劉云鵬

(中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006)

隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，國(guó)家對(duì)能源需要不斷加大，企業(yè)因此也逐漸加大對(duì)礦產(chǎn)資源的勘探開(kāi)發(fā)力度，并出現(xiàn)礦產(chǎn)資源疊置區(qū)交叉開(kāi)采現(xiàn)象，由此帶來(lái)的安全問(wèn)題也日益凸顯[1，2]。

鄂爾多斯盆地天然氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)塊與煤礦資源疊置情況比較普遍，其中以大牛地區(qū)塊最為突出，表現(xiàn)在天然氣和煤炭資源平面投影重疊或者立體交叉[3]。疊置區(qū)域的煤炭資源大部分采用井工開(kāi)采，地下煤層采出后，在巖層內(nèi)部形成一個(gè)空間，周圍巖體的初始應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，并最終達(dá)到新的應(yīng)力平衡，在此過(guò)程中，圍巖發(fā)生失穩(wěn)引起移動(dòng)、變形和破壞，進(jìn)而使直接頂至地表整個(gè)地層發(fā)生移動(dòng)和破壞，最終沉陷盆地。沉陷盆地巖層移動(dòng)不但給周邊的生態(tài)和地表建筑物造成破壞，而且間接對(duì)油氣管道造成損壞，最終導(dǎo)致石油和天然氣大量泄漏，個(gè)別地區(qū)還可能伴隨有硫化氫泄漏，會(huì)引起重大安全事故[4，5]。

對(duì)沉陷區(qū)采動(dòng)覆巖應(yīng)力變化和巖層變形變位的發(fā)展及分布等特征的探討，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家、工程技術(shù)人員做了大量的研究工作[6－9]。采動(dòng)沉陷土體中管道沿線土體沉陷演變過(guò)程中，埋地管與管周沙將可能經(jīng)歷協(xié)同和非協(xié)同下沉變形。在采動(dòng)沉陷變形影響初期，埋地管道隨管周沙體協(xié)同彎曲下沉;隨著沉陷的加劇，管周沙體下沉量逐漸大于管道彎曲下沉量，埋地管道與管周沙為非協(xié)同下沉變形，且非協(xié)同變形區(qū)隨沉陷范圍及沉陷量的增加而擴(kuò)大。因此，管道沿線的地表變形是分析管道力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)。本文結(jié)合理論分析與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)地下采煤過(guò)程中油氣管道不同部位的變形規(guī)律進(jìn)行力學(xué)影響分析，確定油氣管道在開(kāi)采沉陷區(qū)域內(nèi)的失穩(wěn)破壞類型，為避免油氣管道泄漏，確保安全生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)部署提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

1 巖層移動(dòng)對(duì)油氣管道變形的理論分析

油氣管道敷設(shè)在地表沉陷區(qū)域的位置不同(地表沉陷區(qū)域存在3個(gè)區(qū)域:中性區(qū)域、壓縮區(qū)域、拉伸區(qū)域，如圖1所示)，管道的受力狀態(tài)和破壞形式也不相同，應(yīng)當(dāng)分情況考慮。當(dāng)油氣管道敷設(shè)在地表沉陷區(qū)域的外邊緣區(qū)域時(shí)，管道會(huì)隨著巖土體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力產(chǎn)生的變形，此時(shí)管道破壞的形式主要是地表沉降和水平錯(cuò)動(dòng)引起的拉伸破壞;當(dāng)油氣管道敷設(shè)在地表沉陷區(qū)域的內(nèi)邊緣區(qū)域時(shí)，管道主要承受地表局部鼓脹和扭曲變形作用，此時(shí)其破壞形式主要是局部壓縮屈曲;當(dāng)油氣管道穿過(guò)地表沉陷區(qū)域的中間區(qū)域時(shí)，因?yàn)樵搮^(qū)域地表沉降和塌陷量大容易使管道形成懸空狀態(tài)，在該種受力狀態(tài)下，管道會(huì)承受更大的彎矩和拉應(yīng)力，此時(shí)管道的破壞形式主要是拉伸破壞。

圖1 油氣管道穿越采空區(qū)主斷面示意

因此管道變形的形式可能是軸向拉伸或壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲4種形式之一，也可能是幾種形式的組合，如圖2所示。

圖2 油氣管道受力變形的4種主要形式

2 油氣管道變形的相似模擬試驗(yàn)研究

地表移動(dòng)破壞的類型主要有兩種:地表連續(xù)移動(dòng)變形和非連續(xù)變形。本次試驗(yàn)的目的是為了研究地表非連續(xù)破壞類型中塌陷坑對(duì)管道的影響。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇_定

為了分析不同塌陷范圍內(nèi)塌陷坑對(duì)埋地管的影響特征，考慮了管道沿線沙體邊界效應(yīng)，共設(shè)計(jì)了4個(gè)塌陷階段，試驗(yàn)中塌陷量保持150 mm不變，塌陷范圍依次取 250，500，750，1 000 mm。試驗(yàn)中，管道沿線沙體塌陷曲線如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)沙體塌陷范圍

本文采用專用于研究沉陷土體中管－沙相互作用的試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)中的主要測(cè)試元件布置如圖4所示。其中，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)包括模型制作系統(tǒng)和土體沉陷變形控制測(cè)試系統(tǒng);試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括管道應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和管周沙壓力測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)形狀是長(zhǎng)方體，尺寸為3 200 mm×320 mm×2 200 mm(長(zhǎng)×寬×高)。試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)造如圖5所示。

圖4 主要測(cè)試元件布置示意

圖5 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)造示意

2.3 試驗(yàn)材料的制備與安置

室內(nèi)試驗(yàn)沙體為重塑沙，如圖6(a)所示;管道選用PVC材質(zhì)管，如圖6(b)所示，管徑50 mm，壁厚1.5 mm;為分析埋地管道的變形破壞情況，在試驗(yàn)管道上布置應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道沿線的應(yīng)變，如圖6(c)所示，應(yīng)變計(jì)采用電阻應(yīng)變計(jì)，型號(hào)為BX120－5AA(5×3)，電阻值為 120Ω，靈敏度系數(shù)為2.08，精度級(jí)別為A級(jí)，尺寸為5 mm×3 mm。

圖6 試驗(yàn)材料的選擇

應(yīng)變計(jì)分別布置在管道沿線的頂部、底部和中部，布置時(shí)先從試驗(yàn)管道中部每隔150 mm對(duì)稱向兩側(cè)布置，最外側(cè)為1/4跨度截面，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。在應(yīng)變計(jì)粘貼過(guò)程中，先用直尺和油性筆確定具體粘貼位置，然后再布置應(yīng)變計(jì)，最后用萬(wàn)用表檢驗(yàn)應(yīng)變計(jì)連接是否通路。

圖7 試驗(yàn)管的應(yīng)變計(jì)布置示意

2.4 試驗(yàn)臺(tái)的安裝

試驗(yàn)臺(tái)的安裝包括模板和沙體沉降裝置安裝，地表不同破壞類型通過(guò)千斤頂?shù)南鲁羴?lái)模擬實(shí)現(xiàn)，在試驗(yàn)臺(tái)底座一共放20個(gè)液壓千斤頂，用白紙?jiān)谠囼?yàn)臺(tái)底部標(biāo)注出各個(gè)千斤頂?shù)奈恢?。安裝好的試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)的安裝

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 塌陷過(guò)程中管道頂部應(yīng)變分析

由于頂部應(yīng)變計(jì)位置關(guān)于管道中間對(duì)稱布置，且各塌陷階段中的塌陷范圍和塌陷量關(guān)于管道中部對(duì)稱，因此在分析管道頂部應(yīng)變時(shí)，主要對(duì)管道頂部12～15號(hào)應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)管道頂部應(yīng)變演變過(guò)程(正應(yīng)變代表受拉，負(fù)應(yīng)變代表受壓)

從圖9中可以看出:

a)在第1和第2塌陷階段，12號(hào)采集到正應(yīng)變，說(shuō)明此處為受拉區(qū)，13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)應(yīng)變計(jì)采集到負(fù)應(yīng)變，說(shuō)明該區(qū)域?yàn)閺澢軌簠^(qū)，該現(xiàn)象表明，在管道塌陷過(guò)程中，管道沿線頂部的不同位置同時(shí)受到彎曲拉、壓應(yīng)力作用。

b)當(dāng)塌陷范圍繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，在第3塌陷階段，12號(hào)采集到負(fù)應(yīng)變，說(shuō)明此處為由受拉變?yōu)槭軌海?3號(hào)、14號(hào)、15號(hào)應(yīng)變計(jì)采集到的負(fù)應(yīng)變逐漸增大，說(shuō)明該區(qū)域接續(xù)受壓，此時(shí)，整個(gè)管道沿線頂部均受到壓應(yīng)力作用。

c)進(jìn)入第4塌陷階段，12～15號(hào)均發(fā)生突變，說(shuō)明在第3階段末，管道頂部已被拉壞。

3.2 塌陷過(guò)程中管道中部應(yīng)變分析

中部應(yīng)變計(jì)位置同樣關(guān)于管道中間對(duì)稱布置，因此在分析管道中部應(yīng)變時(shí)，主要對(duì)管道頂部22～25號(hào)應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)管道中部應(yīng)變演變過(guò)程(正應(yīng)變代表受拉，負(fù)應(yīng)變代表受壓)

由圖10中可以看出:

a)在第1塌陷階段，22號(hào)、23號(hào)采集到負(fù)應(yīng)變，說(shuō)明此處為受壓區(qū)，24號(hào)應(yīng)變計(jì)分別采集到負(fù)應(yīng)變和正應(yīng)變，說(shuō)明該區(qū)域由受壓區(qū)轉(zhuǎn)為受拉區(qū)，25號(hào)應(yīng)變計(jì)采集到的應(yīng)變值基本為0，表明在管道塌陷過(guò)程中，管道中部中心位置基本不受應(yīng)力作用。

b)當(dāng)塌陷范圍繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，22號(hào)應(yīng)變計(jì)采集到的負(fù)應(yīng)變逐漸增大，說(shuō)明該區(qū)域繼續(xù)受壓，23號(hào)應(yīng)變計(jì)采集到正應(yīng)變，說(shuō)明該區(qū)域由受壓區(qū)轉(zhuǎn)為受拉區(qū)，24號(hào)應(yīng)變計(jì)采集到的正應(yīng)變逐漸增大，說(shuō)明該區(qū)域繼續(xù)受拉，25號(hào)應(yīng)變計(jì)開(kāi)始采集到正應(yīng)變，說(shuō)明該區(qū)域開(kāi)始受拉。

c)進(jìn)入第3塌陷階段，22～25號(hào)應(yīng)變計(jì)均采集到正應(yīng)變，說(shuō)明試驗(yàn)管道中部各個(gè)位置都進(jìn)入受拉階段。

d)進(jìn)入第4塌陷階段，22～25號(hào)均發(fā)生突變，說(shuō)明在第3階段末，管道已被拉壞。

3.3 塌陷過(guò)程中管道底部應(yīng)變分析

底部應(yīng)變計(jì)位置也是關(guān)于管道中間對(duì)稱布置，因此在分析管道底部應(yīng)變時(shí)，主要對(duì)管道頂部32～35號(hào)應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)管道底部應(yīng)變演變過(guò)程(正應(yīng)變代表受拉，負(fù)應(yīng)變代表受壓)

由圖11中可以看出:

a)在第1和第2塌陷階段，32號(hào)采集到負(fù)應(yīng)變，說(shuō)明此處為受壓區(qū)，33號(hào)、34號(hào)、35號(hào)應(yīng)變計(jì)均采集到正應(yīng)變，說(shuō)明該區(qū)域?yàn)閺澢芾瓍^(qū)。

b)在第3塌陷階段，32號(hào)應(yīng)變由負(fù)值變?yōu)檎担f(shuō)明此處為由受壓變?yōu)槭芾?3號(hào)、34號(hào)、35號(hào)應(yīng)變計(jì)采集到的正應(yīng)變逐漸增大，說(shuō)明該區(qū)域繼續(xù)受拉，此時(shí)，整個(gè)管道沿線頂部均受到拉應(yīng)力作用。

c)進(jìn)入第4塌陷階段，32～35號(hào)均發(fā)生突變，說(shuō)明在第3階段末，管道底部也被拉壞，其中35號(hào)應(yīng)變計(jì)未采集到數(shù)據(jù)，表明該部分是拉伸破壞區(qū)。

3.4 綜合分析

綜合上述試驗(yàn)管道不同部位的受力變形分析結(jié)果，可以將埋地管道在塌陷過(guò)程中的變形劃分為3個(gè)區(qū)域，如圖12所示:第①部分為非塌陷區(qū)，該部分管道既不發(fā)生彎曲變形也不承受彎曲應(yīng)力的作用;第②部分處于塌陷影響區(qū)邊緣，管道沿線受塌陷影響，該部分管道變形是上凸的正曲率曲線，管道頂部受拉，底部受壓;第③部分位于塌陷區(qū)中部，該部分管道變形是下凸的負(fù)曲率曲線，管道頂部受壓，底部受拉。

圖12 管道彎曲下沉的變形區(qū)域分布示意

4 結(jié)論與建議

通過(guò)研究分析埋地管道在地表不同破壞形態(tài)下的變形特征，可以得出以下規(guī)律。

a)油氣管道與開(kāi)采沉陷區(qū)的空間位置關(guān)系不同，其變形破壞形式也不同。

b)當(dāng)管道在開(kāi)采沉陷區(qū)的外邊緣區(qū)域時(shí)，管道破壞的形式主要是拉伸破壞。

c)當(dāng)管道在開(kāi)采沉陷區(qū)的內(nèi)邊緣區(qū)域時(shí)，管道破壞的形式主要是局部壓縮屈曲。

d)當(dāng)管道穿過(guò)開(kāi)采沉陷區(qū)中間區(qū)域時(shí)，管道易形成懸空進(jìn)而產(chǎn)生拉伸破壞，該區(qū)域是油氣管道最容易破壞的位置。

根據(jù)油氣管道的受力變形規(guī)律，為保護(hù)油氣管道提出以下建議。

a)在地下采煤工作面回采過(guò)程中，可結(jié)合地表油氣管道應(yīng)力情況和管道與工作面的相對(duì)位置關(guān)系采取相應(yīng)措施。

b)采用地表下溝渠或自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)施埋設(shè)管道方式，使得管道受到采空沉降影響時(shí)能自由“移動(dòng)”，及時(shí)釋放約束力。

c)采用反向干預(yù)法，即在管溝開(kāi)挖、管道露出情況下，運(yùn)用牽引、舉升等強(qiáng)力手段，給管道以變形移動(dòng)相反的作用力，強(qiáng)制使管道恢復(fù)到移動(dòng)變形前的位置，從而減少或消除管道變形應(yīng)力，為油氣管道提供保護(hù)。