水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析

第 !! 卷第 " 期 水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! " !"#$ %&$ '()$ *+,- ./0 !"#$%&'()*+ ,-'./ 01)* #$%%!&+ 摘 要 ! 回拖力计算是采用水平定向钻进技术 ! '(( " 进行管道铺设工程设计的一项重要内容 # 也 是选择钻机和管材的主要依据 $ 在实际施工中 # 水平定向钻穿越回拖力计算方法很多 # 且计算结果 相差也比较大 # 常常使工程设计人员无从选择 $ 针对这一问题 # 文章选取了 % 油气输送管道穿越工 程施工规范 &' % 给水排水管道 工程施工 建筑工程施工承包1园林工程施工准备消防工程安全技术交底水电安装文明施工建筑工程施工成本控制 及验收规范 &' 美国燃气管道研究会的计算方法和美国材料 试验学会 )*+, 法这 & 个目前国内外常用的回拖力计算公式 # 并结合 $ 个具有代表性的工程实例 # 对 & 个公式的计算结果及应用环境进行比较分析 # 得出的结论可供 '(( 工程设计人员借鉴参考 $ 关键词 ! 水平定向钻 ( 回拖力 ( 管道穿越 中图分类号 ! +-.!$/& 文献标识码 ! ) 文章编号 ! "##"$%%#& ! %#"" " #"$##%"$#0 ! 引言 水平定向钻进技术的施工过程一般可以分为三 个阶段 # 即钻先导孔 $ 扩孔和管道回拖 1"234 % 其中 管道的回拖阶段需要选择适当的管材和壁厚来承受 安装时的荷载 # 设计人员要预先确定安装荷载并确 保管道尺寸能够承受这些载荷 # 施工单位也要根据 他们提出的计算方法来预测回拖力并施工安装管 道 % 另外 # 回拖力还是水平定向钻钻机选择的主要 参数 # 回拖力的计算是管道穿越工程首要解决的问 题之一 % 穿越管段在回拖过程中的受力非常复杂 % 目 前普遍认为管道在回拖过程中主要受到以下 0 种 阻力 & 一是穿越管道与孔壁间的摩擦阻力 ' 二是 管道和地表之间的摩擦阻力 ' 三是绞盘效应力 # 源于沿弯曲钻孔轨迹拖拉管道产生的递增承载压 力 ' 四是流体阻力 ' 五是弯曲时由管道刚度产生 的阻力1"4 % 由管道受力分析可知回拖力的计算涉及多门学 科 # 既包括土力学 $ 工程力学 $ 流体力学 $ 弹性力 学等方面的知识 # 也与工程实际的地质环境 $ 穿越 轨迹 $ 扩孔直径 $ 穿越管道的规格 ! 外径 $ 壁厚 "$ 管 材和管段在地面上的摆布方式 $ 发送方式有关1$2&4 % 因此 # 很难建立起一个与实际工况非常吻合的 $ 具 有普遍适用性的力学模型 % 在实际工程中 # 由于考 虑的孔内受力条件不同 # 其回拖力的预测公式也有 多种 % 大多数情况下 # 预测值和实测值并不遵守同 样的趋势 # 其最高负载的位置也不相同10254 % 回拖力的计算公式大致可分为两类 % 一是在计 算中未考虑管道弯曲变形后对回拖力产生的影响 % 这类公式的主要特点是简单直观 $ 容易计算 # 例如 67 0%&3&23%%! ( 油气输送管道穿越工程施工规 范 )$ 67 0%35823%%8 ( 给水排水管道工程施工及验 收规范 )$ 卸荷拱土压力计算法 $ 净浮力计算法 $ (9:;<=>:>? 计算方法等1!2.4 % 二是在计算中考虑了管 道弯曲变形后对回拖力产生的影响 % 这类公式的主 要特点是公式复杂 $ 考虑全面 $ 参数众多 # 例如美 国材料试验学会 )*+, 法 $ 美国燃气管道研究会的 方法 ! )6) "$ ,?9:@ )AA@ B@CD 方法 $ (9:CC>@EF 方 法等1"%2"34 % 本文从这两类公式中选取 & 个国内外权 威机构或国家标准所提供的计算方法 # 并以实际工 程的统计数据为基础 # 将计算结果与实际所测回拖 力进行比较分析 # 确定了相对较准确的公式 # 可供 工程设计人员参考 % " 回拖力计算公式 "#" "#"#" ( 油气输送管道穿越工程施工规范 ) 适用于油 石 油 工 程 建 设 " 石 油 工 程 建 设 !"!! 年 " 月 气输送管道在陆上穿越人工或天然障碍的新建和扩 建工程 ! 其回拖力计算公式主要考虑了穿越管道 与孔壁之间的摩擦阻力和泥浆对管道的黏阻力 " 计算简单 ! 该公式的不足为 # 考虑因素过少 " 与 孔内实际工况相差较大 $ 按照直线段推导 " 计算 结果偏小 $ 计算公式中的摩擦系数的变动范围较宽 % #$! % #$& &" 回拖力的计算结果受主观影响较大且 范围太宽 $ 该公式只适用于钢管 " 如果穿越其他类 型管材 " 还需要对公式做适当的调整 ! 规范中公式 计算以 ' 为回拖力单位 " 现改为以 () 为回拖力单 位 " 则公式为 # ! 拉 * !"#$ + % " , !泥- .$/0 "%% & "&1 2 !%"'黏 $ % ! & 式中 ! 拉'((管道回拖力3()$ " ((( 穿越长度 34 $ # ((( 摩擦系数 " 取 #$! % #$& $ $ ((( 重力加速度 " 取 5$/! 436 " $ % ((( 管道外径 34 $ !泥(((泥浆密度3%' 34&&$ !!!! " ((( 管道壁厚 34 $ '黏(((黏滞系数" 取 #$#! % #$#&! !"!"# 该规范主要针对城镇公用设施管道 ! 其将回拖 力分为扩孔钻头迎面阻力和管外壁周围摩阻力 ! 该 公式特点为 # 公式简单 " 计算方便 $ 单位摩擦阻力 完全由土壤类型决定 " 忽略管道自身受力情况 $ 土 壤类型过于单一 " 取值波动较大 ! 基本公式为 # ( * ( ! 2 ( : % " & ( : * ! , % " ( ) ; % & & ( ! * !%" # ! % , & 式中 ( ((( 回拖阻力 3() $ ( : ((( 扩孔钻头迎面阻力 3() $ ( ! ((( 管外壁周围摩阻力 3() $ ) ; ((( 迎面土挤压力 3(<; " 对黏性土取 0# % 9# (<; " 砂性土取 /# % !## (<; $ % ( ((( 扩孔钻头外径 34 " 一般取管道外径 !$" % !$0 倍 $ # ! ((( 管外壁单位面积阻力 3(<; " 黏性土取 #$& % #$, (<; " 砂性土取 #$0 % #$. (<; ! !"# !"#"! 美国燃气管道研究会的计算方法是由 >?@A 等 人在 !559 年为定向钻安装钢管道而提出的 ! 它考 虑了管土的摩擦阻力 ) 泥浆的黏阻力 ) 重力和弯曲 变形阻力的影响 " 但没有考虑管道拖入孔道之前与 地表面的摩擦阻力 " 并认为管道进入钻孔时的回拖 力为零 " 其最大回拖力出现在回拖最后阶段并以递 增的方法沿管道分布 * 因此此法把整个管道分解为 许多直线段和曲线段 " 最后的轴向拉力为每小段拉 力的总和 * % ! & 直线段拉力的计算公式为 # * 直 * #! B # 2 %)+, $ - C " 6DE # % 0 & ! B * $- C " FG6 # % 9 & 式中 * 直'''直线段拉力3()$ ! B ''' 孔道内摩擦阻力 3() $ $ ''' 管道与孔壁的摩擦系数 $ - C ''' 考虑钻孔液浮力后管道单位长度的净 重 3 % ()34 &$ # ''' 管道倾角 3 % % &$ %)+, ''' 孔内钻孔液的阻力 3() $ %)+, * !%" $ 4?H % . & 式中 $ 4?H ''' 流体阻力系数 3(<; " 推荐值为 #$&,, .0 " 实际上应该更小 " 取 #$!." , * % " & 弯曲段拉力的计算公式为 # * 弯 * "#! B # 2 %)+, $ - C " ;IF 6DE # % / & ! B * $- C " ;IF FG6 # % 5 & 式中 * 弯'''弯曲段拉力3()J " ;IF ''' 管道弧线长度 34 * % & & 总的轴向拉力为各段拉力之和 " 即 # * 'G' * . ! ! * . % !# & !"#"# =KLM 算法为美国材料试验学会所采用 " 其基 本思路是将穿越管段近似地视为一条部分缠绕在巨 型卷筒上的柔性钢索 * 对于水平孔 % 可能存在局部 水平或竖向弯曲 & 内拖拉管道或在地表拖拉管道所 需要的拉力可用下式计算 # ! < * $/ 8 " % !! & 式中 $ ''' 管道与孔壁或管道与地面之间的摩擦 系数 $ / 8 ''' 管道所受的向上或向下的力 3 % ()34 &* " 第 !! 卷第 " 期 对于沿着曲线或弯曲轨迹拖拉的管道 ! 会形成 一定的夹角 ! ! 基于绞盘效应 ! 可用如下公式计算 所需要的回拖力 " ! # $ % "! # " " & # $ % "' & 因为大多数钻孔轨迹都可以简化为由直孔段 和弯曲段组成 % 见图 " & ! 因此可应用公式 % "" &' # "( & 递推得到管道到达每个拐点处所受 的拉力 ( 该算法的优点是考虑全面 ! 所建模型与管道 实际受力较为符合 ) 缺点是计算时需将成孔曲线 简化为只有两个弯点的平滑曲线 ! 与实际轨迹不 符 ) 对此可根据实际穿越曲线同样采用递推方式 逐步对各点 $ ' % ' & ' ' 处的回拖力 ( $ ' ( % ' ( & ' ( ' 进行计算 ! 并取其中最大值为设计回拖 力 ) ( $ $ % " ) # " ) " ) % # " * # ( * # + * # , $ % "+ $ ( % $ % " - # % ( $ *( ./ * " - 0" - 0# ( * " - *1 " ) " ) # ( % " ) # $ % ", $ ( & + ( % * ( ./ * " - 0" - 0# + 2 % " - # % " ) " ) # + % " ) # $ % "3 $ ( ' $ % " - $ 4( & , ( ./ * " - 0" - 0# , 2" - *2 % " - % % " ) " ) # , % " ) # $ 5 % "6 $ ( ./ $ - ! 7 % ' ( &. 2 ' ( $ % 8! $ 式中 ( ./ *** 流体阻力 9:; + - *** 流体压力 9:<) ! 一般可取 67=>3 :<) + ' &. *** 钻孔直径 9? + " ) *** 管道与地面之间的摩擦系数 + " - *** 管道与钻孔孔壁之间的摩擦系数 + " ) *** 每米空管道的重力 9 % :;9? $+ " - *** 每米管道在钻孔内所受的向上的力 9 % :;9? $+ # *** 管道进入点的钻孔倾角 9 % " $+ & ** 管道出口点的钻孔倾角 9 % " $) ! 工程实例分析 !"# 采用水平定向钻方式穿越杭州萧山 ) 穿越处地 质为淤泥质黏土 , 熔结凝灰岩层 ) 穿越管道总长 为 ,67=6 ? ! 外径 ' $ @=68@ @ ? ! 壁厚 ' $ @=@88 > ? ! 最终扩孔直径 ' : $ @=>8, , ? ! 入土角 % $ 8@" ! 出 土角 & $ 7" ! 最大穿越埋深 * $ ',=3 ? ) 取管道与 地表的摩擦系数为 @='3 ! 管道在孔内的摩擦系数为 @=+ ! 泥浆密度为 8=8' A 9? + ) 将有关数据代入上述 , 种回拖力计算公式中 ! 按照公式简化条件求得各 自回拖力如图 ' 所示 ) !"! 采用水平定向钻方式穿越四川渠县渠江 ) 穿 越处地质为砂岩和砂质泥岩层 ) 穿越管道总长 为 8 @73=+!? ! 外径 '$@=78+ @? ! 壁厚 '$@=@86 @? ! 最终扩孔直径 ' : $ 8=88! 6 ? ! 入土角 % $ !" ! 出土 角 & $ 88" ! 最大穿越深度 * $ 6+ ? ) 取管道与地 表的摩擦系数为 @=' ! 管道在孔内的摩擦系数为 @=+ ! 泥浆密度为 8=@, A 9? + ) 将有关数据代入上述 , 种回拖力计算公式中 ! 按照公式简化条件求得各 自回拖力如图 + 所示 ) 图 $ 钻孔轨迹简化模型 出口角 出口点 钻孔 9 管道 入口点 入口角 $ % ' & . , # + # ' # 8 图 ! 穿越工程一的回拖力几种计算结果和实测值比较 B& 3@,(,2(@@! B& 3@(672(@@7 CBC CDEF 实测数据 8@@ 83@ (@@ (3@ +@@ +3@ ,@@ ,3@ 3@@@ 3@ ,3@ ,@@ +3@ +@@ (3@ (@@ 83@ 8@@ 3@ @ 回 拖 力 9 : ; 距离 9? 回 拖 力 9 : ; 图 % 穿越工程二回拖力的几种计算结果和实测值比较 B& 3@,(,2(@@! B& 3@(672(@@7 CBC CDEF 实测数据 (@@ ,@@ 6@@ 7@@ 8 @@@ 8 (@@ @ ( 3@@ ( @@@ 8 3@@ 8 @@@ 3@@ @ 距离 9? 杨先亢等 " 水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析 + 石 油 工 程 建 设 !"!! 年 " 月 !"# 采用水平定向钻方式穿越兰州上河湾湟水河 ! 穿越处地质主要为泥岩层 ! 穿越管道总长 #$% & " 外径 ! ' ()**( ( & " 壁厚 ! ' ()(!! $ & " 最终扩孔 直径 ! + ' ()$*, " && " 入土角 " ' -# " 出土角 # ' !## " 最大穿越埋深 " ' "% & ! 取管道与地表的摩 擦系数为 (). " 管道在孔内的摩擦系数为 ()", " 泥 浆密度为 !)" / 0& . ! 将有关数据代入上述 # 种回拖 力计算公式中 " 按照公式简化条件求得各自回拖力 如图 # 所示 ! # 比较与分析 从实际工程回拖力计算结果可以看出 # $ ! % 根据 & 油气输送管道穿越工程施工规范 ' 计算的回拖力值相对实际回拖力值偏小 " 这主要由 于该公式仅考虑了管壁的摩擦阻力和流体阻力 " 忽 略了管道和地表之间的摩擦阻力 ( 绞盘效应力 ( 弯 曲时管道刚度产生的阻力等 ! 虽然在实际施工中施 工单位会按照回拖力计算结果的 !), 1 . 倍来选择 钻机 " 但范围太宽 " 可操作性差 ! ) " % * 给水排水管道工程施工及验收规范 + 和 美国燃气管道研究会的计算方法得出的回拖力值却 偏大 " 这是因为 * 给水排水管道工程施工及验收规 范 + 除考虑管壁与孔壁之间摩阻力外 " 还多余计算 了扩孔钻头迎面阻力 , 因为钻孔的最终扩孔直径约 为管道的 !)" 1 !), 倍 " 因此在回拖管道时 " 其迎 面阻力可忽略不计 , 另外 " 此计算公式还有两个使 计算结果明显偏大的原因 # 一是完全依据土层类型 来取值计算摩阻力 " 忽略泥浆的减阻作用 - 二是认 为整个管壁完全与孔壁接触且受相同的单位阻力 , ) . % 美国燃气管道研究会的计算方法考虑较为 全面 " 但在计算弯曲段回拖力时 " 由管道弯曲所产 生的阻力直接取此段孔道内的摩擦阻力 " 因此 " 当 弯曲段较长时 " 此公式所得的值会偏大 , 按偏大的 计算结果来选择钻机和管材将会造成成本浪费 , ) # % 美国材料试验学会所提供的 2345 计算方 法的计算结果无论是回拖力数值曲线轨迹还是最大 回拖力值都与实际操作中回拖力较为接近 , 这主要 是因为 2345 法所建立的力学模型与管道实际受力 情况比较符合 " 其计算公式对摩擦阻力 ( 流体阻 力 ( 绞盘效应力等作了较为全面的囊括 , 另外 " 该 法计算公式内不含经验参数 " 所有公式参数都可以 通过现场实测得到 " 不会因为人为经验取值因素影 响计算结果 , 但是 " 从图 " 1 # 可知 " 2345 法所计算的回拖 力结果也与实测值不完全相符 , 其原因有三 # 一是 实际施工中管道一直处在一个动态的回拖环境中 " 与理想化的力学模型有一定的差别 - 二是地层条件 复杂 " 导致现场实测的一些公式参数与实际有差别 - 三是人为或机械因素 " 回拖力读数精度越高时 " 所 得数值越准确 " 如图 . 的回拖力显示器为数字仪器 " 所得读数与实际回拖力较为接近 " 而图 " ( 图 # 的回 拖力显示器为表盘刻度 " 所得读数精度较低 " 读数 不能准确反映实际回拖力 " 造成机械误差 , $ 结论 通过以上对各公式的分析和工程实测回拖力的 比较 " 可以得出以下结论 # ) ! % # 种回拖力计算公式都可适用于钢性管 道 " 但其适用地层是有差别的 , * 油气输送管道穿 越工程施工规范 + 主要适用于以摩擦阻力为主的地 层 - * 给水排水管道工程施工及验收规范 + 适用地 层为单一的砂土层和黏土层 - 美国燃气管道研究会 的计算方法和 2345 法基本适用所有地层 " 但在砂 岩层 ( 砂质泥岩层 ( 淤泥质黏土层 ( 熔结凝灰岩 层中 " 绞盘法准确度较高 , ) " % # 种回拖力计算公式大部分都涉及到经验参 数 " 这些参数在主观上的取值会对计算结果产生不同 程度的影响 " 其中以摩擦系数最为重要 , 合理地确定 这些参数 " 可最大限度地减少理论计算误差 , ) . % 回拖力的力学模型都是建立在理想化的基 础上 " 但在实际施工中 " 回拖力可能会因为某段地层 突然变化或某些意外情况而急增 " 因此依据回拖力选 择钻机时应将回拖力计算结果乘以安全系数 , ) # % 根据计算结果可知 " 对于大直径穿越工 图 $ 穿越工程三回拖力的几种计算结果和实测值比较 67 ,(#"#8"((% 67 ,("*-8"((- 262 2345 实测数据 回 拖 力 9 + : %(( *(( ,(( #(( .(( "(( !(( ( !(( !,( "(( ",( .(( .,( #(( #,( ,((( ,( 距离 9& # 第 !! 卷第 " 期 况 ! #$%& 法回拖力计算公式相对于其他公式来说 预测结果最为准确 ! 因此推荐工程设计人员采用这 种方法进行穿越工程中回拖力的预测计算 " 参考文献 '"( 马保松 ) 非开挖工程学 '&() 北京 * 人民交通出版社 ! +,,-) '+( 颜纯文 ! . $/012) 非开挖地下管线施工技术及其应用 '&() 北京 * 地 震出版社 )"33+) '4( 安金龙 ) 水平定向钻穿越回拖力的计算方法及其分析 '5() 石油工 程建设 ! +,,- ! 46 # " $ *+"7+8) '6( 刘大鹏 ! 尤晓伟 ) 土力学 '&() 北京 * 清华大学出版社 ! 北京交通大 学出版社 ! +,,9) '9( :;022 .<=>0?/=2) @ABCDE1?A2 AF CE0G1H/0G D2G AI?0E>0G J.. 12?/D;;D/1A2 ;ADG? FAE >DE1A0E?'$() '""( QD0?/=2 : )W2 OEDG0 ;DEO0 G1DB0/0E G1E0H/1A2D; GE1;;12O '#() XEAH00G12O? AF LAE/K #B0E1HD2 $AH10/= D2G N2/0E2D/1A2D; $AH10/= FAE %E02HK;0?? %0HK2A;AO= LA .1O @A2F0E02H0 '@() %AEA2/A ! @D2DGD % L#$N$ ! +,,3) 作者简介 " 杨先亢 # "3-97 $% 男 % 湖北广水人 % 中国地质 大学在读研究生 % 主要从事地质工程相关和非开挖技术的 研究工作 & 收稿日期 % +,",7,97", & 修回日期 % +,",7""7", 定向钻穿越试回拖过程数值模拟 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! " !"#$ %&'$ ()*$ +,- !"#$%&'()*+,-./01 2345 ,89,,,6 摘 要 ! 定向钻是长输管道的一种重要穿越方式 % 对于一些复杂地质情况需要进行试回拖以验证孔 道的稳定性 & 文章对管道试回拖过程进行了分析研究 % 采用大型通用有限元软件 #L$Y$ 进行了数 值模拟 % 根据计算结果对此过程进行了优化设计 % 以使得管道在试回拖状态下与正式回拖状态尽量 一致 % 并对优化后的钻杆和管道的变形及应力进行了分析计算 & 结果表明 % 优化后的试回拖过程更 加合理 % 使试回拖结果对正式回拖更具有借鉴意义 & 关键词 ! 定向钻 ' 试回拖 ' 数值模拟 中图分类号 ! %U3!4)6 文献标识码 ! # 文章编号 ! "##"$%%#& ' %#"" $ #"$##,9$#4 ! 引言 在石油天然气长输管道的建设中 ! 定向钻穿越 技术已经广泛应用于穿越江河 ( 沟渠 ( 高速公路 ( 铁路以及其他不易或不适合浅埋通过的区域 ! 定向 钻穿越有着对环境影响小 ( 工期短 ( 造价相对低的 优点 ) 一般定向钻穿越施工过程主要分为三步 % 钻 导向孔 ( 预扩孔和管道回拖 * 在一些重要的穿越工 程中 ! 尤其是管径大 + 穿越距离长的复杂穿越工 程 ! 为了验证钻孔孔道的稳定性 ! 宜进行一次试回 拖 ! 以保证管道正式回拖的顺利进行 " 由于试回拖管道较短 ! 受钻具重量的影响较 大 ! 为使试回拖管道与正式回拖管道在钻孔内状态 一致 ! 需要对试回拖管道进行合理配重 ! 以保证试 回拖结果具有借鉴性 " 本文以某定向钻穿越工程试 回拖为背景 ! 对其过程进行了数值模拟 ! 并根据计 算结果提出了相应施工 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 " " 问题的提出 试回拖一般选取较短管段进行 ! 回拖过程中 ! ############################################ 石 油 工 程 建 设 9