运行
• 管道压力/真空 • 地表水/土壤压力
• 重要假设; 稳定/不稳定钻孔
• 活载 (H2O, Coopers E80, 邻近建筑物)
• 通常在深度上很小， 通常在深度上很小，大于 5 - 10’
孔壁变形
(塑料管道研究所1991年8月)
• 稳定钻孔,无侧边支撑 • 不稳定钻孔
• 管道拱起
载荷计算
– – – – – %∆Db = 环形挠度百分数 fluid = 钻孔中钻液的重量 D = 外径 DR = 管道尺寸比率 E = 弹性模量 (长期HDPE管道的E值为28,200 psi)
– %∆D = 环形挠度百分数 – P = 土壤压力 (P=土壤单位重量* 深度) – DR = 管道尺寸比率 – E = 弹性模量 (长期HDPE管道的E值为28,200 psi)
H = 35 ft. L1 = 100 ft. L2 = 400 ft. L3 = 200 ft. L4 = 270 ft.
ƒs = 0.4 ƒf = 0.25 SGP = 0.95 SGF = 1.5 γw = 0.0361 lb/in3
HDPE 案例续…
• 空管重量 • W空管 = π OD2 (DR-1/DR2) γw SGP 12 in/ft • W空管 = π (242)(11-1/112)(0.0361)(0.95)(12) • W空管 = 61.546 lb/ft
(
)
p = 流体动压力 (典型的范围是4至8psi之间) DH = 钻孔直径 OD = 管道外径 • 钻进和扩孔过程的钻进速度
Pt = 最大钻进速度 V = 孔体积 F = 流量因数 (1 – 5) PR = 泵流量 PE = 泵效率 (%)
V ×F Pt = PR × PE
浮力效应
无浮力时
• 24” DR 17 HDPE • 管道重量 = 43.8 lbs / ft • 泥浆重量 = 泥浆 = 80 lbs / ft3
HDPE
O.D. = 24” DR 17 w.t. = 1.41” I.D. = 24”24”- 2(1.41”) = 21.18”
许应拉力
= 210,000 lbs
• 许应拉力由制造商指定
许应拉力
=
π
4
( 24 142 - 21.18 12.362 ) 1200psi
= 120,000 lbs
安装载荷及压力
HDPE案例续…
• 浸泡在钻液中的管道受到的向上的净浮力 W浮 = π (OD2/4) γw SGF 12 in/ft – W空管 • W浮 = π (242/4)(0.3610)(1.5)(12) – (61.546) • W浮 = 232.417 lb/ft
应力分析
• 一旦所有载荷都计算在内，将进行应力分析 以确保不超过允许应力. • 最大应力通常发生在弯曲，拉伸和外/内压 力共同作用的地方. • 载荷要进行单独分析以及合力分析.
HDPE 回拖力案例分析
OD = 24 in. DR = 11 t = 2.182 in. σ = 10° = 0.1745 radians β = 15°= 0.2618 radians
管道刚度选择
由标准尺寸比例(SDR) 控制的， 控制的， 外径相同内径不同的HDPE管道 SDR = 管道外径 ÷ 管道壁厚
高SDR管 管壁更薄 回拖能力低 低刚度 低SDR管 管壁更厚 回拖能力高 高刚度
HDPE管– 相同外径
管道能力对比
钢管
O.D. = 24” w.t. = 0.45” I.D. = 24”24”- 2(0.45”) = 23.1”
设计方面
• 设计是成功安装的必要条件
– 确定安装步骤 ( 浮力控制) – 确定合适的设备选型
• 使管道失效最小化
– 安装过程中 – 长期运转的(弯曲 )
管道材料
• 钢/球墨铸铁管（ 球墨铸铁管（DIP）
• • • •
线弹性材料 高抗拉强度 高弹性模量 通常需要防腐蚀和防磨损
• 高密度聚乙烯(HDPE)管
无约束挤曲
• 均匀外部压力引起环向压应力
• 对HDPE管 PALLOW =
(Levy’s Eq)
2E (1 - u2 )
1 DR-1
3
fo fr
• 对钢管
fo = 椭圆校正系数 (每3%的挠度对应0.76) fr = 拉伸折减系数 *如果受土壤或泥浆限制，fr用fs (泥浆加强系数)代替，其值对泥浆而 言大约是5 µ = 泊松比 (长期载荷时为0.45; 短期载荷时为0.35) 2
•
浮力
– 当管道浸入钻液时， 当管道浸入钻液时，管内外壁形成 一个外部压力差。 一个外部压力差。这个压差形成的 力使得内壁向外壁方向拱起， 力使得内壁向外壁方向拱起，因而 形成了椭圆状
% ∆D =
0.0125 × P × 100 E 12 × ( DR − 1) 3
0.088× fluid× D × (DR −1)4 ×100 %∆Db = E × DR
Fp = 摩擦力 (拉载荷) 拉载荷) µ = 摩擦系数 (介于管道和泥浆之间时 = 0.25; 介于管道和地面之前时 = 0.4) Wb = 管道上的净向上或向下力 L = 长度
• 弯曲部分摩擦拖拽阻力
Fc = e µq * Fp
Fc = 绞盘效应力 e = 自然对数 (e = 2.71828) Fp = 摩擦阻力 (拉载荷) µ = 摩擦系数 q = 管道弯曲度数, 管道弯曲度数, 弧度
亚利桑那州立大学
工程计算
• 由两种力决定钻机的尺寸
– 回拖力 – 扭矩
• 力计算中的工程参数: 力计算中的工程参数:
– – – – – – – 钻孔的稳定和干净程度 弯曲部分的曲率半径和角度 浮力效应 铺设管道的重量 土壤类型 管道与表面间的摩擦系数 管道与钻孔(钻液)间的摩擦系数
背景
• 两份文献:
钢铁
• 弹性模量 = 2.4 X 107 psi • 安全最小屈服强度 42,000 psi
典型安全拉应力 HDPE MDPE 持续时间 30 分钟 60 分钟 12 小时 24小时 1,300 psi (9.0 Mpa) 1,200 psi (8.3 Mpa) 1,150 psi (7.9 Mpa) 1,100 psi (7.6 Mpa) 1,000 psi (6.9 Mpa) 900 psi (6.2 Mpa) 850 psi (5.9 Mpa) 800 psi (5.5 Mpa)
DR 21 17 15.5 11 9
不受压管道变形 (直径的%) 7.5 7.5 7.5 7.5 7.5
受压管道变形 (直径的%) 7.5 6.0 6.0 5.0 4.0
环形挠度
注意: 在两个计算结果间选择大的挠度值
• 土壤载荷
– 外部压力施加在管道上产生了对管 壁的全面的环向推力， 壁的全面的环向推力，可能会引起 环形弯曲变形
110,000 psi 87,000 psi (800 Mpa) (600 Mpa) 57,500 psi (400 Mpa) 51,200 psi (350 Mpa) 28,200 psi (200 Mpa) 43,500 psi (300 Mpa) 36,200 psi (250 Mpa) 21,700 psi (150 Mpa)
–
《水平定向钻安装管道时涉及的安装载荷和应 力分析》 力分析》
• 形成了美国天然气协会水平定向钻设计指南的基础
–
《用于水平定向钻的聚乙烯管道》 用于水平定向钻的聚乙烯管道》
• 由塑料管材研究所开发的基于HDD的高密度聚乙烯 设计
钻孔计算
• 入口 & 出口 • 钻孔轨迹 • 建立正视图 • 从入口到出口的方位角 • 曲率半径
= 17.5ft 钻液头部深度 如果水用于抵消外部压力
h=
9.8psi ( 144 in2 ft2) 80 - 62.4
= 80ft
回拖力
• 主要组成部分是回拖力 • 由直线和弯曲部分决定 • 由以下组成:
– 摩擦力 – 液体阻力 – 不平衡重力 – 弯曲应力
工程计算
• 直线部分摩擦拖拽阻力
Fp = µ * Wb * L
弯曲部分的绞盘效应力
L
T1
N2
D RA G
0
T2
frict
WsL
直线部分模型
(Huey et al, 1996)RaN来自T1frict01
02 frict2 N2 WsL
DRAG
f ri c t 1 N1
弯曲部分模型
(Huey et al, 1996)
工程计算
• 流体动力
FHK
π 2 = p * * DH − OD 2 8
浮力 =
π D2
4
泥浆 =
π
4
14 ) 2 80 lbs / ft3 2 ( 24 = 251.3 lbs / ft 12
管道重量
= 43.8 lbs / ft
净重 ( Ws ) = 207.6 lbs / ft
浮力 – 管道中使用水
• 24” DR 17 HDPE I.D. = 21.06” 水的重量 =
水平定向钻项目基本工程设计
PALLOW =
2E (1 - u2 ) 1 DR-1
3
fo fr
R
a
N T1
frict
01
02
DRAG
FTOTAL = Ffrict + Fdrag + Ws L Sin 0
frict1 N1
frict2 N2 WsL
Dr. Samuel T. Ariaratnam, 博士， 博士，专业工程师
= 土壤（泥浆/水）单位重量 (pcf)