水平定向钻扩孔器下沉规律及孔壁稳定性研究

发布时间：2017-12-06 11:19

  本文关键词：水平定向钻扩孔器下沉规律及孔壁稳定性研究

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【摘要】：大力建设油气长输管道是我国经济可持续发展和国家能源安全的必然需求;水平定向钻技术(HDD)以其施工效率高、成本低及环境扰动小等优点,在油气长输管道建设中得到了广泛应用。然而工程实践中,扩孔器存在下沉,且形成不规则孔洞,进而引起孔洞坍塌,严重降低了该技术的高效性、经济性和环境友好性。目前,扩孔器的下沉规律研究较少,且扩孔器下沉形成不规则孔洞的机理鲜有报道,以不规则孔洞为研究对象开展水平定向钻孔壁稳定性的研究更为鲜见,而这恰是实现安全高效、低成本水平定向钻施工的关键环节。因此,本论文开展了水平定向钻扩孔器下沉规律及孔壁稳定研究,具体开展的研究内容和取得的成果如下:(1)开展了扩孔器下沉原因的分析。根据水平定向钻扩孔工艺,分析了扩孔器的受力状态,基于质心运动定理和相对质心的动量矩定理,建立了扩孔器动力学解析模型,推导了扩孔器运动微分方程,分析得出:扩孔器质量重和地层的承载能力低是导致扩孔器下沉的主要原因。(2)建立了扩孔器-岩土系统的动力学仿真模型,开展了扩孔器下沉规律的研究。研究表明:扩孔器存在单级极限下沉量,为研究不规则孔洞的形成机理提供数据支撑;扩孔器的下沉量随扩孔器的质量增大而呈近线性趋势增大,但当扩孔器重力与泥浆浮力的差值大于0.847倍扩孔器重力时,扩孔器的下沉量达到极限下沉量;扩孔器的下沉量与钻遇地层密切相关,地层承载能力越强,扩孔器下沉量越小。(3)建立了 HDD孔洞轮廓的数学模型,用于预测HDD孔洞形状;开展了葫芦形孔洞形成机理的研究。结果表明:在扩孔器的重力作用下,扩孔器对孔壁下部地层呈月牙形切削,多级扩孔之后,月牙形孔洞叠加形成了葫芦形孔洞;得到了葫芦形孔高与扩孔器单级极限下沉量的量化关系,并进行了工程校验,误差在10%以内,具有一定的工程实用价值。(4)开展了葫芦形孔洞孔壁稳定性研究。建立了葫芦形孔洞孔壁应力场的三维有限元仿真模型,结合岩土强度理论,对比研究了圆形孔洞和葫芦形孔洞孔壁稳定性,采用正交试验掌握了各因素对葫芦形孔洞孔壁稳定性的重要程度。结果表明..影响葫芦形孔洞孔壁稳定性因素的重要度排序:孔形、泥浆压力、埋深和岩土重度;且孔形对葫芦形孔洞孔壁稳定性的影响具有显著性;扩孔级差越小,扩孔次数越多形成的葫芦形孔洞,其孔壁稳定性越差。(5)防水平定向钻孔壁失稳策略研究。提出了一次多级扩孔施工方法、减轻扩孔器重量及采用注浆法改善地质条件以减轻葫芦形孔洞程度等策略,预防水平定向钻孔壁失稳。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE973.8

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本文编号：1258415