LỰC KÉO TRÊN ĐƯỜNG ỐNG ĐƯỢC LẮP ĐẶT BẰNG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG NGANG

CÔNG NGHỆ KHOAN TRÊN ĐƯỜNG ỐNG ĐƯỢC LẮP ĐẶT BẰNG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG NGANG (HDD) – NGUYÊN LÝ, MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG TRONG THI CÔNG

1. Giới thiệu

Công nghệ khoan định hướng ngang (HDD) là một trong những phương pháp thi công không rãnh hiệu quả nhất hiện nay, được sử dụng rộng rãi để lắp đặt các tuyến ống dẫn khí, ống cấp nước, ống thoát nước áp lực, cáp quang, cáp điện cũng như các loại đường ống kỹ thuật ngầm dưới các chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo. Một trong những nội dung quan trọng nhất trong thiết kế và thi công HDD là xác định lực kéo và lực phản hồi tác dụng lên đường ống trong quá trình kéo ngược lắp đặt. Việc dự đoán chính xác các lực này quyết định tính khả thi của phương án thi công, lựa chọn đúng công suất giàn khoan, thiết kế cấu hình tuyến cong hợp lý và đảm bảo an toàn của ống trong quá trình thi công và vận hành.

Kết quả từ các dự án HDD đã thực hiện cho thấy lực kéo đo được trong thực tế thường không trùng khớp hoàn toàn với lực tính toán theo mô hình lý thuyết. Đối với các dự án HDD quy mô nhỏ, lực kéo thực tế thường lớn hơn lực tính toán, trong khi ở các dự án HDD trung bình và đặc biệt lớn, lực đo được lại có xu hướng thấp hơn. Nguyên nhân chủ yếu nằm ở sự biến thiên của yếu tố địa chất, tính chất bùn khoan, sai lệch trong hệ số ma sát, điều kiện vận hành của đường ống và mức độ đồng nhất của tuyến khoan. Điều này đặt ra yêu cầu cần có mô hình dự báo lực kéo ngược chính xác hơn, có khả năng mô phỏng phi tuyến, biến thiên theo thời gian và phản ánh tương tác thực tế giữa đường ống, lỗ khoan và môi trường xung quanh.

2. Lực kéo trên đường ống được lắp đặt bằng khoan định hướng ngang

Trong thi công HDD, tải trọng kéo ngược đường ống là thông số quyết định đến an toàn và hiệu quả thi công. Lực kéo ngược phải nhỏ hơn giới hạn bền kéo của đường ống, đồng thời duy trì dưới mức cho phép của liên kết hàn, mối nối hoặc phụ kiện kéo. Lực kéo quá lớn sẽ dẫn đến nguy cơ biến dạng đường ống, phá hủy lớp phủ bảo vệ, gãy mối hàn hoặc thậm chí đứt ống trong quá trình thi công.

Lực kéo ngược của đường ống trong HDD là kết quả của tương tác phức tạp giữa ba nhóm yếu tố chính gồm đặc tính cơ học của ống, điều kiện địa chất – thủy lực của lỗ khoan và động học của quá trình kéo. Các quy trình tính toán truyền thống trước đây thường áp dụng mô hình tĩnh, trong đó lực kéo được ước tính dựa trên các hệ số ma sát, lực cản chất lỏng và trọng lượng ống. Tuy nhiên, các mô hình này không phản ánh đầy đủ sự thay đổi lực theo thời gian, tương tác cục bộ giữa ống và thành lỗ khoan, cũng như sự biến dạng của ống khi chịu tải.

Các nghiên cứu gần đây cho thấy lực kéo ngược không phải là một giá trị tĩnh mà là một quá trình động, phụ thuộc vào vận tốc kéo, biến dạng ống, sự thay đổi độ cong theo trục tuyến và chế độ bơm dung dịch khoan. Ngoài ra, tình trạng lỗ khoan, mức độ bám dính cục bộ, hiện tượng mất tuần hoàn hoặc tích tụ bùn trong lỗ khoan cũng góp phần làm tăng lực kéo lên ống.

3. Mô hình mô phỏng lực kéo ngược trong cài đặt HDD

Để nâng cao độ chính xác khi dự báo tải trọng kéo, một mô hình mô phỏng lực kéo ba chiều đã được phát triển dựa trên các phần tử chùm Euler-Bernoulli linh hoạt. Mô hình này tính đến khả năng biến dạng không gian của ống, độ cong ba chiều và tương tác phi tuyến giữa ống và thành lỗ khoan.

Đường ống được chia thành các phần tử nhỏ, mỗi phần tử có đặc tính biến dạng và chịu tải độc lập. Tại mỗi nút, phương trình cân bằng lực được thiết lập dựa trên vị trí tuyệt đối của nút, giúp mô hình có khả năng mô phỏng chuyển động thực tế của ống trong quá trình kéo ngược. Tương tác giữa ống và thành lỗ khoan được mô tả bằng lý thuyết tiếp xúc Hertz phi tuyến, giúp xác định chính xác lực phản hồi tại các vị trí tiếp xúc.

Ngoài ra, mô hình còn tính đến lực cản của bùn khoan, trong đó lực cản nhớt và lực cản quán tính phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của ống trong lỗ khoan. Thành phần lực này có giá trị đáng kể trong các tuyến khoan dài, đặc biệt khi tuyến có độ cong lớn hoặc đường kính lỗ khoan nhỏ hơn so với yêu cầu mở rộng.

Mô hình mô phỏng cũng tích hợp hiện tượng thay đổi ma sát theo thời gian, trong đó hệ số ma sát có thể giảm khi bùn khoan được bơm đủ hoặc tăng lên khi bùn bị mất tuần hoàn, lắng đọng hoặc khô cứng trong lỗ khoan. Việc mô phỏng này cho phép dự báo chính xác các giai đoạn lực tăng đột ngột, từ đó đề xuất chế độ kéo phù hợp.

4. Đánh giá mô hình và kiểm chứng thông qua trường hợp thực tế

Để kiểm chứng mô hình trên, một trường hợp điển hình về lắp đặt đường ống bằng HDD đã được phân tích. Trường hợp này gồm tuyến khoan cong ba chiều, sử dụng ống thép đường kính lớn, lỗ khoan dài và điều kiện địa chất thay đổi theo từng đoạn.

Kết quả mô phỏng cho thấy lực kéo ngược tăng dần theo chiều dài tuyến, đạt giá trị cực đại tại đoạn cong nơi ống tiếp xúc nhiều nhất với thành lỗ khoan. Lực phản hồi tại các vị trí tiếp xúc thay đổi phụ thuộc vào độ cong và lực kích trục tại mỗi phần tử. Mô hình cũng cho thấy mối tương quan giữa áp suất bùn khoan và lực kéo ngược, trong đó sự tăng áp suất bùn giúp giảm tiếp xúc ma sát nhưng đồng thời tăng lực cản thủy lực.

So sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao. Lực kéo cực đại đo được nằm trong phạm vi dự đoán mô phỏng. Đặc biệt, mô hình tái tạo chính xác các thời điểm lực tăng đột biến do lắng tụ bùn, biến dạng ống hoặc thay đổi hướng tuyến.

5. Ứng suất dọc trục và trạng thái làm việc của ống trong quá trình kéo ngược

Trong quá trình kéo ngược, đường ống chịu ứng suất tổng hợp gồm ứng suất kéo dọc trục, ứng suất uốn tại các đoạn cong và ứng suất tiếp xúc cục bộ. Mô hình trình bày ứng suất dọc trục biến thiên theo chiều dài tuyến và đạt giá trị cao nhất tại điểm cong lớn nhất. Ứng suất này phải luôn nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu ống, đặc biệt với ống thép có lớp phủ chống ăn mòn.

Tính toán ứng suất dọc trục được sử dụng để xem xét nguy cơ biến dạng vĩnh viễn hoặc phá hủy lớp phủ bên ngoài. Mô hình giúp xác định chính xác các vùng nguy hiểm, từ đó đề xuất điều chỉnh hướng tuyến, tăng đường kính lỗ khoan hoặc thay đổi chế độ bơm bùn.

6. Ứng dụng trong thiết kế và thi công HDD

Mô hình mô phỏng lực kéo ngược có thể được ứng dụng trong nhiều khâu của dự án HDD gồm thiết kế tuyến, lựa chọn giàn khoan, lựa chọn đường kính lỗ khoan và tối ưu hóa quá trình kéo.

Việc dự báo lực phản hồi giúp lựa chọn đúng công suất giàn khoan, tránh hiện tượng quá tải. Việc mô phỏng tuyến cong ba chiều giúp xác định mức độ cong tối ưu, đảm bảo ống không chịu ứng suất uốn vượt quá giới hạn. Trong thi công, mô hình hỗ trợ lập biểu đồ kéo, xác định tốc độ kéo phù hợp, lượng bùn khoan cần thiết và kiểm soát rủi ro mất ổn định lỗ khoan.

Kết quả mô phỏng cũng là cơ sở lập biện pháp xử lý khi lực kéo vượt giới hạn cho phép, ví dụ tăng áp lực bùn, thay đổi tốc độ kéo hoặc tạm dừng thi công để vệ sinh lỗ khoan.

7. Kết luận

Công nghệ khoan định hướng ngang là giải pháp thi công hiệu quả cho các tuyến ống ngầm vượt chướng ngại vật, nhưng việc đánh giá và dự báo lực kéo ngược luôn là thách thức lớn về mặt kỹ thuật. Việc áp dụng mô hình mô phỏng ba chiều đã mở ra hướng tiếp cận chính xác hơn, phản ánh đúng bản chất động của quá trình kéo ống. Nhờ đó, công tác thiết kế và thi công HDD có thể được tối ưu hóa, đảm bảo an toàn cho tuyến ống, thiết bị và tiến độ dự án.

CÔNG TY KHOAN NGẦM VIỆT NAM

LỰC KÉO TRÊN ĐƯỜNG ỐNG ĐƯỢC LẮP ĐẶT BẰNG KHOAN ĐỊNH HƯỚNG NGANG

1. Giới thiệu

Bài viết này xem xét các thông số thiết kế để tính toán lực phản hồi trong phương pháp khoan định hướng ngang (HDD). Nghiên cứu cho thấy lực kéo ngược đo được cao hơn lực được tính toán lý thuyết đối với các cài đặt HDD nhỏ, trong khi kết quả ngược lại trong trường hợp các dự án HDD 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 HDD khác nhau.

2. Lực kéo trên đường ống được lắp đặt bằng khoan định hướng ngang

Một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của công nghệ Khoan định hướng ngang (HDD) là dự đoán chính xác tải trọng kéo về của đường ống, điều này ảnh hưởng đến các phương án thiết kế dự án, lựa chọn loại giàn khoan và cơ chế kéo lùi để giảm lực cản. Mặc dù một số quy trình hoặc hướng dẫn để dự đoán tải trọng lùi trong lắp đặt đường ống bằng kỹ thuật khoan định hướng ngang (HDD) đã được phát triển, chúng dựa trên các giả định tĩnh và là phương pháp phân tích hoặc thực nghiệm gần đúng. Do bản chất của HDD, việc xác định tải kéo ngược của đường ống là một vấn đề động phức tạp. Bài viết này trình bày một mô hình mới để mô phỏng quá trình kéo ngược đường ống và tính toán số lượng tải kéo ngược đường ống trong cài đặt HDD, trong đó các đường ống được mô hình hóa bởi các phần tử chùm linh hoạt Euler-Bernoulli ba chiều dựa trên công thức tọa độ nút tuyệt đối và sự tương tác giữa các đường ống và bề mặt lỗ khoan/ mặt đất được mô tả bằng mô hình tiếp xúc cục bộ sử dụng lý thuyết tiếp xúc Hertz phi tuyến. Để đánh giá phương pháp được trình bày, một trường hợp điển hình của việc cài đặt HDD được kiểm tra. Giải pháp phân tích của trường hợp ở trạng thái ổn định được rút ra để xác nhận phương pháp đã trình bày. Cung cấp các kết quả số cho các chi tiết hữu ích như lực kéo, lực dọc trục trạng thái ổn định và thoáng qua tại các vị trí khác nhau của ống, và ứng suất dọc trục trong ống trong và sau khi lắp đặt.

HÌNH ẢNH CÔNG TY KHOAN NGẦM VIỆT NAM

Tổng lực kéo cần thiết để lắp đặt đường ống được tính toán bằng tổng các lực cản chuyển động của đường 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.

Tải trọng thực tế của giàn khoan 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 quá trình 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 HDD thực tế.

Các dự án được phân loại thành ba nhóm: HDD nhỏ, HDD vừa và HDD lớn. Sự thay đổi trung bình quan sát được giữa lực lý thuyết và lực thực tế là khác nhau đối với mỗi nhóm. Đối với các cài đặt HDD nhỏ, lực thực tế bị đánh giá thấp hơn 35% so với tính toán lý thuyết trong khi lực lý thuyết cao hơn tải thực tế 26% và 54% đối với cài đặt HDD vừa và lớn, tương ứng.

Thiết kế các dự án HDD đặc biệt quan trọng 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. Để khảo sát thêm ý nghĩa của các biến đầu vào thiết kế, một nghiên cứu tham số đã được hoàn thành. Thiết kế Thử nghiệm (DOE) cũng được sử dụng để nghiên cứu sự phụ thuộc của lực phản hồi tính toán vào các biến thiết kế.

XEM THÊM CÔNG TY KHOAN NGẦM VIỆT NAM TẠI ĐÂY