一种水平定向钻扩孔级差的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设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】
[0002] 水平定向钻是采用安装于地表的钻孔设备，W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桐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。
[0003] 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1219~1524mmW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。
[0004] 目前，计算水平定向钻扩孔级差的方法有Ξ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，运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】
[0005] 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±力学理论，用于解决水平定向钻 扩孔时孔壁的巧塌的问题。
[0006] 为解决上述问题，本发明采用W下的技术方案：
[0007] 本发明一种水平定向钻扩孔级差的确定方法，是W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：
[000引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0:0 = CDp，其中Dp为待敷管道管径，C为工程经验系数，取1.2-1.5;
[0009] 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± 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：
[0010]
(1)
[0011]
(沿
[0012] Trfi = 0 (3)
[001引其中0ri为第i级扩孔后弹性区一点处的径向应力，oei为第i级扩孔后弹性区一点 处的切向应力山Θ功第i级扩孔后一点处的剪应力;P功第i级扩孔泥浆静压力;P为地层压 力;ri为第i级扩孔后的孔桐半径;r为弹性区一点处的半径;i取1，2……n-l，n为扩孔级数。 [0014]③基于摩尔库伦准则，确定第i级扩孔后塑性区应力分布;应力应变达到一定极限 时，孔壁周围岩±体由弹性状态进入弹塑性状态，基于摩尔库伦强度模型，得到第i级扩孔 后塑性区的应力分布：
[0017]其中，Opri为第i级扩孔后塑性区域一点处的径向应力；Ορθι为第i级扩孔后塑性区 域一点处的切向应力;8。为±的粘聚力；<?为±的内摩擦角，r为塑性区一点处的半径。
[0018] ④根据弹性区、塑性区交界处满足连续性理论，确定第i级扩孔后塑性区半径;弹 性区应力与塑性区应力的交界处(r = R)满足连续性理论，即弹性区径向应力等于塑性区 径向应力Opri，弹性区切向应力〇0i等于塑性区切向应力〇p0i。则有：
[0019] 〇ri+〇0i =化= Opri+〇p0i (6)
[0020] 由公式(4)、（5)和(6)能够得到芬纳公式：
[0021]
(7)
[0022] 式中Ri为第i级扩孔后的塑性区半径。
[0023] 考虑实际情况，引入修正系数β来确定最终的塑性区半径，即为Ri' = (l+i3)Ri。其 中，Ri'为修正后的第i级扩孔后的塑性区半径。
[0024] ⑤根据塑性区半径，确定第i级扩孔后塑性区厚度;确定塑性区半径之后，用公式 Spi = Ri'-r巧得塑性区厚度：
[0025]
(8)
[0026] 其中，δρι为第i级扩孔后塑性区厚度;Ri '为修正后的第i级扩孔后的塑性区半径;β 为修正系数，取0.1-0.3;ri为第级扩孔后的孔桐半径;Ρ功第i级扩孔泥浆静压力;Ρ为地层 压力;S。为岩±的粘聚力；取为岩±的内摩擦角；i取1，2……n-1，n为扩孔级数。
[0027] ⑥将第i级扩孔后的塑性区厚度δρι作为第i+1级扩孔级差，确定第i+1级扩孔级差， 即第i+1级的扩孔切削厚度。即得：
[0028]
(9)
[0029] 其中，δι+ι为第i+1级的扩孔级差，切削厚度。
[0030] ⑦确定第i+1级孔桐半径，第i+1级扩孔级差确定W后，孔桐半径由公式rw = Sw+ r巧得，孔桐直径由公式Dw =化W可得。其中功第i+1级扩孔后的孔桐半径，Dw为第i+ 1级扩孔后的孔桐直径。
[0031] ⑧将第i + 1级孔桐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;若第i+1级孔桐直径远小于终孔直径，则重复步骤②一⑧），当孔桐直径Dw与终孔直径D 相接近时，停止计算过程，确定扩孔级数η，即合理的确定出下一级扩孔级差。
[0032] 本发明的优点在于：1.本发明W弹塑性力学、岩石力学为理论基础的水平定向钻 扩孔级差的确定方法，发挥水平定向钻钻孔孔壁周围岩±体的力学性能;2.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桐巧塌，降低 孔桐巧塌的可能性，为工程上提供了一种可靠可行的水平定向钻扩孔级差确定方法。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明一种水平定向钻扩孔级差的确定方法的流程图；
[0034] 图2为本发明计算弹性分布的钻孔受力图；
[0035] 图3为本发明计算弹性分布的钻孔平面应变模型图；
[0036] 图4为图3左视图；
[0037] 图5为本发明钻孔后弹性区、塑性区分布示意图，其中为孔桐，r〇<r<R为塑性 区，Ri<r<RE功弹性区，r>貼功未影响区;r = ri为孔壁，r = Ri为弹性区与塑性区交界。
[0038] 具体实施方法
[0039] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
[0040] 如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明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;其具体的步骤如下：
[0041 ] 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0:0 = CDp，其中Dp为待敷管道管径，C为工程经验系数，取1.2-1.5;
[0042] W下步骤②~步骤⑧W推导第2级扩孔级差为例，假定钻遇岩±体为理想弹塑性 体，侧压系数为1，形成的塑性区为一等厚圆环且与钻孔同屯、。
[0043] ②计算第1级扩孔后弹性区应力解:考虑实际工程，将其简化为平面应变问题，钻 孔周围岩±体受力模型、厚壁圆筒模型；如图2所示和如图3所示，根据弹性力学理论推导， 得到孔壁周围岩±体的一点处应力状态可W表示为：
[0047]其中为第1级扩孔后弹性区一点处的径向应力，ΟΘ1为第1级扩孔后弹性区一点 处的切向应力；trei为第1级扩孔后一点处的剪应力;P1为第1级扩孔泥浆静压力;P为地层压 力;ri为第1级扩孔后的孔