潛孔錘跟管鉆進(jìn)套管斷裂分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張曉光，陳一也

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026;2.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110016)

潛孔錘跟管鉆進(jìn)套管斷裂分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張曉光1，陳一也2

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026;2.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110016)

潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)是解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)的一種有效手段，但在實(shí)際應(yīng)用中存在套管斷裂失效等問(wèn)題。對(duì)套管受力進(jìn)行有限元分析表明，由于套管退刀槽自身尺寸和位置的關(guān)系，導(dǎo)致疲勞破壞。針對(duì)這一問(wèn)題，提出加長(zhǎng)管靴長(zhǎng)度，以減弱沖擊載荷對(duì)套管的影響。對(duì)比改進(jìn)前后的有限元計(jì)算結(jié)果，套管退刀槽處應(yīng)力、應(yīng)變明顯下降，受力狀況得到改善?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)方案切實(shí)有效。

潛孔錘;跟管鉆進(jìn);有限元;結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0 引言

潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)是一種專門針對(duì)復(fù)雜地層鉆探的工藝方法，該項(xiàng)技術(shù)在鉆進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)跟進(jìn)套管，既能保證較高的鉆進(jìn)效率，又能有效防止塌孔、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故［1，2］。目前潛孔錘跟管技術(shù)已成功應(yīng)用于卵石、礫石、堆積等地層的工程鉆探，取得了很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，解決了復(fù)雜地層鉆探這一施工難題［3～5］。

河南欒川鉬礦是我國(guó)重要的鉬礦生產(chǎn)基地。該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層裂隙發(fā)育，加之爆破開采、空區(qū)回填等因素，采用常規(guī)鉆進(jìn)手段進(jìn)行勘探施工很難成孔，孔內(nèi)事故頻繁。為解決該地區(qū)復(fù)雜地層鉆探問(wèn)題，將潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)引入。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，跟管技術(shù)有效解決了該地區(qū)進(jìn)尺困難鉆進(jìn)效率低、地層破碎不易成孔、沖洗介質(zhì)漏失等問(wèn)題，取得了很好的應(yīng)用效果。但同時(shí)也存在一些問(wèn)題，其中在跟管鉆進(jìn)過(guò)程中套管斷裂失效問(wèn)題最為突出。針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)套管受力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，并提出優(yōu)化方案，借以改善套管工作條件，提高使用壽命。

1 套管斷裂問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在跟管鉆進(jìn)過(guò)程中，套管隨鉆下入孔內(nèi)一定深度后，套管與管靴螺紋連接處發(fā)生斷裂，造成管靴脫落，無(wú)法繼續(xù)跟管施工。個(gè)別地層跟管3～5 m即發(fā)生管靴脫離現(xiàn)象。從套管斷口可以看出，斷裂的位置位于套管螺紋根部管壁最薄處(見圖1)。

圖1 套管斷裂實(shí)物照片

潛孔錘跟管鉆進(jìn)中，鉆頭偏心塊打開時(shí)的成孔直徑大于套管直徑，從理論上說(shuō)套管依靠自重即可完成跟管，但由于孔壁的坍塌和振動(dòng)密實(shí)，使套管與孔壁的側(cè)摩阻力大于套管自重，必須依靠沖擊器的振動(dòng)夯管才能實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆達(dá)一定深度后，會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)和跟管不同步的現(xiàn)象。這說(shuō)明，隨著鉆進(jìn)深度的增加，套管外壁摩擦力逐漸增大，最終鉆進(jìn)速度高于跟管速度，套管完全依靠沖擊作用跟進(jìn)，這種高頻沖擊造成了套管工作條件的惡劣。同時(shí)，由于退刀槽處厚度較小又距離管靴凸肩較近，是破壞最易發(fā)生的位置。

2 有限元數(shù)值模擬

位于孔內(nèi)的套管和管靴受到周圍地層摩擦力和沖擊載荷作用，套管發(fā)生軸向變形?？蓪⒄麄€(gè)系統(tǒng)視為在軸向拉力作用下發(fā)生拉伸變形(見圖2)，從套管結(jié)構(gòu)可以看出位于螺紋根部退刀槽處管壁最為薄弱，該位置所受應(yīng)力最大。

圖2 套管、管靴受力示意圖

為了更直觀地了解套管內(nèi)的受力狀態(tài)，采用有限元法模擬套管在鉆進(jìn)中的受力情況，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。

2.1 建立管靴、套管三維模型

跟管鉆進(jìn)中，套管與管靴作為一個(gè)整體隨鉆下入孔內(nèi)，套管與管靴螺紋連接，考慮到破壞發(fā)生在螺紋根部，所以建模時(shí)將套管與管靴生成為一個(gè)零件，取消兩者間的螺紋，但保留螺紋根部的退刀槽。為了便于觀察計(jì)算結(jié)果，將套管和管靴沿軸向切開，只生成半個(gè)模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用套管、管靴實(shí)際尺寸，建立幾何模型(見圖3)。

圖3 管靴與套管幾何模型

2.2 設(shè)定材料和劃分網(wǎng)格

將模型材料設(shè)置為合金鋼，其彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比 μ =0.28，屈服強(qiáng)度 σs=620 MPa。根據(jù)模型尺寸選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格精度，生成網(wǎng)格。

2.3 施加約束和邊界條件

位于孔內(nèi)的套管和管靴在沖擊作用下，主要發(fā)生軸向變形。因此對(duì)套管內(nèi)壁施加固定約束，套管外表施加圓柱面上約束，在整個(gè)模型的軸向截面上施加對(duì)稱約束。在管靴凸肩面上施加軸向載荷，模擬沖擊力，大小為90 kN。

2.4 計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算結(jié)果表明(見圖4、5):當(dāng)管靴凸肩受到軸向載荷時(shí)，管靴受到較大的壓應(yīng)力載荷;由于套管退刀槽處壁厚較小，沿套管壁出現(xiàn)一個(gè)拉應(yīng)力圈，這與實(shí)際套管斷裂位置相同;整個(gè)模型所受最大應(yīng)力為70.7 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.484×10－4。分析認(rèn)為，孔內(nèi)的套管在孔壁摩擦力的作用下有保持靜止的趨勢(shì)，而管靴在沖擊器的沖擊下有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，兩者間的作用力通過(guò)螺紋傳遞，而在退刀槽處的套管管壁最薄，受力能力最差，最易破壞。套管所受的最大應(yīng)力小于套管材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明單次沖擊并不能造成套管斷裂，其破壞是由多次沖擊累加的疲勞破碎造成的，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖4 改進(jìn)前模型應(yīng)力分布圖

圖5 改進(jìn)前模型應(yīng)變分布圖

3 管靴結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為防止套管在鉆進(jìn)中的斷裂破壞就必須改善套管螺紋退刀槽處的受力狀態(tài)。通常的方法可以增加套管壁厚，然而由于鉆具間的尺寸配合關(guān)系，套管壁厚尺寸的增加幅度有限，改善應(yīng)力狀態(tài)的作用有限，同時(shí)單獨(dú)加工厚壁套管成本也較大。另外一種方法是將套管易破壞位置移離受力區(qū)，即通過(guò)加長(zhǎng)管靴將管靴凸肩下移(見圖6)，通過(guò)加長(zhǎng)凸肩至退刀槽的距離，減弱沖擊載荷的影響，該種方法較易實(shí)現(xiàn)，加工成本也較低。

圖6 改進(jìn)后套管、管靴幾何模型

為了驗(yàn)證加長(zhǎng)管靴的可行性，對(duì)改進(jìn)后的管靴和套管再次進(jìn)行有限元分析。

由圖7、8的計(jì)算結(jié)果可知，改進(jìn)后套管受力狀態(tài)明顯改善，應(yīng)力、應(yīng)變值顯著降低，而應(yīng)力區(qū)主要集中的管靴前部，應(yīng)力、應(yīng)變最大區(qū)域位于管靴凸肩上，分別為102.7 MPa和2.672×10－4。改進(jìn)后最大應(yīng)力區(qū)發(fā)生變化，整個(gè)模型的應(yīng)力、應(yīng)變值與改進(jìn)前有所增加，這是結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的結(jié)果。雖然管靴凸肩處應(yīng)力增大，但主要為壓應(yīng)力，并且仍遠(yuǎn)小于管靴的屈服強(qiáng)度，同時(shí)管靴壁厚較大抗破壞能力強(qiáng)，改進(jìn)后的工作性能優(yōu)于改進(jìn)前。在管靴凸肩和套管退刀槽上任取一點(diǎn)，對(duì)比改進(jìn)前后的應(yīng)力、應(yīng)變值(見表1)。由表1可知，改進(jìn)后套管退刀槽處Mises應(yīng)力由 31.5 MPa降低至 0.007 MPa，對(duì)等應(yīng)變由1.468 ×10－4降低為4.458 ×10－8。

圖7 改進(jìn)后模型應(yīng)力分布圖

圖8 改進(jìn)后模型應(yīng)變分布圖

表1 改進(jìn)前后的應(yīng)力、應(yīng)變值

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)套管有限元分析可知，由于套管退刀槽處自身尺寸和位置的關(guān)系，導(dǎo)致其在多次沖擊載荷作用下發(fā)生疲勞破壞，為保證套管工作的可靠性必須改善套管受力狀況。通過(guò)加長(zhǎng)管靴長(zhǎng)度，減弱了沖擊載荷對(duì)套管的影響，對(duì)比改進(jìn)前后套管的有限元結(jié)果，套管退刀槽處應(yīng)力狀況得到明顯改善，應(yīng)力主要集中在管靴的凸肩處，有效提高套管的使用壽命，保證了鉆進(jìn)的持續(xù)性?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，使用改進(jìn)后的管靴，跟管深度明顯提高，平均深度＞20 m，改進(jìn)方案可行、有效。

［1］趙建勤，李子章，石紹云，等.空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(7):55 －59.

［2］張澤業(yè)，唐雪云.影響空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)速度和跟管深度因素的分析［J］.西部探礦工程，1997，(9):58 －59.

［3］張新德，白永勝，楊宇明.空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)在卵石地層中的應(yīng)用效果［J］.西部探礦工程，2001，(4):96.

［4］劉士虎，盧文閣.偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)在砂礫石層中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)裝備，2006，(4):37 －39.

［5］計(jì)勝利，張勇，張育柏.潛孔錘跟套管技術(shù)在擋土墻加固工程中的應(yīng)用［J］.世界地質(zhì)，2001，(6):206－208.

Failure Analysis and Structure Improvement of DTH Drilling with Casing

ZHANG Xiao-guang1，CHEN Yi-ye2(1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China;2.Shen Kan Engineering ＆Technology Corporation，China Metallurgical Group Corporation，Shenyang Liaoning 110016，China)

DTH drilling with casing is an effective means to deal with drilling in complex strata.However，the case is usually broken in practical application.Based on the finite element analysis，it is the relation between size and position of case tool escape that causes the case fatigue damage.To solve this problem，pipe shoe was lengthened in order to weaken the impact on case.Compared to the original design，stress and strain of the improved case were dramatically declined with force status greatly improved.The results of field test indicate that the improving scheme is practical and effective.

DTH;drilling with casing;finite element;structure improvement

P634.5

A

1672－7428(2011)10－0043－03

2011－02－21;

2011－04－25

張曉光(1961－)，男(漢族)，吉林人，吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，地質(zhì)工程專業(yè)，從事多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究及地質(zhì)勘探工作，吉林省長(zhǎng)春市西民主大街6號(hào)，zhangxgjd@163.com。