于管道自身的屈服應(yīng)力（4.2×108Pa），管道將產(chǎn)生塑性應(yīng)變。

四、結(jié)論

通過研究現(xiàn)場(chǎng)回拖力工藝中出現(xiàn)的常見工況，重點(diǎn)分析管道穿越臺(tái)階過程中的受力狀態(tài)以及回拖力變化趨勢(shì)，得到如下結(jié)論：

（1）由臺(tái)階阻力計(jì)算公式分析得出： 當(dāng)臺(tái)階高度與臺(tái)階曲率一定時(shí)，管道與臺(tái)階接觸點(diǎn)越高，臺(tái)階阻力越小；當(dāng)臺(tái)階高度與接觸點(diǎn)高度一定時(shí)，臺(tái)階阻力隨臺(tái)階曲率半徑的增大而增大；而隨臺(tái)階曲率半徑與臺(tái)階高度比值的增大，臺(tái)階阻力逐漸減小。

（2）由階梯孔穿越計(jì)算結(jié)果可得到：當(dāng)臺(tái)階高度達(dá)到0.3m以后，管道穿越臺(tái)階時(shí)掛到產(chǎn)生輕微的塑性變形。臺(tái)階高度確定時(shí)，管道回拖力大小隨臺(tái)階曲率半徑的增大而減小。

通過臺(tái)階阻力對(duì)回拖載荷的影響研究，可以根據(jù)回拖載荷的變化趨勢(shì)判斷管道在鉆孔中的穿越情況。如果回拖載荷突然增大然后減小，那么有可能遇到類似管道碰撞事故，同時(shí)可以采取緊急措施防止穿越事故發(fā)生，保證管道安全回拖。

參考文獻(xiàn)：

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