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水平定向钻进技术属于非开挖技术的一种。作为一种不开挖地表进行地下管道铺设的方法,它在20世纪70年代由美国引进到城市地下管线的建设当中。目前在铺设排水管道、供水管道、电信管线、石油和天然气管道、城市集中供暖管道、城市燃气管道以及有线电视网、电力管网等工程中得到了广泛的应用。
蠕变属于流变理论中的一个重要概念。指物质随时间缓慢运动的特性。它重点探讨物质结构与力学性态之间的关系,即建立研究内容的力学介质本构方程,研究物体在外力作用下所发生的变形及应力变化,特别是在与时间因素有关的流变方面,是一门研究材料应力-应变状态随时间因素变化的科学。非开挖水平定向钻进的施工一般是在软土中进行,土体的强度和变形不仅仅取决于有效应力,还与蠕变时间有关,这种现象称之为土的蠕变现象。工程实践表明,土的蠕变现象主要包括:1.蠕变——在恒定的应力作用下,变形随时间增长的现象;2.应力松弛——在保持变形恒定的情况下,应力随着时间逐渐衰减的现象。3.流动——给定时间内的变形速率随应力变化的现象。4.长期强度——在长期受力作用下,岩土体的强度随时间而改变的性能。土的蠕变变形分析分为剪切和压缩两大类。强度分析中主要考虑土体受剪的流变性能,沉降问题则主要研究土体受压时的流变性能。
非开挖水平定向钻进施工中,最常见孔壁稳定性问题就有钻孔的蠕变缩径问题,钻孔的蠕变缩径会导致施工孔径不达标,严重时甚至会导致钻孔的坍塌,在管材的回拖过程中,蠕变缩径会导致回拖抱管现象。孔径不达标、钻孔坍塌、回拖抱管现象轻者会导致增加施工工作量,重者导致钻孔报废或拉断管材,造成重大经济损失。因此对水平定向钻进孔壁蠕变机理分析及钻井实践过程中的对策研究具有十分重要的意义。
本文应用数学、土力学、弹塑性力学,流变学等理论,通过对孔壁的弹性力学分析,弹塑性力学分析,岩土流变学分析,对非开挖水平定向钻进的孔壁蠕变问题进行了较为深入的探讨,并运用岩土工程常用的数值模拟软件FLAC-3D,对孔壁的蠕变缩径现象进行数值模拟分析。通过对比Φ500钻孔和Φ1000钻孔的孔壁应力及位移随时间变化的情况,得到关于水平孔孔壁蠕变缩径的结论。最后针对施工中出现的相关问题,提出一些钻井实践过程中的解决对策。本文的研究结果如下。
总结了国内外非开挖技术、水平定向钻进技术的研究现状及进展趋势,在分析孔壁受力的前提下,运用蠕变理论对孔壁建立了本构模型;通过数值分析技术得出水平定向钻进的孔壁蠕变特性是一个位移随时间变化的过程,且孔壁各点的位移不同,施工过程中应在扩孔完成后尽快安排铺管作业,尽量在钻孔蠕变缩径量较小的情况下完成铺管,因此,施工前应做足准备工作,使各个工序高效的衔接。钻孔孔径越大,孔壁越容易发生蠕变缩径,且钻孔缩径越趋向于不收敛。因此,大孔径的水平定向钻进铺管应特别注意孔壁稳定性问题,应采取有效措施防止孔壁蠕变过快,当风险系数较大时则不宜采用水平定向钻进技术,建议改用微型隧道施工或盾构施工。
在水平定向钻机六参数检测仪的协助下,获取了实例工程中的六个关键的施工参数,通过分析施工参数了解到孔内出现的一些变化以及施工中存在的重点和难点,最后针对非开挖水平定向钻进中存在的一些难点提出三个解决对策(轨迹控制技术,拉管阻力计算技术,高低端泥浆技术)以期达到指导施工优化施工的目的。