石油钻采新工艺与设备.docx
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石油钻采新工艺与设备
在冰川上的钻机车轮许用载荷研究
詹姆斯Oswell咨询有限公司,Naviq罗素Stancliffe、帝国的油;Coutts加拿大有限;罗恩,充满热情 维克Karambelkar公司;创新和马克木、皇家石油加拿大有限
版权2011年,技术会议 本文是为颁奖典礼举行的会议北极技术在美国德克萨斯州休斯顿市会前二月2011年。
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文摘
可观的、广阔的阿拉斯加,加拿大和俄罗斯已经解冻的苔藓的地形。
一个广阔的研究旨在瞭 季节性冰冻厚度的确定需要承受重钻苔藓车辆荷载。
这项研究包括领域 测试和收集的冷冻苔藓样实验室测试来评估工程性质的冰冻 苔藓,insitu测试的苔藓和潜在的矿产的土壤中,和数值模拟的一个冰冻的苔藓层服从 加载重型钻探设备。
本文报告了数值模型来评估其承载力的轮子 上覆一层薄层冰冻解冻微弱（非零强度）的阶层。
车轮的承载能力的评估冰封的苔藓是考虑几个失效机制。
为剪切破坏 模式进行了有限元模型被用来预测土壤和苔藓变形并评估其对安全系数的失败。
对于一个冲切破坏,安全系数的估计同失败由封闭解。
结果 表现为一系列的图表的安全系数的凝固层厚度与数量的平均凝固层的优势。
一个单一的加载方案是考虑,一辆满载的钻机组成的总重量的62000公斤。
介绍
大型钻井和支援车辆经常能超过5万公斤总量的车辆的重量与需要特别许可去旅行 在一些道路在一年中的部分。
在许多地区旅行的好地点,钻孔和表面由柔软和虚弱 土壤有机层,或限制访问所有车辆前往冬季时期地面冻结。
的容量 土壤或有机层,以支援车辆是名义上的一种功能的厚度和强度的表层,群众 的车辆。
如果接入要求这个地形可考虑使用人员能进行理性的方式来然后 更好的规划和配置设备和资源。
本文评述了研究来确定所需的季节性冰冻厚度的苔藓被要求支持重 钻车辆荷载。
更广泛的研究包括了现场测试与收集的冷冻苔藓样的实验室测试 评估工程性质的冰冻苔藓,insitu测试的苔藓和潜在的矿产的土壤中,和 数值模拟的一个冰冻的苔藓层受加载重型车辆。
研究的目的是为了全面 开发一个领域的潜力评价的方法确定承载力muskegs有机土壤冻结等。
这项研究的假设,冷冻苔藓是underlain物质和一些低,但博奕论、土的剪切强度。
允许车轮荷载冷冻基质的Emperical方法
承载在冰上的轮胎
图1的陷阱不考虑其承载能力的凝固层。
金（1971）文件加载 作为旅行表面的冰车辆。
他的工作被认为是导致失败的负荷冰层的代表,因此这些价值观 限制的价值观。
“绑定值较低的“黄金代表所提供的安全装载的标准,对冰,而“上” 捆绑的终极价值可以代表或失败的荷载工况。
·凯斯（1976年）提出了允许负荷的轮子 车辆在淡水的冰,一种基于弹性理论分析,结合了安全系数的2.0。
冰的承载能力的实证研究,定量可由方程1。
P=Cz2
（1）
P=承载力,在单位的基质的质量和重量 C=恒定依赖的材料,其工程性质
Z=厚度的底物,在单位的长度
一个图形总值的车辆荷载对冰层的厚度是一个指数曲线时,预报算法坐标 当预报log-log直线的规模。
图2展现了总车辆荷载与冰的厚度,从而为各种各样的指导方针 研究人员和政府机构,并在算术上的坐标。
表1提供价值参数C从 金（1978年）。
图1。
道路车辆的冰B-train突破麦肯兹河卡车上,2000年1月。
道路被评为冰 车辆可以达到4000公斤,但完全负荷重约6万公斤（撞上相片而杰夫菲利普,西北 领土;使用许可）。
表1。
总结冰荷载参数。
负载条件下
负荷参数、C（Kg/㎡）
非策划和通往冰层
冰层策划和监测
35000
140000
冰载荷指南如图2所示,那些列在表1可能或合并一个的安全边际 安全系数。
如上所述,黄金是（1971）上界代表一个可能的失败条件关系对冰 加载。
黄金是（1971）下界对应到曲线完全·凯斯（1976年）建议,包括的因素 安全的2.0版本。
比较上边界和推荐的负荷限制关系（1971年）,金的一些 定性分析的安全系数,可以作出估计大约有4。
射程的安全系数的从2 4保持一致,为了保证公共安全的需要,但它应该认识到,现在有大量的 影响变量在玩耍的冻结其承载能力的材料,如冰和苔藓。
加载的冷冻苔藓——以前的研究
加载的冷冻泥炭苔藓）underlain（由一个软基体、Shoop方程证明（1995）提供的格式 1对干燥泥炭方程（含水量小于3倍）,以及由干重的泥炭（水湿,内容以500%800% 干重）。
表2列出了负荷参数的“C”的被应用在等式一。
表2。
总结冷冻苔藓荷载参数（从Shoop,1995）。
负载条件下
负荷参数、C（Kg/㎡）
负荷参数
湿泥炭（含水量对800%倍）
0.35
0.86
35600
87700
1995年）,美国Shoop,0.5米的冷冻苔藓所需的事物来支持大多数重型设备（如D-7推土机）。
1.oop:
干燥泥炭2政府不能省的指南3战术L-74政府不能对西北地区的指南
5
图2。
总车辆荷载对冰层的厚度:
天然的规模
限制和影响因素的经验关系冷冻的力量
任何实用车辆荷载对凝固层总厚度的关系,在提供的形式在等式一考虑 只有凝固层的厚度。
然而,其承载能力的冷冻材料复杂得多比所暗示的 单变量的方程。
其承载能力也与力量;强度的材料,如许多冻结 冰、土壤和苔藓是一个函数的大量的变量包括
作文（密度、空气含量、有无掺合料）
温度
盐度
加载速率（应变）
冻结物料的组成有显著影响在它的强度。
冰冻的力量会被认为是一种 光谱,在另一端基岩冰在另一端。
但即使是在相同的材料集团（例如,冰, 苔藓,细粒土、粗粒土,代表着四种不同的资料群）也有一个谱,其他人那里 作曲的成分也会被考虑到。
空气含量的材料已经有明文规定来影响力量; 混凝土抗压强度的平方成反比,孔隙度和空气含量（内维尔,1981年）。
同样的,清晰的, 兰色冰要比透明的白色冰块,不同的是空气含量的影响。
因此,在考虑 冻结强度的苔藓、知识的空气含量可能是重要的。
冷冻容重的资料所涉及的是空气含量或气孔中材料的,对于给定的体积, 随著空隙的密度通常被替换为水和水的迁移与矿物材料。
如果水是 而流离失所的有机材料,有比重小于平均数、密度将下降。
加载的方向 和其他因素可能会决定是否有变化的强度下降的密度。
抗压强度的冻结 材料通常会上升冻僵的容积密度的增加而增加。
冰和水含量的力量会影响矿产和有机土壤冻结。
冰是一个函数的内容 温度;不是所有的水在0°土壤冻结C,但是将会冻结温度范围内,根据粮食 大小的物质。
粘性土解冻的内容可能会有多达40%的温度在-5°C。
砾石会 只有很少的水在-5百分之解冻°C。
解冻的水分含量的泥炭和苔藓已被发现是一个 初始含水量的功能。
作为一个百分比的初始含水量、泥炭可能有大约25%到30% 在-5°解冻的含水量C（Gravriliev,2004年）。
这种行为的重要性在于当冰是能够支撑 车辆荷载作用下,水就不多,并且在气温接近冰冻一个可观的苔藓水分可能是在 而不是形式的水冰。
除了空气和水,还有多种其它掺合料的强度是影响冻结物料。
正如 具体包括着粗集料比砂砂浆独自一人,存在一些粒子被冻结 岩层中的力量。
领域的经验表明,而冻沙可能是贯穿于钻钻,一个 砂石混合冷冻可能穿过的。
在场的情况下,对有机材料（如粗纤维完整的木头 粒子）,也许会增加强度比其他的有机物质是完全分解。
冻结物料的温度装载时,有一个戏剧性的影响的承载力。
Sayles （1966）记录温度的效果在无侧限抗压强度和冰块,风沙强度的矿物 似乎可以提高土壤和冰在附近的温度指数率范围从0°C-50°C到附近,然后可水平 关掉。
MacFarlane同类实验室测试（1968）在苔藓表明,结构强度的提高减小 温度。
比较冷冻解冻土体强度,对本潜力力量收益可在冻结。
（1977）进行Roggensack强度试验时,在相同的土壤和冷冻解冻-1.1°C的约。
表3的概念,提出了一种 总结的强度参数。
而作为摩擦角（φ'）都是相似的,冷冻样本,解冻 冷冻样品表现出显著增加有效衔接拦截。
表3。
为解冻和强度参数,Roggensack冻粘土（1977年）。
实验条件
摩擦角φ’（°）
凝聚力拦截,c’（kPa）
解冻
冷冻，测试温度-1.1℃
26.5°
29.8°
7
138
下降,材料的脆性增加。
Andersland和5（1994）的一份报告声称, 热脆化的功能可能是解冻的含水量,通常是更大的在细粒土比粗糙 细粒土,在相同温度下。
如上所述,泥炭可能也会有相当可观的解冻的含水量、哪个 可能会导致更少的脆性行为苔藓展出作为装运温度下降,与之相比,细粒 土壤。
海水盐度的冰、土壤和有机材料具有很重要的意义,特别是在北极地区的世界。
许多土壤和有机材料可能含有相当可观的大量的盐份。
盐分含量的影响是下陷 水的冰点的内的材料。
降低的冰点°C每部分大约0.06每千（PPT） 的盐。
因此正常海水盐度32岁的大约在-1.8PPT°C结冰
一个冰冻的材料强度的平方成正比加载速率。
strength-strain率的行为的冻结 类似于矿产土壤和Ladyani多晶硅冰块（Andersland）,2001年。
冷冻泥炭和苔藓可能展现同样的 行为。
短期的强度可多达十倍的长期蠕变强度。
在对车辆交通 冷冻地形的变形速率预计将相对高（约一个数量级速度比最高 Andersland蠕变率和Ladyani进行（1994））。
对冷冻的表面材料失效机制
两种失效模式被认为是在本研究中,一般的剪切破坏和冲切破坏。
这些是说明 图3。
一般的剪切破坏都通过对数学模型的方式评估;冲切破坏是由 封闭形式解,基于薄板理论。
图3。
说明一般剪力和冲切破坏模式,并对负荷的冻结物料上覆软的或变形 材料。
Shoop（修改而成,1995年）。
通过数值模型的剪切破坏
数值模型被用来检查的行为受到冷冻苔藓层,由一辆重型汽车加载 隶属于一个剪切破坏。
在该数值模型并没有任何先验的决心的失效模式;它可能是一位将军 剪切破坏或某些变化》,制定本办法。
其最常见的失效模式为冰原是由拉断破坏,这种模式作为一个 一般的剪切破坏的简化图3所说明的潜在材料具有零剪切强度。
该数值模型用于此研究是西格玛/W,一个商业有限元应力应变计划研制而成 国际Geo-Slope卡尔加里。
模型被用于各种各样的岩土工程问题,并允许输入 常见的岩土强度参数,如抗压强度和弹性性质,如杨氏模量。
这 从计算应力σ/W随后被输入对边坡/W,另一个Geo-Slope国际性的计划,就完成了 一个极限平衡分析和计算的安全系数的特殊的加载的情景
图4目前的原理图和加载轴配置建模研究细节。
图5的概念,提出了一种 典型的有限元网格的表示轴加载于地面的表面。
轴荷载宽度为二维平面- 应变分析计算基于轴重、轴长度和轮胎的压力。
例如,在一个轴载的 18800公斤（等于30%的62,500公斤）,以2.6米轴长度及700kPa（100psi）轮胎压力、宽度的应用 轴重是0.10米
分析了计算进行了检查而造成的二维plane-strain变形分析比较 从轴对称与计算应变分析。
在轴对称分析单一轮胎被认为是和 应力和变形计算。
结果从没有报道的轴对称分析是在这里,而值得一提的 变形而产生的,对整个plane-strain分析二维单轴只是略大于 分析为一个单一的轴对称加载条件下的轮胎相同负荷每轮胎。
因此二维plane-strain 因为它的选择是首选的建模提供了灵活性,以模型不止一个轴及有稍微更多 保守的比轴对称模型。
在每个应力分析、节点位移（变形）和有限元应力计算。
这一点是很重要的。
需要指出的是,应力分析提供相关信息本身不稳定的系统,它只提供信息 对于整体的变形和应力状态,地面各有限元。
每个有限上的应力状态 元素是一个应力张量,提示下主应力与办学定位在二维空间。
元素应力做 元素提供的一个迹象,特别是和经历过“忍让。
计算的稳定性进行了计算就失败使用极限平衡分析作为执行 边坡/W。
计算了极限平衡分析的安全系数的为一个旋转的滑动面,在考虑了静 均衡的一系列非零长度从地面垂直切片表面滑动面。
应力沿滑倒 那些是计算表面进行了应力分析西格玛/W。
每个边坡极限平衡分析过程中考虑/W数百到成千上万的审判滑动面,找到了滑动面 有最低安全系数的。
计算的安全系数的土壤之比抗剪切力沿滑倒 表面的驱动力所引起的应用轴重。
几何,沿滑面上的一部分是弧围成一个圈 在某一特定的旋转点为中心。
后一个圆形的滑动面有最小安全系数的发现,在决赛 是由临界滑动面,提出了一种优化技术,应用蒙特卡罗变异点沿滑动面 去探索和寻找其他可能的非圆滑动的表面,会有较低的安全系数的比最初的临界循环 滑动面。
这种分析的结果的确定滑动面有一个最小安全系数的的 指定加载的情况。
数值模型的情景
总车辆的重量假定该研究中的62,500公斤。
荷载的分布呈辐射状一台大型拖拉机- 拖车系统是相对一致的车辆和个人之间的最大轴载荷的公路旅行是governedby法规在每一个政治的司法管辖权。
表4给出了典型分布的运费和车辆荷载重 军事撞上单位（部的军队,1997）。
图5。
的例子为数值模拟有限元网格的冰面加载
表4。
轴向载荷分布作为总额的一定比例的车辆的重量（部军队,1997）。
轴的数量
每根轴携带的车身的重量
轴数
1
2
3
4
5
6
5
6
14
8
21
22
21
22
22
16
22
16
16
后面的两轴滚筒中心上的负荷范围很广,从16%到22%取决于总数的轴。
在这项研究中,选择了它。
保守的假设,向后退两轴的车辆每人携带总值30%的车辆荷载。
后面的两轴的钻机车辆均分为8个轮胎在每个轴与一个中心到中心 四、1.2米的分离。
约700人的kPa胎压。
轮胎有联系的宽度大约为0.2米。
负荷每 轮胎是大约2,350公斤,或接触压力的115kPa/m宽度、应用作为两个狭长的负荷间隔1.2米分开。
因为个人轮胎沿着道轨他们之间有一个空间,相当于“连续性”带钢宽度必须加载 计算。
在这项研究中,在等效荷载宽度大约0.1米（比计算荷载宽度为0.2米 单一的轮胎）。
改革的一项重要的输出数值模拟是为不同的厚度负荷数据的冷冻苔藓层。
在这项研究中,三个冷冻苔藓厚度都纳入考量,特别0.2,0.4米,每underlain和0.6由解冻 苔藓。
根据分析结果,为该项目的实验室试验和文献之回顾,以强度和弹性 性能的一个范围冻结苔藓,合理的材料特性被认为是结冰的苔藓。
这些范围 随后被用来识别在输入参数的敏感性并提供一系列的输出方面的压力和吗 变形行为的冰冻苔藓层。
表5和表6的冷冻和解冻目前强度参数应用于数值模型。
恒定体积 单位重量的750公斤/方是用于所有苔藓的材料。
表5冷冻苔藓强度参数
杨氏模量
含水层压 强度
冷冻凝聚力拦截，c’（Kpa
摩擦角
1000
1000
2000
2000
2000
5000
5000
40
100
200
200
400
400
600
20
50
100
100
200
200
300
25
25
25
25
25
25
25
表6。
解冻的苔藓输入参数（·罗,出乎意料之外,Soderman,1984年）。
杨氏模量
（Kpa）
含水层压 强度（Kpa）
不排水剪切 强度（Kpa）
凝聚力拦截的具体情况,（Kpa）
摩擦角（°）
150
40
20
2
25
结果-Shear数值模型的失败
图6例变形算法,提出了一种有限元网格的加载下的两轴滚筒中心在冷冻苔藓 以力量的0.6米厚的“=100kPac=25°,φ”。
在这种场合下,看到它的表面是挡开了大约0.5米 与一些向上位移的资料在肩膀上的负荷区（见图6）中箭头。
形状的变形 网格是非常相似的形状呈现在图3说明了通用剪切破坏。
从每个计算应力分布的被用在了应力分析的极限平衡分析计算的因素 安全滑的表面,产生于轴加载对冷冻苔藓。
图7和8字形现在例两 极限平衡分析,既为一个凝固层厚度的0.4米与一个相对薄弱的凝固层强度的c= 50kPaφ=25°,”。
这两个数字显示,两个深、浅滑动面可以发展,虽然在这两种情况下 安全系数的显著大于1。
图7显示考试的临界滑动面是垂直的, 出口点（显示在右边的3.8米呈辐射状）。
比较了变形网格物体在图6显示在距离 地面3.8米实际上是变形向上,并已处于水平拉应力。
这横向拉伸 内部应力状态检测极限平衡分析和结果在垂直滑动面显示在图7。
就地冷冻苔藓层并不是一个孤立的力量,作为进行了建模研究,但是在这一系列的优点是不同的 在冰上含量及温度。
灵敏度分析来进行检查的影响在不同的优点 冻土,无论采用“平均”力量的层被证明是正确的。
每一个都有两种分析进行了 平均强度超过100kPa凝固层厚度的0.6米。
表7陈述结果建模;桌子上 表明,安全系数的本质上是一种基于最大平均强度和局部变化凝固层内 层不明显的影响结果。
图6。
有限元网格的例子载荷作用下变形。
表7。
灵敏度分析检视的概要,在冻土强度变化 厚度。
冻结厚度（M）
冷冻 sub-layer厚度（M）
凝聚力拦截的具体情况,（KPa）
稳定性分析 安全系数的
最高深的 滑动面（m）
0.60
0.60
100
2.15
1.99
0.60
0.20
0.20
0.20
175
80
45
2.20
1.99
0.60
0.20
0.20
0.20
80
175
45
2.26
1.97
注:
凝固层的杨氏模量=2000kPa
根据局部层属性表6
图7.稳定性分析一个冰冻的厚度与凝聚力0.4米和φ50kPa拦截的=25°。
红色的乐队代表 飞机带相似的失败,白线代表临界故障的飞机。
这深邃的失败,包括两架飞机 轴延伸到的潜在的冻土解冻的苔藓。
sub-vertical节的白色的临界失效的飞机 裂缝的存在张力的代表在地表附近。
图8.稳定性分析一个冰冻的厚度与凝聚力0.4米和φ50kPa拦截的=25°。
红色的乐队代表 飞机带相似的失败,白线代表临界故障的飞机。
这浅平面延伸仅一个失败 短之后潜在冻土解冻的苔藓和影响只有一个轴。
sub-vertical部分的白色 飞机关键失败的存在裂缝所代表的张力在地表附近。
冲切破坏
作为讨论以前可能会有多个失效模式,可能会发展,从负荷的凝固层。
吊 剪切破坏也是一种机制,需要进行检查。
图3所示的冲切破坏的失败几何。
控制是通过允许容量的剪切强度,对冻土和其厚度。
2给出了方程 一个圆形的极限荷载限制接触区域,以避免冲切破坏。
Pult=2πrtcf+1.3AccufNc
数控
R半径的接触面积,
t凝固层的厚度,
Cf剪切强度的冰冻层
Ac接触区域
Cuf剪切强度的潜在解冻层
Nc一种承载力的因素
反对的安全系数的冲切破坏是极限荷载的比值,限制Pult外载荷。
表8 提出了一种基于方程极限荷载限制2和相关安全系数的负载,假设一个轮子2350公斤,一个 接触面积3000平方米。
表8。
轮胎载荷和理论限制,基于安全系数的方程,假设一种实用的2 2 解冻的苔藓是假定是25kPa。
讨论 的安全要素的两个独立的失效模式合并为一套曲线图9代表至关重要的 失效模式。
在凝固层的情况下,凝聚力的一组双线性关系200kPa效果,同时,打孔失效模式 在冻结厚度较薄的临界剪切破坏模式和一般在厚是十分关键的破坏模式。
注意这 在确定的具体情节是车轮荷载。
延长的发现对这个领域的分析结果,数据提出了需要re-plotted图9。
这 选择适当的安全系数的适用是一个风险决策由操作员。
为安全因素为典型 岩土工程应用范围从约125到1.5,根据用途和后果的生命和财产。
利用固定的因素为1.5~2、安全图9可修改代表曲线的安全持续的因素。
图10 提出了一种情节的力量与凝固层凝固层厚度。
它被认为是从图10,似是而非的下限 力量是150kPa凝固层为凝固层厚度等的合理300毫米。
请注意,这两个图9和图 10是为受力状况呈辐射状八轮的孪生带着一个总负载量约为3.75万公斤。
图对其他 对车轮的模式和荷载组合中可以发展一种相似的方式。
图9.结合起来,单一安全系数的轮廓为各种各样的凝固层的长处,考虑一般剪切和 冲切破坏。
装货情景由两个轴的8轮的带着一个总负载通过近3.75万公斤。
图10。
关系强度和冻结凝固层厚度的因素为固定安全。
装运 剧本由两个轴的8轮的带着一个总负载通过近3.75万公斤。
结论 数值研究表明,一般的剪切破坏它很可能是对砂轮堵塞的主要失效模式在结冰 支持一个潜在的低阶层（非零）强度估算。
本研究表明,它是可能研制出一种 工具理性的安全评估领域砂轮在有限厚度的冷冻苔藓。
应谨慎使用 尝试使用这些发现其他材料或岩性;例如,冷冻苔藓覆盖一个“漂移”苔藓 可能会表现得很不同地层建模在这项研究是什么。
额外的工作是需要开发这一领域 工具和它要服从字段的验证实施前。
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