Modelación numérica del efecto de arco y la presión de lodos en una perforación horizontal dirigida

Abstract

La construcción de una perforación horizontal dirigida (PHD) tiene tres (3) etapas principales: la elaboración del túnel piloto, el ensanchamiento de la perforación al diámetro requerido y la instalación de la tubería. Las actividades mencionadas generan en el suelo esfuerzos y deformaciones en los cuales influye el efecto de arco, la profundidad de la cobertura del suelo sobre la PHD y la presión de los lodos de perforación. En el trabajo desarrollado para el análisis de la construcción de una PHD se emplea el programa de computador Plaxis 3D, el cual cuenta con un módulo para la evaluación de túneles, lo que facilita la idealización y la modelación de las PHD. Mediante este módulo el usuario de Plaxis puede analizar una secuencia de pasos de construcción que se repite a lo largo de la perforación en un número de secciones seleccionadas. Por medio de estos pasos se puede analizar la excavación y la estabilización de una PHD, mediante la eliminación secuencial de volúmenes de suelo y la aplicación de una presión estabilizante sobre las paredes de la excavación, las cuales representan el avance de la PHD y el empleo de los lodos de perforación respectivamente. Las evaluaciones realizadas se basan en nueve (9) modelos de análisis mediante elementos finitos en tres dimensiones (3D), los cuales combinan tres (3) arenas de diferente resistencia al corte (compacidad) y tres (3) magnitudes diferentes de la presión de lodos aplicada sobre las paredes de la PHD. Además, se evaluaron dos (2) variables geométricas: el diámetro, incluyendo el túnel piloto y (2) diámetros de ensanchamiento, y la profundidad de la PHD variable, empleando el eje de la perforación inclinado 8° con respecto a la horizontal. La influencia de estas variables y su relación con el efecto de arco es evaluada mediante el análisis de los desplazamientos verticales y horizontales, y de los esfuerzos verticales totales en la clave, la batea y la pared de la perforación. (Texto tomado de la fuente).

The construction of a horizontal directional drilling (HDD) has three (3) main stages: the excavation of the pilot tunnel, the expansion of the drilling hole to the required diameter and the installation of the pipe. The mentioned activities generate stresses and deformations in the soil which are influenced by the arching effect, the depth of the soil cover above the HDD and the pressure of the drilling fluid (mud). In the present study, the Plaxis 3D computer program is used for the analysis of the construction of a HDD. Plaxis has a module for the evaluation of tunnels, which facilitates the idealization and modelling of the HDD. Using this module, the Plaxis user can analyse a sequence of construction steps that is repeated throughout the borehole in several selected sections. Through those steps of analysis, the excavation and stabilization of a HDD can be examined by means of the sequential removal of volumes of soil and the application of a stabilizing pressure on the walls of the excavation, which represent the advance of the HDD and the use of drilling mud respectively. The evaluations carried out here are based on nine (9) three-dimensional (3D) finite element analysis models, which combine three (3) sands of different shear strength (density) and three (3) different magnitudes of mud pressure applied on the walls of the PHD. In addition, two (2) geometric variables were evaluated: including the pilot tunnel diameter and (2) underreaming diameters, and a variable PHD depth, using the borehole axis tilted 8° below the horizontal. The influence of those variables and their relationship with the arching effect is evaluated by analysing the vertical and horizontal displacements, and the total vertical stresses in the crown, the invert and the springline (wall) of the drilling hole.