劉云鵬

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

隨我國經(jīng)濟的快速增長，國家對能源需要不斷加大，企業(yè)因此也逐漸加大對礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)力度，并出現(xiàn)礦產(chǎn)資源疊置區(qū)交叉開采現(xiàn)象，由此帶來的安全問題也日益凸顯[1，2]。

鄂爾多斯盆地天然氣勘探開發(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采，地下煤層采出后，在巖層內(nèi)部形成一個空間，周圍巖體的初始應力平衡被打破，導致應力的重新分布，并最終達到新的應力平衡，在此過程中，圍巖發(fā)生失穩(wěn)引起移動、變形和破壞，進而使直接頂至地表整個地層發(fā)生移動和破壞，最終沉陷盆地。沉陷盆地巖層移動不但給周邊的生態(tài)和地表建筑物造成破壞，而且間接對油氣管道造成損壞，最終導致石油和天然氣大量泄漏，個別地區(qū)還可能伴隨有硫化氫泄漏，會引起重大安全事故[4，5]。

對沉陷區(qū)采動覆巖應力變化和巖層變形變位的發(fā)展及分布等特征的探討，國內(nèi)外學者、專家、工程技術(shù)人員做了大量的研究工作[6－9]。采動沉陷土體中管道沿線土體沉陷演變過程中，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大。因此，管道沿線的地表變形是分析管道力學響應的基礎(chǔ)。本文結(jié)合理論分析與相似材料模擬實驗對地下采煤過程中油氣管道不同部位的變形規(guī)律進行力學影響分析，確定油氣管道在開采沉陷區(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)和開發(fā)部署提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

1 巖層移動對油氣管道變形的理論分析

油氣管道敷設在地表沉陷區(qū)域的位置不同(地表沉陷區(qū)域存在3個區(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，應當分情況考慮。當油氣管道敷設在地表沉陷區(qū)域的外邊緣區(qū)域時，管道會隨著巖土體的運動產(chǎn)生軸向拉應力產(chǎn)生的變形，此時管道破壞的形式主要是地表沉降和水平錯動引起的拉伸破壞;當油氣管道敷設在地表沉陷區(qū)域的內(nèi)邊緣區(qū)域時，管道主要承受地表局部鼓脹和扭曲變形作用，此時其破壞形式主要是局部壓縮屈曲;當油氣管道穿過地表沉陷區(qū)域的中間區(qū)域時，因為該區(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，管道會承受更大的彎矩和拉應力，此時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研究

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

2.1 試驗模型的確定

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

圖3 試驗沙體塌陷范圍

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

2.2 試驗臺系統(tǒng)的設計

試驗臺形狀是長方體，尺寸為3 200 mm×320 mm×2 200 mm(長×寬×高)。試驗臺構(gòu)造如圖5所示。

圖4 主要測試元件布置示意

圖5 試驗臺構(gòu)造示意

2.3 試驗材料的制備與安置

室內(nèi)試驗沙體為重塑沙，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，在試驗管道上布置應變計實時監(jiān)測管道沿線的應變，如圖6(c)所示，應變計采用電阻應變計，型號為BX120－5AA(5×3)，電阻值為 120Ω，靈敏度系數(shù)為2.08，精度級別為A級，尺寸為5 mm×3 mm。

圖6 試驗材料的選擇

應變計分別布置在管道沿線的頂部、底部和中部，布置時先從試驗管道中部每隔150 mm對稱向兩側(cè)布置，最外側(cè)為1/4跨度截面，具體測點布置如圖7所示。在應變計粘貼過程中，先用直尺和油性筆確定具體粘貼位置，然后再布置應變計，最后用萬用表檢驗應變計連接是否通路。

圖7 試驗管的應變計布置示意

2.4 試驗臺的安裝

試驗臺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千斤頂?shù)南鲁羴砟M實現(xiàn)，在試驗臺底座一共放20個液壓千斤頂，用白紙在試驗臺底部標注出各個千斤頂?shù)奈恢?。安裝好的試驗臺如圖8所示。

圖8 試驗臺的安裝

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 塌陷過程中管道頂部應變分析

由于頂部應變計位置關(guān)于管道中間對稱布置，且各塌陷階段中的塌陷范圍和塌陷量關(guān)于管道中部對稱，因此在分析管道頂部應變時，主要對管道頂部12～15號應變計的應變數(shù)據(jù)進行分析，如圖9所示。

圖9 試驗管道頂部應變演變過程(正應變代表受拉，負應變代表受壓)

從圖9中可以看出:

a)在第1和第2塌陷階段，12號采集到正應變，說明此處為受拉區(qū)，13號、14號、15號應變計采集到負應變，說明該區(qū)域為彎曲受壓區(qū)，該現(xiàn)象表明，在管道塌陷過程中，管道沿線頂部的不同位置同時受到彎曲拉、壓應力作用。

b)當塌陷范圍繼續(xù)擴大時，在第3塌陷階段，12號采集到負應變，說明此處為由受拉變?yōu)槭軌海?3號、14號、15號應變計采集到的負應變逐漸增大，說明該區(qū)域接續(xù)受壓，此時，整個管道沿線頂部均受到壓應力作用。

c)進入第4塌陷階段，12～15號均發(fā)生突變，說明在第3階段末，管道頂部已被拉壞。

3.2 塌陷過程中管道中部應變分析

中部應變計位置同樣關(guān)于管道中間對稱布置，因此在分析管道中部應變時，主要對管道頂部22～25號應變計的應變數(shù)據(jù)進行分析，如圖10所示。

圖10 試驗管道中部應變演變過程(正應變代表受拉，負應變代表受壓)

由圖10中可以看出:

a)在第1塌陷階段，22號、23號采集到負應變，說明此處為受壓區(qū)，24號應變計分別采集到負應變和正應變，說明該區(qū)域由受壓區(qū)轉(zhuǎn)為受拉區(qū)，25號應變計采集到的應變值基本為0，表明在管道塌陷過程中，管道中部中心位置基本不受應力作用。

b)當塌陷范圍繼續(xù)擴大時，22號應變計采集到的負應變逐漸增大，說明該區(qū)域繼續(xù)受壓，23號應變計采集到正應變，說明該區(qū)域由受壓區(qū)轉(zhuǎn)為受拉區(qū)，24號應變計采集到的正應變逐漸增大，說明該區(qū)域繼續(xù)受拉，25號應變計開始采集到正應變，說明該區(qū)域開始受拉。

c)進入第3塌陷階段，22～25號應變計均采集到正應變，說明試驗管道中部各個位置都進入受拉階段。

d)進入第4塌陷階段，22～25號均發(fā)生突變，說明在第3階段末，管道已被拉壞。

3.3 塌陷過程中管道底部應變分析

底部應變計位置也是關(guān)于管道中間對稱布置，因此在分析管道底部應變時，主要對管道頂部32～35號應變計的應變數(shù)據(jù)進行分析，如圖11所示。

圖11 試驗管道底部應變演變過程(正應變代表受拉，負應變代表受壓)

由圖11中可以看出:

a)在第1和第2塌陷階段，32號采集到負應變，說明此處為受壓區(qū)，33號、34號、35號應變計均采集到正應變，說明該區(qū)域為彎曲受拉區(qū)。

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

c)進入第4塌陷階段，32～35號均發(fā)生突變，說明在第3階段末，管道底部也被拉壞，其中35號應變計未采集到數(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程中的變形劃分為3個區(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)當管道在開采沉陷區(qū)的外邊緣區(qū)域時，管道破壞的形式主要是拉伸破壞。

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

d)當管道穿過開采沉陷區(qū)中間區(qū)域時，管道易形成懸空進而產(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，為保護油氣管道提出以下建議。

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

b)采用地表下溝渠或自動補償設施埋設管道方式，使得管道受到采空沉降影響時能自由“移動”，及時釋放約束力。

c)采用反向干預法，即在管溝開挖、管道露出情況下，運用牽引、舉升等強力手段，給管道以變形移動相反的作用力，強制使管道恢復到移動變形前的位置，從而減少或消除管道變形應力，為油氣管道提供保護。