Nghiên cứu tham số về lực phản tác dụng trên đường ống ngầm được lắp đặt bằng khoan định hướng ngang

Bài viết này xem xét các thông số thiết kế để tính toán lực phản hồi trong phương pháp khoan định hướng ngang (HDD). Một so sánh đã được thực hiện giữa các lực kéo ngược đo được thực tế và các giá trị được tính toán theo lý thuyết cho hơn 50 dự án khoan định hướng ngang HDD.

Ngày đăng: 30-03-2021

765 lượt xem

Nghiên cứu tham số về lực phản tác dụng trên đường ống ngầm được lắp đặt bằng khoan định hướng ngang

Bài viết này xem xét các thông số thiết kế để tính toán lực phản hồi trong phương pháp khoan định hướng ngang (HDD). Một so sánh đã được thực hiện giữa các lực kéo ngược đo được thực tế và các giá trị được tính toán theo lý thuyết cho hơn 50 dự án khoan định hướng ngang HDD. Nghiên cứu chỉ ra rằng lực kéo lùi đo được cao hơn lực tính toán lý thuyết đối với các cài đặt ổ cứng nhỏ, trong khi kết quả bị đảo ngược trong trường hợp các dự án ổ cứng vừa và đặc biệt lớn. Trong số nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lực phản hồi, các giá trị thiết kế cho hệ số ma sát của đất, hệ số cản chất lỏng, mật độ bùn khoan và hệ số ma sát lăn thường được giả định giống nhau trong tính toán cho tất cả các dự án khoan định hướng ngang HDD khác nhau.

Một nghiên cứu tham số đã được thực hiện để chỉ ra ý nghĩa của các giá trị đầu vào thiết kế này trong ước tính lực kéo lùi. So sánh kết quả với lực phản hồi ghi lại thực tế đã đề xuất sửa đổi các giá trị thiết kế dựa trên trường hợp thiết kế cụ thể để nâng cao độ chính xác của các tính toán lý thuyết. Nghiên cứu chỉ ra rằng thứ tự ý nghĩa của các tham số thiết kế thay đổi đối với các nghiên cứu điển hình khác nhau và tác động của một yếu tố đến lực kéo trở lại tương đối độc lập với mức độ của các yếu tố khác.

Phương pháp khoan định hướng ngang của HDD có ba giai đoạn thiết yếu: lỗ khoan thí điểm, chuẩn bị trước và quay lại. Trong giai đoạn kéo ngược, đường ống được lắp đặt phải chịu sự kết hợp phức tạp của nhiều lực khác nhau. Việc ước tính chính xác lực phản hồi là cần thiết trong giai đoạn thiết kế của các dự án khoan định hướng ngang HDD để lựa chọn kích thước ống và giàn sản phẩm phù hợp. Đường ống sản phẩm phải được thiết kế có đủ độ bền để tránh hư hỏng trong quá trình lắp đặt trong khi giàn khoan định hướng HDD phải có khả năng kéo đường ống thành công.

 

Việc ước lượng lực kéo ngược có thể tương đối phức tạp do có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kéo ngược. Các đặc tính của đường ống, hình dạng lỗ khoan, sự tồn tại của bộ kiểm soát lực nổi, tính chất của đất, đặc tính của dung dịch khoan, xử lý ống trên bề mặt và tốc độ kéo lùi là một số trong nhiều yếu tố có ý nghĩa trong việc ước tính lực kéo. Hầu hết các thông tin cần thiết để phân tích lực lượng đều dành riêng cho từng địa điểm, thay đổi tùy theo từng công việc và một số không được biết hoặc khó xác định. Do đó, việc thực hiện các đơn giản hóa và các giả định trong tính toán cho các mục đích thiết kế kỹ thuật là một thực tế không thể tránh khỏi. Chìa khóa để thiết kế tốt các giao diện khoan định hướng HDD là lựa chọn các thông số phù hợp cho từng dự án cụ thể bằng cách sử dụng các giả định hợp lý, mặc dù có nhiều yếu tố không chắc chắn liên quan đến từng dự án.

Phương pháp tính toán lực kéo lùi dựa trên Pipeline Research Council International (PRCI) (J.D. Hair & Associates, 2008) đã được chấp nhận rộng rãi trong ngành vì nó kết hợp các khái niệm tĩnh và động nổi tiếng và áp dụng chúng để sử dụng trong thiết kế ổ cứng. Tổng lực kéo cần thiết để lắp đặt ống được tính bằng tổng các lực cản chuyển động của ống trong các đoạn thẳng và cong của lỗ khoan. PRCI đã đề xuất các phương trình cho các đoạn đường khoan khác nhau khi đường ống được kéo qua mỗi đoạn.

Thiết kế các dự án khoan định hướng ngang HDD là quan trọng đặc biệt đối với các dự án quy mô lớn hơn, nơi bất kỳ sự chậm trễ nào trong việc thực hiện dự án có thể tạo ra cơn ác mộng kinh tế và một thiết kế hiệu quả có thể giúp tiết kiệm đáng kể trong khi giao dự án đúng thời hạn. Bài báo này trình bày kết quả so sánh giữa lực kéo lùi được dự đoán và thực tế đo được cho hơn 50 dự án. Để khảo sát thêm ý nghĩa của các biến đầu vào thiết kế, một nghiên cứu tham số đã được hoàn thành.

Lý thuyết so với Lực lượng kéo lùi được đo lường

Năm mươi bốn dự án khoan định hướng ngang HDD nằm trên khắp Việt Nam đã được chọn để so sánh lực kéo lùi ước tính trên lý thuyết với lực lượng đo được thực tế. Các dự án này được thiết kế, kiểm tra và giám sát trong quá trình xây dựng từ năm 2012 đến năm 2014. Các dự án khoan ngầm liên quan đến việc lắp đặt ống thép đơn có đường kính từ 114 mm đến 1.067 mm. Các vật liệu địa chất dưới bề mặt gặp phải trong các dự án bao gồm đất sét, phù sa, cát, sỏi và đất đá phiến sét, cát kết, bột kết và đá gốc than. Các giàn khoan định hướng HDD có kích thước từ 80.000 lbs (đẩy / kéo) đến 110.000 lbs đối với cài đặt ổ cứng khoan định hướng HDD nhỏ, 140.000 lbs đến 220.000 lbs đối với cài đặt ổ cứng vừa và 330.000 đến 1.100.000 lbs đối với cài đặt ổ cứng lớn.

Tải trọng thực tế của giàn khoan ngầm trong quá trình hoạt động kéo lùi được ghi lại tại hiện trường cho từng dự án. Trong phần lớn các trường hợp, lực lượng giàn khoan tối đa được ghi nhận gần khi hoàn thành kéo lùi. Giả sử rằng lực cần thiết để kéo ống khoan và cụm doa là không đáng kể khi kết thúc lắp đặt, lực khoan thực tế có thể được so sánh với lực lý thuyết cần thiết để kéo ống sản phẩm. Nói chung, đây là một cách tiếp cận thận trọng để so sánh lực phản hồi lý thuyết tối đa được tính toán dựa trên PRCI với tải trọng tối đa của giàn khoan thực tế. Tuy nhiên, do thiếu dữ liệu đáng tin cậy để định lượng lực cần thiết để kéo cụm doa, nên hiện tại không có phương pháp thiết kế nào để ước tính lực kéo giàn định hướng HDD thực tế. Các kỹ sư của HDD ước tính tổng tải trọng của giàn khoan bằng cách thêm các hệ số an toàn vào tính toán lực kéo của họ.

 

Cần lưu ý rằng việc thực hiện cấu trúc ổ cứng là một yếu tố chính ảnh hưởng đến lực kéo ngược. Nói chung, chất lượng tay nghề tốt hơn, thiết bị tốt hơn và thực thi công việc tốt hơn được triển khai cho các cài đặt ổ cứng lớn để giải quyết rủi ro và chi phí cao hơn liên quan đến mỗi dự án. Điều hòa thích hợp của lỗ khoan, nhiều lần doa và tốc độ kéo chậm trong các hoạt động của ổ cứng lớn giúp loại bỏ công việc cơ học quá mức cần thiết để kéo đường ống. Mặt khác, việc làm sạch lỗ khoan kém trong các dự án ổ cứng nhỏ dẫn đến lực bổ sung cần thiết để dịch chuyển các hom đất trong quá trình kéo trở lại. Sự bảo thủ quá mức trong các phương trình PRCI là một yếu tố khác góp phần vào việc đánh giá quá mức lực phản hồi trong các giao cắt khoan ngầm HDD có đường kính dài hơn và lớn hơn.

Độ chính xác của ước tính lực phản hồi có thể được cải thiện bằng cách sửa đổi các giá trị đầu vào thiết kế và hệ số an toàn. Loại dự án, điều kiện bề mặt và chất lượng thực hiện dự án khoan ngầm đều có thể được tính đến trong giai đoạn thiết kế hoạt động của khoan định hướng HDD. Việc lựa chọn cẩn thận các giá trị đầu vào thiết kế là cần thiết để ước tính đúng quy trình kéo ngược thực tế. Phần tiếp theo trình bày phân tích độ nhạy tham số để điều tra sự thay đổi của các giá trị đầu vào thiết kế đối với lực kéo lùi và so sánh các lực ước tính với các phép đo thực tế.

Nghiên cứu tham số

Việc tính toán lực kéo ngược của ổ cứng phụ thuộc vào các thông số khác nhau. Một số thông số này phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể của địa điểm như hình dạng lỗ khoan, điều kiện bề mặt và đặc tính đường ống, và các giá trị đầu vào của chúng thay đổi tùy theo yêu cầu của trường hợp. Tuy nhiên, các thông số nhất định như hệ số ma sát của đất, mật độ bùn khoan, hệ số cản chất lỏng và hệ số ma sát lăn thường được giả định giống nhau cho tất cả các trường hợp. Trong nghiên cứu tham số này, ý nghĩa của các tham số này đối với tính toán lực kéo về được nghiên cứu. Phân tích độ nhạy được thực hiện cho hai nghiên cứu điển hình; đại diện cho các cài đặt khoan định hướng ngang HDD nhỏ và lớn.

Các giá trị và phạm vi điển hình cho các thông số thiết kế đã chọn được thảo luận dưới đây:

i) Hệ số ma sát của đất, µsoil - Thông số này phụ thuộc vào điều kiện đất dọc theo đường khoan mà đường ống được kéo qua. PRCI đề xuất giá trị 0,3 cho các lắp đặt ổ cứng trong đó đường ống được kéo qua một lỗ chứa đầy dung dịch khoan. Đối với nghiên cứu này, một phạm vi giá trị từ 0,2 đến 0,4 được xác định cho tham số này.

ii) Mật độ bùn khoan, Wmud - Thông thường, phạm vi cho mật độ bùn khoan trong ứng dụng khoan ngầm HDD thay đổi từ khoảng 9 ppg (1078kg / m3) đến 11 ppg (1318 kg / m3), xem xét hàm lượng bentonite sạch đến hàm lượng rắn cao hơn. Giá trị bảo tồn là 14 ppg (1678kg / m3) được sử dụng trong nghiên cứu này làm giới hạn trên.

iii) Hệ số kéo chất lỏng, µmud - Hệ số kéo chất lỏng phụ thuộc vào lưu biến chất lỏng khoan, tốc độ dòng chảy, dạng hình khuyên và tốc độ kéo. PRCI khuyến nghị giá trị 0,025 psi cho hệ số cản chất lỏng. Phạm vi từ 0,0025 psi đến 0,0475 psi đã được chọn cho nghiên cứu này. Chi tiết thêm về hệ số cản chất lỏng có thể được tìm thấy trong Faghih et al. (2015).

iv) Hệ số ma sát con lăn, µroller - Tính toán PRCI thường không tính đến ma sát giữa đường ống và con lăn trên bề mặt. Do đó, phạm vi từ 0,0 đến 0,2 đã được chọn cho tham số này.

Lực kéo lùi được tính toán khi mỗi thông số bị lệch khỏi giá trị trung bình của nó. Giá trị trung bình của các thông số là µsoil = 0,3, Wmud = 1400 kg / m3, µmud = 0,025 psi và µroller = 0,1. Các giá trị này thường được sử dụng bởi các kỹ sư để thiết kế các dự án khoan ngầm HDD.

 

Thiết kế các thí nghiệm

DOE là một cách tiếp cận có hệ thống để điều tra một hệ thống hoặc quá trình, trong đó các thay đổi theo kế hoạch được thực hiện đối với các thông số đầu vào để xác định ảnh hưởng của chúng đối với phản hồi hoặc đầu ra. Các tham số quan tâm trước tiên được xác định, sau đó thử nghiệm hoặc phân tích được thực hiện ở một số phạm vi giá trị nhất định, được gọi là 'cao' và 'thấp' đại diện cho cường độ tối đa và tối thiểu của các tham số. Kết quả DOE có thể được sử dụng để hiểu tác động của từng tham số và tương tác của chúng (nếu có) với các tham số khác trên đầu ra.

Thử nghiệm 'mỗi lần một thay đổi' luôn tiềm ẩn rủi ro rằng người thử nghiệm có thể tìm thấy một biến đầu vào có ảnh hưởng đáng kể đến phản hồi (đầu ra) trong khi không phát hiện ra rằng việc thay đổi một biến khác có thể thay đổi ảnh hưởng của biến đầu tiên (tức là tương tác giữa thông số). Điều này là do sự cám dỗ là dừng thử nghiệm khi phát hiện thấy tác dụng đáng kể đầu tiên này. Tuy nhiên, DOE lập kế hoạch cho tất cả các phụ thuộc có thể có ngay từ đầu, sau đó quy định chính xác dữ liệu nào cần thiết để đánh giá chúng, liệu các biến đầu vào có tự thay đổi phản ứng khi được kết hợp hay không.

Đối với nghiên cứu điển hình được mô tả trong bài báo này, các thông số xác định được thiết lập ở hai mức khác nhau (thấp và cao) và sau đó lực phản hồi được tính toán. 2k kết hợp được coi là đại diện cho thiết kế 'giai thừa đầy đủ' trong đó 2 đại diện cho mức của phạm vi, là 'thấp' và 'cao' và k đại diện cho số lượng tham số được chọn là 4 trong nghiên cứu này. Vì vậy, có tổng cộng 16 lần tính toán lực kéo lùi đã được đo ở các kết hợp khác nhau của các thông số xác định ở các cấp độ khác nhau.

Phân tích cho thấy tác động chính của các yếu tố A, B và C có ý nghĩa hơn so với sự tương tác của các thông số như trong Bảng 4. Điều đó đơn giản có nghĩa là tác động của các thông số lên lực kéo ngược tương đối độc lập với mức độ của các thông số khác. các nhân tố. Hệ số cản chất lỏng (thông số C) có tác động cao nhất đến lực kéo ngược đối với ổ cứng vừa và nhỏ trong khi mật độ bùn khoan (thông số B) có tác động cao nhất đối với ổ cứng lớn. Do đó, thứ tự ý nghĩa của các tham số thiết kế khác nhau đối với các nghiên cứu điển hình khác nhau

Kết luận

Việc ước tính lực kéo ngược chính xác rất phức tạp do sự tồn tại của nhiều yếu tố, trong đó một số yếu tố cụ thể và một số không rõ hoặc khó xác định. Do đó, việc thực hiện các đơn giản hóa và các giả định trong tính toán là cần thiết cho các mục đích thiết kế kỹ thuật. Kết quả là, thực hành thiết kế do PRCI khuyến nghị được sử dụng rộng rãi trong ngành. Tuy nhiên, có một loạt các đầu vào thiết kế có thể chấp nhận được có thể được sử dụng trong tính toán lực kéo lùi. Trong thực tế, các giá trị thiết kế của các tham số như µsoil, µmud, Wmud và µroller thường được giữ nguyên bất kể loại dự án nào. So sánh giữa lực kéo được đo lường và dự đoán đã chứng minh rằng việc lắp đặt đường ống lớn hơn ở các đoạn đường ngang dài hơn có thể yêu cầu lực kéo lùi ít hơn trong thực tế so với cách tính toán trên lý thuyết. Tuyên bố ngược có hiệu lực đối với trường hợp đường ống nhỏ và đường cắt ngang ngắn hơn. Các yếu tố khác như vệ sinh giếng khoan thích hợp, chất lượng thực hiện công việc và tỷ lệ kéo lùi là một trong nhiều thông số có thể thay đổi lượng lực phản hồi trong quá trình lắp đặt đường ống.

Một nghiên cứu tham số cho thấy lực kéo ngược thay đổi như thế nào khi các giá trị của đầu vào thiết kế thay đổi. Đối với trường hợp lắp đặt ổ cứng khoan định hướng ngang HDD nhỏ, phạm vi giá trị µsoil, µmud và Wmud cao hơn dẫn đến ước tính gần đúng về tải thực tế. Nghiên cứu đối với việc lắp đặt ổ cứng khoan định hướng HDD lớn đã đề xuất sử dụng các giá trị thấp của µmud và µsoil cho mục đích thiết kế. Phân tích sâu hơn của DOE đã chứng minh rằng tác động chính (đơn lẻ) của các yếu tố là chính trong lực kéo về trong khi tác động của một yếu tố lên lực kéo lại tương đối độc lập với mức độ của các yếu tố khác.

 

Xem thêm Phương án khoan ngầm kéo ống lắp đặt đường ống dẫn xăng

 

CÔNG TY CP TƯ VẤN ĐẦU TƯ VÀ THIẾT KẾ XÂY DỰNG MINH PHƯƠNG

Địa chỉ: Số 28B Mai Thị Lựu, Phường Đa Kao, Q.1, TPHCM

Chi nhánh: 109 Chung cư B1, số 2 Trường Sa, P.17, Q. Bình Thạnh, TPHCM

ĐT: (028) 35146426  – Fax: (028) 39118579 - Hotline 090 3649782