Rủi ro trong quá trình kéo ống của khoan định hướng ngang

Ngày đăng: 09/04/2021

1339 Lượt xem

0 Đánh giá

Sự thành công của khoan định hướng ngang (HDD) phần lớn phụ thuộc vào sự thành công của hoạt động kéo lùi, khi ống sản phẩm được lắp đặt trong lỗ khoan đã tạo.

Rủi ro trong quá trình kéo ống của khoan định hướng ngang

Sự thành công của hoạt động kéo ống trong khoan định hướng ngang có thể được tăng lên nhờ thực hiện phân tích rủi ro. Các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình kéo lùi, thay đổi từ lực kéo cao đến hoạt động kéo lại chưa hoàn thành và từ hư hỏng nhẹ lớp phủ đến đường ống bị xuống cấp. Bản chất của những vấn đề này liên quan đến sự tương tác giữa đường ống và đất. Tương tác đất của đường ống có thể được định nghĩa là ứng xử kết hợp của đường ống và đất xung quanh về ứng suất và biến dạng. Việc xem xét tất cả các khía cạnh của hành vi đất của đường ống kết hợp đã tạo thành cơ sở của phân tích rủi ro toàn cầu của hoạt động kéo lùi. Bên cạnh các lực tác dụng bình thường cao lên thành lỗ khoan trong trường hợp bán kính uốn nhỏ hoặc lỗ khoan có hình dạng bất thường, sự xuất hiện của các chướng ngại vật và sự mất ổn định của lỗ khoan được xác định là những rủi ro lớn trong quá trình kéo lùi. Việc phân tích rủi ro dẫn đến một loạt các biện pháp giảm thiểu rủi ro cho các cuộc diễn tập định hướng ngang trong tương lai.

1. Giới thiệu

Sự thành công của khoan định hướng ngang (HDD) phần lớn phụ thuộc vào sự thành công của hoạt động kéo lùi, khi ống sản phẩm được lắp đặt trong lỗ khoan đã tạo. Chi phí cho các đường ống bị hư hỏng và chi phí cho các biện pháp bổ sung trong và sau khi hoạt động kéo trở lại có thể là đáng kể. Để giảm chi phí bất ngờ liên quan đến các vấn đề trong quá trình vận hành kéo lùi, cần tiến hành phân tích rủi ro chi tiết. Kết quả phân tích rủi ro có thể được sử dụng để thực hiện một loạt các biện pháp giảm thiểu rủi ro.

2. Bối cảnh

Gần đây, công ty Minh Phương đã xây dựng một đường ống dẫn khí nối mạng lưới phân phối khí đốt của tuyến ống Cái Mép-Phú Mỹ và trạm phân phối khí Phú Mỹ. Một phần của đường ống dẫn khí đốt được xây dựng qua đường TL965 kéo ống D508 bọc ống lồng PVC D630mm. Phần lớn hơn của đường ống dẫn khí được xây dựng trong một rãnh, nhưng một số đường ô tô, đê và sông được cắt ngang bằng phương pháp khoan định hướng ngang.

Trong quá trình kéo ống ở một số điểm khoan ngầm, một số vấn đề đã phát sinh. Các vấn đề thay đổi từ lực kéo cao đến hoạt động kéo lùi không hoàn thành do đường ống bị kẹt và từ các hư hỏng nhẹ của lớp phủ cho đến đường ống bị hư hỏng và đường ống khoan đã xuống cấp. Bản chất của các vấn đề được đề cập là liên quan đến sự tương tác của đường ống.

3. Tương tác đường ống - đất trong quá trình kéo lùi

Tương tác đất trong đường ống được định nghĩa là ứng xử kết hợp của đường ống và đất xung quanh về ứng suất và biến dạng. Trong quá trình hoạt động kéo trở lại, đường ống di chuyển tiếp xúc với thành của lỗ khoan và đẩy với một lực nhất định vuông góc với thành của lỗ khoan. Các lực vuông góc này (lực pháp tuyến) xác định độ lớn của lực cắt theo phương dọc trục trong quá trình kéo trở lại và dẫn đến biến dạng của đất. Sự phân bố và độ lớn của các lực pháp tuyến lên thành lỗ khoan có tầm quan trọng lớn trong tương tác đất của đường ống.

Tương tác đất của đường ống chủ yếu được xác định bởi các khía cạnh sau:

Độ cứng và cường độ ở mức độ nhỏ của đường ống
Độ cứng và sức bền của đất
Xuất hiện chướng ngại vật trong đất
Hình dạng của lỗ khoan theo hướng trục và hướng tâm
Trọng lượng hiệu quả của đường ống
Ổn định lỗ khoan

Đoạn tiếp theo đề cập đến các khía cạnh khác nhau và ảnh hưởng của chúng đối với sự tương tác giữa đường ống và đất.

3.1 Độ cứng của đường ống

Độ cứng của đường ống và ở mức độ nhỏ độ bền của đường ống quyết định phản ứng của đường ống khi uốn cong trong lỗ khoan được tạo ra. Mômen uốn khi khoan uốn theo phương ngang được xác định như sau:

M = EI / R
M = Mô men uốn [kNm]
E = Môđun đàn hồi của vật liệu ống [kN / m2]
I = Mômen quán tính [m4]
R = Bán kính uốn [m]

Độ lớn của mômen được xác định bởi độ cứng (EI) của đường ống và bán kính uốn. Độ cứng cao hơn hoặc bán kính uốn nhỏ hơn dẫn đến mômen uốn cao hơn và do đó dẫn đến lực pháp tuyến cao hơn trên thành lỗ khoan. Vì Độ cứng của ống phụ thuộc vào vật liệu làm ống và mômen quán tính, nên cả đường kính và độ dày thành ống đều là những thông số quan trọng.

Trong trường hợp ứng suất trong đường ống do uốn cong và lực kéo trong quá trình kéo lùi ngày càng tăng, ứng suất chảy của vật liệu làm ống có thể bị vượt quá. Trong tình huống không mong muốn này, sự phân bố ứng suất pháp tuyến trên thành lỗ khoan lệch khỏi tình trạng bình thường.

3.2 Độ cứng và sức bền của đất

Mômen uốn và sự phân bố lực pháp tuyến lên thành lỗ khoan dẫn đến áp suất phản lực của đất. Sử dụng lý thuyết được mô tả bởi Hetényi, có thể rút ra biểu thức sau cho phản ứng đất cực đại:

Qr = 0,322 [λ2 / De] M

Với:

Qr: áp suất phản ứng của đất [kN / m2]
De: đường kính ngoài [m]
M: mô men uốn [kNm]
λ: chiều dài đặc trưng [1 / m]

Cần lưu ý rằng, đặc biệt là ở phần đầu của đường ống (tại chỗ nối với cấu hình ống khoan doa nòng), hiện tượng biến dạng của đất có thể là dẻo. Tính chất dẻo của đất dẫn đến biến dạng không thể phục hồi, do đó có thể dẫn đến sự dịch chuyển của đường ống cứng bên cạnh lỗ khoan đã được tôi luyện trước. Tại thời điểm thay đổi ống khoan tại giàn khoan, lực kéo giảm xuống làm cho ống uốn cong vào thành lỗ khoan. Do độ cứng của đường ống thép cao hơn đáng kể so với đường ống tổng hợp, áp suất phản ứng của đất gây ra do uốn cong cao hơn đáng kể đối với đường ống thép.

Cơ chế biến dạng được mô tả ở trên là lý do cho Brink et. Al để rút ra biểu thức cho bán kính uốn tối thiểu cho hoạt động kéo trở lại của đường ống thép trong một loại đất:

R = C ⋅ √De ⋅ dn

Trong đó:

R: là bán kính uốn nhỏ nhất [m]
De: là đường kính ngoài của ống [m]
dn: là chiều dày danh nghĩa của thành [m]
C: là hằng số phụ thuộc đất [-]

Bán kính uốn tối thiểu có thể được sử dụng cho một thiết kế với sự dịch chuyển tối thiểu của đường ống thép bên cạnh lỗ khoan được tạo sẵn.

Đối với đất mềm, hằng số C có giá trị cao hơn, đối với đất có độ cứng (và cường độ) cao hơn, hằng số C thấp hơn đáng kể.

3.3 Trọng lượng hiệu quả của đường ống

Để giảm lực tác dụng lên thành giếng khoan, đường ống thường được dằn trong quá trình kéo lùi. Trong phần của ổ cứng không có chỗ uốn cong đáng kể, sự phân bố của lực pháp tuyến lên thành lỗ khoan được xác định bởi trọng lượng hiệu dụng của đường ống. Trọng lượng hiệu dụng được xác định như sau:

geff = g - gopw

Với:

gopw = π ⋅ re2 ⋅ γfl

Và

re: Bán kính ngoài của đường ống [m]
gopw: Lực hướng lên của đường ống [kN / m]
g: Trọng lượng của đường ống có balát [kN / m]
γfl: Trọng lượng đơn vị của dung dịch khoan

Từ các phương trình mô tả ở trên, có thể suy ra rằng trọng lượng đơn vị của dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng trong việc dằn đường ống trong quá trình kéo lùi. Cần lưu ý rằng trọng lượng đơn vị của dung dịch khoan phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau:

Khối lượng đơn vị ban đầu của dung dịch khoan
Loại đất mà khoan được thực hiện
Số lượng hoạt động doa
Đặc tính dòng chảy trong lần vận hành doa cuối cùng
Thời gian kể từ lần chuyển vùng cuối cùng
Đặc tính dòng chảy trong quá trình kéo lùi

Có thể, ở một số loại đất nhất định có thể tồn tại một gradient thẳng đứng của trọng lượng đơn vị của dung dịch khoan trong lỗ khoan. Các nghiên cứu thực nghiệm về sự vận chuyển của các hạt đất trong lỗ khoan cho thấy sự tồn tại của cái gọi là 'lớp đệm' trong lỗ khoan.

3.4 Xuất hiện các chướng ngại vật trong đất

Trong trường hợp ổ cứng được đặt trong khu vực có thể tìm thấy các chướng ngại vật như khối và đá tảng hoặc chướng ngại vật do con người tạo ra, sự tiếp xúc giữa các khối và đá hoặc các loại chướng ngại vật khác và đường ống trong quá trình kéo lùi có thể dẫn đến hư hỏng đường ống hoặc hư hỏng lớp phủ của đường ống. Mức độ nghiêm trọng của thiệt hại phụ thuộc chủ yếu vào sự tương tác giữa đường ống và đất (lực tác dụng lên thành lỗ khoan giữa đá tảng và đường ống). Trong các đoạn thẳng của đường khoan, lực bình thường) chủ yếu được xác định bởi trọng lượng hiệu dụng của ống dằn, trong khi ở các đoạn uốn cong, lực này chủ yếu được xác định bởi độ cứng uốn của ống liên quan đến bán kính uốn của đường khoan. .

Các khía cạnh khác xác định độ lớn của lực giữa đường ống và chướng ngại vật là:

Độ tròn của chướng ngại vật
Kích thước của chướng ngại vật
Độ biến dạng của đất mà chướng ngại vật được nhúng vào.

Độ sắc nét hoặc độ tròn của chướng ngại vật tại chỗ tiếp xúc với đường ống có thể được mô tả dưới dạng bán kính bề mặt tối thiểu của chướng ngại vật. Các chướng ngại vật sắc nhọn có diện tích tiếp xúc thấp hơn dẫn đến lực tiếp xúc cao hơn. Tất nhiên, sự dịch chuyển của chướng ngại vật vào đất trong quá trình tiếp xúc với đường ống đóng một vai trò trong sự phát triển độ lớn của lực tiếp xúc. Chuyển vị này được xác định bởi tương tác của đất chướng ngại vật, lần lượt được xác định bởi kích thước của chướng ngại vật kết hợp với khả năng biến dạng và cường độ của đất xung quanh.

3.5 Hình dạng của lỗ khoan theo hướng trục và hướng tâm

Rõ ràng, hình dạng của lỗ khoan đã nung sẵn theo hướng trục (hướng mà đường ống phải được kéo vào) là một trong những khía cạnh chính trong tương tác đất của đường ống. Quá trình khoan phức tạp dẫn đến sai lệch của đường khoan thiết kế trong giai đoạn thí điểm. Sai lệch và các hành động lái dự kiến dẫn đến hiệu chỉnh, thường làm giảm độ lệch đối với đường khoan thiết kế. Tuy nhiên, những hiệu chỉnh này có thể dẫn đến cái gọi là sự bất thường về khoảng cách nhỏ trong đường khoan. Mặc dù cần lưu ý rằng các hoạt động doa có thể có tác dụng làm mịn đường khoan, nhưng không thể bỏ qua sự tồn tại của các điểm bất thường và bán kính uốn 3D nhỏ dọc theo trục của lỗ khoan doa.

Các sai lệch đối với đường khoan thiết kế, vẫn còn sau các hoạt động doa, dẫn đến lực kéo cao hơn trong các hoạt động kéo lùi. Cheng và Polak đã so sánh các lực kéo được tính toán dựa trên một lỗ khoan đã được nung sẵn không đều với dữ liệu từ các thí nghiệm hiện trường và kết luận rằng sự gia tăng lực kéo là đáng kể.

Hình dạng của mặt cắt ngang của lỗ khoan có thể thay đổi trong quá trình doa. Trong loại đất dễ bị xói mòn do dòng dung dịch khoan, kích thước lỗ khoan có thể dễ dàng tăng lên. Trong trường hợp doa nặng hoặc do lực kéo cao trong quá trình doa tương ứng thì đáy lỗ khoan hoặc đỉnh lỗ khoan dễ bị xói mòn hơn. Do xói mòn không đối xứng, một lỗ khoan dài thẳng đứng có thể được hình thành. Hình dạng xuyên tâm của mặt cắt ngang của lỗ khoan có thể ảnh hưởng đến tương tác đất của đường ống theo những cách sau.

Đường kính nhỏ hơn của lỗ khoan ở trên cùng hoặc ở dưới cùng (kích thước doa nhỏ hơn trong các hoạt động doa đầu tiên)

Độ lệch của hình dạng trục của lỗ khoan đối với đường khoan và do đó độ lệch của lực kéo đối với đường ống

3.6 Ổn định lỗ khoan

Sự ổn định của lỗ khoan là yếu tố quan trọng nhất cho sự thành công của hoạt động kéo lùi. Trong trường hợp lỗ khoan không ổn định, tương tác đất của đường ống thay đổi nghiêm ngặt. Trong trường hợp hố khoan bị sập, tải trọng đất rất lớn sẽ tác động lên đường ống. Trong khi sự mất ổn định cục bộ lỗ khoan dẫn đến lực kéo cao hơn, điều này có thể khắc phục được, sự mất ổn định lỗ khoan trên một khoảng cách lớn hơn chắc chắn sẽ dẫn đến đường ống bị kẹt và do đó hoạt động kéo không hoàn chỉnh.

Các thử nghiệm ly tâm về độ ổn định của lỗ khoan trong quá trình khoan định hướng ngang được thực hiện bởi Viehofer et. al. Kết quả của các cuộc thử nghiệm bằng máy ly tâm cho thấy rằng một lỗ khoan thường ổn định trong các loại đất thông thường do cơ chế hình cung. Cơ chế hình cung của lỗ khoan được Meijers và de Kock mô tả. Từ các kết quả thử nghiệm máy ly tâm được suy ra rằng chỉ có áp suất bùn tĩnh đóng vai trò là tải trọng trên đường ống. Thử nghiệm bằng máy ly tâm cho thấy rằng sự ổn định của lỗ khoan có thể đạt được chỉ với áp lực bùn rất nhỏ trong lỗ khoan do sự xuất hiện của hiện tượng uốn cong. Trong thử nghiệm ly tâm và trong tính toán phần tử hữu hạn, người ta thấy rằng việc giảm áp suất của dung dịch khoan dẫn đến sự mất ổn định của lỗ khoan.

Bên cạnh việc giảm áp suất của dung dịch khoan, sự mất ổn định của lỗ khoan có thể do:

Đầu thủy lực tương đối cao trong tầng chứa nước (áp suất nước ngầm cao hơn áp suất tĩnh của dung dịch khoan).
Dung dịch khoan không ổn định do sự keo tụ của huyền phù bentoniet trong nước ngầm mặn hoặc lợ
Một lỗ khoan trong cát lỏng, trong đó ứng suất cắt nhỏ có thể dẫn đến sụp đổ đất xung quanh.
Một lỗ khoan trong loại đất hạt có sự phân bố kích thước hạt đồng đều, do đó không thể xảy ra sự đan xen vào nhau, cần thiết để tạo vòm trong đất hạt.

4. Phân tích rủi ro của quá trình kéo ống

Tương tác đất của đường ống trong quá trình kéo lùi có ảnh hưởng lớn đến sự thành công của hoạt động kéo lùi. Tương tác đất trong đường ống phức tạp có thể được chia thành một số khía cạnh (các quá trình và hiện tượng) đã được mô tả trong các đoạn trước. Việc xem xét các khía cạnh được mô tả được sử dụng để phân tích rủi ro toàn cầu cho các cuộc diễn tập định hướng ngang trong tương lai. Các rủi ro sau được phân biệt:

Lực kéo cao gây ra do dằn sai so với trọng lượng của dung dịch khoan.

Một lực kéo cao gây ra bởi bán kính uốn thiết kế nhỏ. Lực bình thường cao hơn trên thành lỗ khoan và dịch chuyển hướng tâm cao hơn của đường ống trong quá trình kéo lùi cũng là do bán kính uốn thiết kế nhỏ. Các dịch chuyển hướng tâm cao có thể dẫn đến vỡ ống khoan.

Hư hỏng lớp phủ của đường ống do không nhận biết được các chướng ngại vật có nguồn gốc tự nhiên do hiểu sai kết quả điều tra đất.

Hư hỏng lớp phủ của đường ống do xuất hiện chướng ngại vật có nguồn gốc nhân tạo.

Hư hỏng lớp phủ của đường ống do lựa chọn sai lớp phủ của đường ống liên quan đến lực tác động giữa đường ống và các chướng ngại vật.

Lực kéo cao gây ra bởi một lỗ khoan có hình dạng không đều với bán kính uốn 3D nhỏ.

Lực kéo lớn gây ra bởi sự mất ổn định của lỗ khoan do điều kiện đất và nước ngầm.

Lực kéo cao gây ra bởi sự mất ổn định của lỗ khoan do dung dịch khoan được chọn sai.

5. Quản lý rủi ro

Dựa trên các rủi ro đã xác định, một loạt các biện pháp để giảm mức độ rủi ro có thể được thiết lập. Các biện pháp sau đây có thể được thực hiện trước khi khởi động HDD trong tương lai và trong quá trình hoạt động của HDD trong tương lai:

Đo trọng lượng của dung dịch khoan trong các giai đoạn khoan và áp dụng các hoạt động doa bổ sung.

Sử dụng các công thức mới để tính toán bán kính uốn thiết kế.

Điều tra chi tiết về đất với sự chú ý về sự xuất hiện của các chướng ngại vật.

Nghiên cứu lịch sử về sự xuất hiện của con người đã gây trở ngại.

Sử dụng một lớp phủ chắc chắn để ngăn ngừa hư hỏng do tiếp xúc với chướng ngại vật.

Đo hình dạng của lỗ khoan trước khi bắt đầu hoạt động kéo trở lại.

Điều tra chi tiết về đất có chú ý đến sự xuất hiện của sự mất ổn định của lỗ khoan.

Đo nồng độ clorua của nước ngầm trong các lớp đất qua đó tiến hành khoan định hướng ngang.

6. Kết luận

Sự thành công của hoạt động khoan ngầm kéo ống phần lớn phụ thuộc vào tương tác đất của đường ống. Việc xem xét tất cả các khía cạnh của hành vi đất của đường ống kết hợp đã tạo thành cơ sở của phân tích rủi ro toàn cầu. Hình dạng của lỗ khoan trước theo hướng trục, là kết quả của bán kính thiết kế và sự bất thường do hiệu chỉnh lái, có tầm quan trọng lớn đối với sự phân bố lực pháp tuyến vuông góc với thành lỗ khoan. Rủi ro về lực kéo cao và hư hỏng lớp phủ do tiếp xúc giữa đường ống và chướng ngại vật có liên quan đến sự phân bố và độ lớn của lực bình thường. Những rủi ro này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các công thức mới để tính toán bán kính uốn thiết kế và đo hình dạng của lỗ khoan trước khi bắt đầu hoạt động kéo trở lại.

Sự ổn định của lỗ khoan là yếu tố quan trọng nhất cho sự thành công của hoạt động kéo lùi. Rủi ro về sự mất ổn định của lỗ khoan có thể được giảm thiểu bằng cách điều tra chi tiết về đất với sự chú ý đến sự đóng gói và tính đồng nhất của loại đất cũng như đo đầu thủy lực và nồng độ clorua của nước ngầm trong các lớp đất mà việc khoan được thực hiện.

Xem thêm Hỗ trợ quá trình kéo ống ngược với khoan đường ống khí nén