本文關(guān)鍵詞：水平定向鉆擴(kuò)孔器下沉規(guī)律及孔壁穩(wěn)定性研究

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【摘要】：大力建設(shè)油氣長(zhǎng)輸管道是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家能源安全的必然需求;水平定向鉆技術(shù)(HDD)以其施工效率高、成本低及環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),在油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而工程實(shí)踐中,擴(kuò)孔器存在下沉,且形成不規(guī)則孔洞,進(jìn)而引起孔洞坍塌,嚴(yán)重降低了該技術(shù)的高效性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。目前,擴(kuò)孔器的下沉規(guī)律研究較少,且擴(kuò)孔器下沉形成不規(guī)則孔洞的機(jī)理鮮有報(bào)道,以不規(guī)則孔洞為研究對(duì)象開展水平定向鉆孔壁穩(wěn)定性的研究更為鮮見,而這恰是實(shí)現(xiàn)安全高效、低成本水平定向鉆施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,本論文開展了水平定向鉆擴(kuò)孔器下沉規(guī)律及孔壁穩(wěn)定研究,具體開展的研究?jī)?nèi)容和取得的成果如下:(1)開展了擴(kuò)孔器下沉原因的分析。根據(jù)水平定向鉆擴(kuò)孔工藝,分析了擴(kuò)孔器的受力狀態(tài),基于質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和相對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量矩定理,建立了擴(kuò)孔器動(dòng)力學(xué)解析模型,推導(dǎo)了擴(kuò)孔器運(yùn)動(dòng)微分方程,分析得出:擴(kuò)孔器質(zhì)量重和地層的承載能力低是導(dǎo)致擴(kuò)孔器下沉的主要原因。(2)建立了擴(kuò)孔器-巖土系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型,開展了擴(kuò)孔器下沉規(guī)律的研究。研究表明:擴(kuò)孔器存在單級(jí)極限下沉量,為研究不規(guī)則孔洞的形成機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐;擴(kuò)孔器的下沉量隨擴(kuò)孔器的質(zhì)量增大而呈近線性趨勢(shì)增大,但當(dāng)擴(kuò)孔器重力與泥漿浮力的差值大于0.847倍擴(kuò)孔器重力時(shí),擴(kuò)孔器的下沉量達(dá)到極限下沉量;擴(kuò)孔器的下沉量與鉆遇地層密切相關(guān),地層承載能力越強(qiáng),擴(kuò)孔器下沉量越小。(3)建立了 HDD孔洞輪廓的數(shù)學(xué)模型,用于預(yù)測(cè)HDD孔洞形狀;開展了葫蘆形孔洞形成機(jī)理的研究。結(jié)果表明:在擴(kuò)孔器的重力作用下,擴(kuò)孔器對(duì)孔壁下部地層呈月牙形切削,多級(jí)擴(kuò)孔之后,月牙形孔洞疊加形成了葫蘆形孔洞;得到了葫蘆形孔高與擴(kuò)孔器單級(jí)極限下沉量的量化關(guān)系,并進(jìn)行了工程校驗(yàn),誤差在10%以內(nèi),具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。(4)開展了葫蘆形孔洞孔壁穩(wěn)定性研究。建立了葫蘆形孔洞孔壁應(yīng)力場(chǎng)的三維有限元仿真模型,結(jié)合巖土強(qiáng)度理論,對(duì)比研究了圓形孔洞和葫蘆形孔洞孔壁穩(wěn)定性,采用正交試驗(yàn)掌握了各因素對(duì)葫蘆形孔洞孔壁穩(wěn)定性的重要程度。結(jié)果表明..影響葫蘆形孔洞孔壁穩(wěn)定性因素的重要度排序:孔形、泥漿壓力、埋深和巖土重度;且孔形對(duì)葫蘆形孔洞孔壁穩(wěn)定性的影響具有顯著性;擴(kuò)孔級(jí)差越小,擴(kuò)孔次數(shù)越多形成的葫蘆形孔洞,其孔壁穩(wěn)定性越差。(5)防水平定向鉆孔壁失穩(wěn)策略研究。提出了一次多級(jí)擴(kuò)孔施工方法、減輕擴(kuò)孔器重量及采用注漿法改善地質(zhì)條件以減輕葫蘆形孔洞程度等策略,預(yù)防水平定向鉆孔壁失穩(wěn)。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE973.8

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