考虑渗流影响的水平定向钻泥浆压力控制研究.pdf

第55卷第4期2023年8 月DOI:10.15986/j.1006-7930.2023.04.019西安建筑科技大学学报（自然科学版）J.Xian Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.55No.4Aug.2023考虑渗流影响的水平定向钻泥浆压力控制研究王陕郡1-2，胡长明34，朱玉玉，梁慧1-2，杨超1.2（1.陕西华山路桥集团有限公司，陕西西安7 10 0 16；2.陕西正诚工程研究院有限公司，陕西西安7 10 0 16；3.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安7 10 0 55；4.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安7 10 0 55）摘要：为研究在水平定向钻施工中如何合理控制泥浆压力以维持孔周土体的稳定、避免孔壁失稳，基于柱孔扩张理论，同时考虑浆液渗流和强度准则的影响，推导了孔壁周围土体的应力场、位移场和泥浆压力极限值的理论解答，并将理论值与实测值进行了对比分析通过算例，对极限泥浆压力的控制以及渗流、强度准则等因素的影响进行了研究结果表明：渗流对泥浆压力控制影响显著，随着渗透压力增大，泥浆压力极限值减小，孔壁处应力减小、位移增大；不同准则下的泥浆压力极限值差异较大，应根据工程实际情况选择合适的强度准则，避免高估或低估极限泥浆压力；可通过增加膨润土含量和地面注浆等措施来控制泥浆压力的影响。关键词：水平定向钻；泥浆压力；渗流；强度准则；柱孔扩张中图分类号：TU431Study on mud pressure control of horizontal directionalWANG Shanjunl 2,HU Changming 3.4,ZHU Yuyu,LIANG Huil.2,YANG Chaol.?(1.Shaanxi Huashan Road and Bridge Group Co.,Ltd.,Xian 710016,China;2.Shanxi Zhengcheng Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710016,China;3.College of Civil Engineering,Xian Univ.of Arch.&Tech.,Xian 710055,China;4.Shaanxi Key Laboratory of Geotechnical and Underground Space Engineering,Xian 710055,China)Abstract:In order to study how to reasonably control the mud pressure in the construction of horizontal directionaldrilling to maintain the stability of the soil around the hole and avoid the instability of the hole wall,based on thetheory of column hole expansion,while considering the influence of seepage and strength criterion,the theoreticalsolutions of the stress field,displacement field and mud pressure limit value of the soil around the hole wall werederived,and the theoretical values were compared with the measured values.Through an example,the control ofultimate mud pressure and the influence of seepage and strength criterion were studied.The results show that theseepage has significant influence on the control of mud pressure.With the increase of seepage pressure,the limitmud pressure decreases,the stress at the drillhole wall decreases and the displacement increases.The limit valuesof mud pressure under different criteria are quite different.The appropriate strength criterion should be selectedaccording to the actual situation of the project to avoid overestimating or underestimating the limit mud pressure.The influence of the mud pressure can be controlled by increasing the content of bentonite and ground grouting.Key words:horizontal directional drlling;mud pressure;seepage;strength criteria;cylindrical cavity expansion水平定向钻是一种按设计轨迹钻进一个小直径导向孔，再进行多级扩孔直至达到设计所需孔径，最后回拖铺管的非开挖施工技术1-2 在水平定向钻施工中，泥浆起到携带岩屑、冷却钻头、减小摩阻等作用，一定的泥浆压力能够保持孔壁收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 3修回日期：2 0 2 3-0 7-2 0基金项目：陕西省自然科学基础研究计划基金项目（2 0 2 2 JQ-375）；陕西省教育厅专项科研计划基金项目（17 JK0424）第一作者：王陕郡（197 4一），男，本科，高级工程师，主要研究方向为：非开挖工程技术E-mail：w 2 1110 50 8 16 3.c o m通信作者：胡长明（196 3一），男，博士，教授主要研究方向为：地下工程施工技术E-mail：h u.t m 16 3.c o m文献标志码：Adrilling considering seepage effect文章编号：10 0 6-7 9 30(2 0 2 3)0 4-0 6 2 4-0 9的稳定，而不当的泥浆压力会引发工程问题3 当泥浆压力过大时，会导致原有路面起拱隆起、出现裂缝、冒浆等；当泥浆压力过小时，会导致地面沉降过大，孔洞缩径甚至塌孔，严重影响施工效率-5 因此，有必要控制合适的泥浆压力，避第4期免孔壁失稳.为维持孔壁的稳定，一些学者从不同的角度对泥浆压力控制进行了研究分析Duyvestyn 等6 利用FLAC软件模拟土体塑性变形过程，分析了不同泥浆压力的影响，提出应严格控制泥浆压力.Kennedy等7 基于圆孔扩张理论，得出了孔壁发生拉伸失效时的极限泥浆压力Xia8通过试验研究了维持孔壁稳定的最大泥浆压力李斌等9 通过对孔壁进行弹塑性力学分析，提出了最优泥浆压力的概念闰相祯等10 根据穿越过程中泥浆作用机理、泥浆性能以及地层影响，给出了最小需要泥浆压力和最大允许泥浆压力的计算方法遍仲森1、田恒星等12 考虑钻井液和地应力共同作用下，孔周应力重分布导致土体破坏来探讨泥浆压力的合理范围Yan等13 通过分析比较现场实测的泥浆压力数据与数学模型预测的泥浆压力数据找出一种最优模型来预测最大泥浆压力Yan等14 总结了基于不同地层压裂机理对钻孔内最大允许泥浆压力的预测方法可以看出，学者们通过理论、实验和数值方法对泥浆压力控制问题进行了广泛的研究，但在理论层面，并未直接考虑泥浆浆液渗流的影响当浆液入渗到土体的孔隙中，会改变土体原有性质；渗流时产生的渗流体积力和施加的荷载力共同作用于土体，引起土体的应力重分布，进而影响土体的位移和变形15 曾聪等16 利用实验研究泥浆渗入土体引起的土体强度参数的改变，从而研究了扩孔过程中泥浆渗入孔壁对塑性半径的影响付彬等17 借助有限元程序，通过强度折减系数法表征渗流作用，研究了水平定向钻孔壁稳定性问题程远泽18 考虑渗流作用会引起土体软化，引入土体软化系数，推导最大泥浆压力计算公式可以看出，目前有关水平定向钻泥浆压力的研究中针对泥浆渗流考虑的较少，且都是从土体性能的改变去考虑，而从理论角度考虑渗流体积力影响的研究仍存在不足，且并未考虑强度准则效应，而已有研究已表明，岩土材料的屈服、强度准则对其强度分析有较大的影响19.目前，圆孔扩张理论已广泛应用于岩土工程中，定向钻扩孔可简化为无限空间土体中的柱孔扩张问题2 0 因此，本文基于柱孔扩张理论，同时考虑浆液渗流和强度准则的影响，对定向钻扩孔问题进行分析；通过推导柱孔扩张问题的弹塑性解答，得出孔壁周围土体的应力场、位移场和极限泥浆压力的理论计算公式，再由此分析压力王陕郡，等：考虑渗流影响的水平定向钻泥浆压力控制研究PoPo-P塑性区Po图1孔壁力学模型Fig.1Mechanical model of hole wall1.2基本假定针对本文研究内容，作出以下假定：(1)假定土体为各向同性的理想弹塑性材料；(2)采用平面应变条件下常用的8 种岩土强度准则的统一线性方程作为土体的屈服准则2 1；(3)弹、塑性区土体符合小变形假定；（4)假定浆液渗流方向以径向为主，且土体孔隙率和孔隙结构变化微小，认为土体渗透系数不变，2孔周土体弹塑性分析2.1屈服准则张常光2 1 归纳建立了平面应变条件下常用的8种岩土强度准则的统一线性方程，本文采用该统625控制问题并以某工程进行算例分析，探究渗流、强度准则等不同参数对泥浆压力控制的影响为水平定向钻实际施工中的泥浆压力控制提供参考依据.1力学模型及基本假定1.1力学模型定向钻的多级扩孔问题可简化为无限空间土体中的柱孔扩张问题，如图1所示小孔的初始半径r。为设计扩孔半径，孔壁外存在各向同性的初始应力P。，在孔内均匀分布的泥浆压力P的作用下，小孔半径由初始半径r。变为扩孔半径ri当泥浆压力P达到一定值时，孔周土体开始屈服，出现塑性区，随着泥浆压力逐渐增加，渗流力随之增加，塑性区不断扩大，在孔壁周围形成环状的塑性区，塑性区以外的土体仍为弹性状态泥浆压力继续增加，直至增加到极限泥浆压力Pu：以rp表示塑性区半径，则塑性区范围riPu的钻孔区域视为泥浆压力影响区域，通过研究泥浆流变参数对该区域的影响，可从泥浆流变参数角度分析压力控制问题，为施工中配置泥浆提供参考.图7 给出了不同泥浆流变参数下泥浆压力沿远离扩孔器方向的变化情况，并通过与式（31)计算得到的泥浆极限压力值对比，得出了不同流变参数下的泥浆压力影响区域。计算参数取值31 如表1所示.表1计算参数Tab.1Calculation parameters膨润土to/Pa含量/%Pa m30.007012.28926500.018 461221940.008521.94506500.018461221950.010540.45866500.0184612 219西安建筑科技大学学报(自然科学版)5%时，泥浆压力影响区域由8 0.4m减小到了-G-SMP一M-C-UST10.10.2泥浆渗透压力折减系数Pmud/kPam s-1mmmm第55卷从图7 可以看出，当膨润土含量从3%增加至24.4m即增加膨润土含量（即提高泥浆粘度和屈服应力），可以显著减小泥浆压力影响区域，660LP,=634.89kPa640620600EI(24.4m)5800.30.4D/d/一3%膨润土-4%膨润土5%膨润土0.51I(04i4.9m)560540111(080.4m)5205004800图7泥浆流变参数对泥浆压力影响区域的影响Fig.7Effect of mud rheological parameters onmud pressure influence area分析可得，渗透压力和泥浆流变参数分别对泥浆极限压力值和泥浆压力影响区域存在影响，可通过增加膨润土含量来改变泥浆流变参数，提高粘度和屈服应力，以减小泥浆压力影响区域，同时，在泥浆压力影响区域内，可通过地面注浆(32)等方式减小土体的渗透系数，减小渗透压力，提高泥浆压力极限值，避免施工中出现漏浆.5结论(1)随着泥浆压力的增加，径向位移明显增加，泥浆压力从2 0 0 kPa增加至50 0 kPa时孔壁处位移增长了2 5.8 倍以泥浆压力为40 0 kPa为例，考虑渗流作用后孔壁处的径向位移相对增加了27.7%，表明渗流影响不容忽视；(2)泥浆渗透压力的大小对泥浆压力极限值影响显著，泥浆压力极限值随泥浆渗透压力的增大而减小，且考虑渗透压力作用的理论值与实测值相关性更高；(3)强度准则的选取对泥浆压力的计算有较大影响，泥浆压力极限值由大至小依次为UST1准则、G-SMP准则、M-C准则，应根据工程实际情况选择合适的强度准则，避免高估或低估泥浆压力极限值；(4)泥浆压力影响区域与泥浆流变参数存在关联，可通过增加膨润土含量，提高泥浆粘度和屈服应力的方式减小泥浆压力影响区域，同时，在泥浆压力影响区域内，减小土体的渗透系数，可减小渗透压力，提高泥浆压力极限值.50100距离/m150200250300第4期参考文献 References1李志杰，曾聪，杨善，等非开挖水平定向钻钻杆全尺寸疲劳试验研究J地下空间与工程学报，2 0 2 0，16(3):741-748.LI 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