[发明专利]一种水平定向钻扩孔级差的确定方法

说明书

本发明涉及一种水平定向钻扩孔级差的确定方法，该方法将前一级扩孔产生的塑性区范围作为下一级扩孔的待切削范围，也就是其塑性区厚度作为下一级扩孔的切削量即扩孔级差。其具体步骤如下：①确定终孔直径；②确定第i级扩孔后弹性区应力分布；③基于摩尔库伦准则，确定第i级扩孔后塑性区应力分布；④确定第i级扩孔后塑性区半径；⑤确定第i级扩孔后塑性区厚度；⑥确定第i+1级扩孔级差，⑦确定第i+1级孔洞半径；⑧将第i+1级孔洞直径与终孔直径比较，若相近，则终止计算过程，确定出扩孔级数。本发明下一级扩孔时，将上一级扩孔产生的塑性区域切削掉，防止产生的塑性区二次加载而导致孔洞坍塌，降低孔洞坍塌的可能性。

技术领域

本发明涉及一种水平定向钻扩孔级差的确定方法，属于非开挖水平定向钻技术领域。

背景技术

水平定向钻是采用安装于地表的钻孔设备，以相对于地面较小的入射角钻入地层形成导向孔，然后将导向孔扩大至所需大小孔洞并铺设管道的一项新兴技术。目前由于其对环境、交通的危害较小，铺管效率高，施工成本低，在社会应用中取得了较好的社会效益和经济效益，被广泛应用于石油天然气管道、市政管道在穿越河流、公路、建筑物等特殊情况下的穿越工程中。

扩孔是定向钻穿越技术的关键技术环节之一，是要将导向孔的直径扩大到待敷设管道管径的1.2～1.5倍(如敷设1016mm的管径其需要扩大到的直径为1219～1524mm以上)。由于受到水平定向钻机的铺管能力、扩孔阻力、泥浆的携岩和运移能力的限制，目前都需要进行多级扩孔，扩孔级差的确定是多级扩孔的基础。

目前，计算水平定向钻扩孔级差的方法有三种：等差数列法；等切削面法；等扭矩法。等差数列法即每级扩孔直径的差值为恒定值，这种方法不宜用于扩孔阻力大和地层较为复杂的情况，且需要根据工程经验确定该差值；等切削面法即每次切削的面积相等，随着孔径的增加，切削所需的扭矩逐渐增大；等扭矩法是工程上应用最多的一种设计方法，即每一级扩孔时钻机的输出扭矩恒定不变，但采用该法时需要事先确定扩孔级数。上述方法在工程应用时，均是基于扩孔工艺参数而定。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有计算水平定向钻扩孔级差的方法不足，提供一种水平定向钻扩孔级差的确定方法，它是基于弹塑性力学、岩土力学理论，用于解决水平定向钻扩孔时孔壁的坍塌的问题。

为解决上述问题，本发明采用以下的技术方案：

本发明一种水平定向钻扩孔级差的确定方法，是以弹塑性力学理论和岩石力学理论为基础而建立。该方法将前一级扩孔产生的塑性区范围作为下一级扩孔的待切削范围，也就是其塑性区厚度作为下一级扩孔的切削量即扩孔级差。其具体步骤如下：

①根据GB50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》，确定终孔直径D：D＝CD_p，其中D_p为待敷管道管径，C为工程经验系数，取1.2—1.5；

②根据弹性力学拉梅解答，确定第i级扩孔后弹性区应力分布；根据孔壁周围岩土体受力模型，利用弹性力学理论，将其简化为厚壁圆筒模型，由拉梅解答得到第i级扩孔后弹性区一点处的应力分布：

τ_rθi＝0 (3)

其中σ_ri为第i级扩孔后弹性区一点处的径向应力，σ_θi为第i级扩孔后弹性区一点处的切向应力；t_rθi为第i级扩孔后一点处的剪应力；p_i为第i级扩孔泥浆静压力；p为地层压力；r_i为第i级扩孔后的孔洞半径；r为弹性区一点处的半径；i取1,2……n-1，n为扩孔级数。