管道臺階穿越數(shù)值模擬計算分析

常瓊

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

關(guān)鍵詞：水平定向鉆；管道回拖；Abaqus

一、臺階成因分析

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

圖1 階梯孔示意圖

臺階是管道在擴(kuò)孔階段擴(kuò)孔器未將堅硬的巖石切削干凈或者上孔壁落石而形成的。擴(kuò)孔臺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產(chǎn)生的臺階對管道的回拖影響大小也不同[3-4]。

首先對管道穿越臺階過程進(jìn)行力學(xué)分析，然后在回拖載荷凈浮力計算方法的基礎(chǔ)上建立力學(xué)平衡方程，推導(dǎo)出臺階阻力計算公式，并進(jìn)行分析得到不同臺階參數(shù)與臺階阻力的關(guān)系。并建立管道穿越臺階的有限元計算模型，分析計算管道穿越臺階過程中回拖力以及管道應(yīng)力的變化規(guī)律，得到臺階幾何參數(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)測管道在鉆孔中穿越的情況，通過計算結(jié)果預(yù)測管道穿越中是否遇到類似臺階穿越的情況，由此可保證定向穿越以施工情況及時調(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，減少施工成本。

二、臺階阻力計算模型的建立

（一）模型建立

水平定向臺階穿越管道在孔壁完好的情況下受重力、浮力、臺階阻力，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：

由于臺階相對于管道長度很小，因此管道在通過臺階接觸面積基本不變，故摩擦力的變化可以忽略，此時臺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)管道在穿越臺階的過程中保持平衡狀態(tài)，此時受力如圖2所示。

由式（5）中可以看出，臺階阻力與傾角、管道長度成正比。而傾角主要與臺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階對回拖力的影響。

又，為接觸點高度，所以臺階阻力可以表示為：

（6）

三、階梯孔穿越數(shù)值仿真分析

（一）計算模型及幾何參數(shù)

不考慮管道在回拖過程中可能發(fā)生的旋轉(zhuǎn)，故可建立對稱模型以縮減計算時間，同時還可在對稱面上施加對稱約束避免產(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)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共12076個網(wǎng)格，臺階段采用局部加密。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）臺階高度對回拖力的影響

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

從圖中可以看出，隨著臺階的增高，管道剛進(jìn)入臺階時的接觸應(yīng)力逐漸增大，并且當(dāng)臺階高度為0.3m時，管道進(jìn)入臺階后，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)場回拖力工藝中出現(xiàn)的常見工況，重點分析管道穿越臺階過程中的受力狀態(tài)以及回拖力變化趨勢，得到如下結(jié)論：

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

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

通過臺階阻力對回拖載荷的影響研究，可以根據(jù)回拖載荷的變化趨勢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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