水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析

第 3 7卷第 1 期 石油工程建设 杨先亢，遁仲森，马保松 ，韦立勇，兰海涛 ( 中国地质大学 ( 武汉)工程学院，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘 要 ：回拖 力计 算是 采用 水平定 向钻进技 术 ( H D D)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 A S T M 法这 4个 目前国内外常用的回拖力计算公式，并结合 3个具有代表性的工程 实例 ， 对 4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 HD D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 ：T E 9 7 3 4 文献标识码 ：A 文章 编号 ：1 0 0 1 2 2 0 6 ( 2 0 1 1 )0 1 0 0 0 1 0 5 O 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【 。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 5种 阻力 ：一是穿越管道与孔壁问的摩擦阻力 ：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【 ” 。 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【 3 - 4 1 。 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 虑的孑 L 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15 - 6 。 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 G B 5 0 4 2 4 2 0 0 7 油气输 送 管道穿 越工 程施工 规 范 、G B 5 0 2 6 8 2 0 0 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 、 D r i s e o p i p e计算方法等 7 - 9 。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 A S T M法、美 国燃气管道研究会的 方 法( A G A) 、M e r i a A n n a P a l k方 法 、D r i l l p a t h方 法等 o _ 。本文从这两类公式 中选取 4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。 1回拖力计算公式 1 1 未考虑管道弯曲变形的计算公式 1 1 1 G B 5 0 4 2 4 2 0 0 7 油气输送管道 穿越工程施 工规范 油气输送管道穿越工程施工规范适用于油 ￥ 羊 羊 羊 ￥ 2 石油工程建设 2 0 1 1年 2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 孑 L 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 ( 0 1 0 3 ) ，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 t 为 回拖力单位 ，现改为以 k N为回拖力单 位 ，则 公式 为 ： n 2 ，拉=1 T 厶 詹 y 泥 一7 8 5 6 ( D一 6 ) +r r D L k g -t ( 1 ) 式 中 F拉 管道 回拖 力 k N； ， J 穿越 长度 m； 产_摩擦系数 ，取 0 1 0 - 3 ； r重力加 速度 ，取 9 8 1 m s ； D 管道 外径， m； 泥 泥浆 密度 ( t m ) ； 管道壁厚 m； 黏 黏滞系数 ，取 0 0 1 0 0 3 。 1 1 2 G B 5 0 2 6 8 2 0 0 8 给水排水管道工程施工及 验收规范 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 ： 1 2 考虑 了管道 弯曲变形的计算公式 1 2 1 美国燃气管道研究会的计算方法 ( A G A) 美 国燃气管道研究会的计算方法是由 H u e y等 人在 1 9 9 6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 。 ( 1 )直 线段 拉力 的计算 公式 为 ： T直=1 I + AG 4 - W L s i n ( 5 ) = z W。 L C O S ( 6 ) 式中 目 直线段拉力 k N； 一 孔道内摩擦阻力 k N； 管道与孔壁的摩擦系数 ； 考虑 钻孔 液浮 力后 管道单 位长 度 的净 重 ( k N m) ： 管道倾角 ( 。 ) ； D R A G 孔 内钻孔液 的阻力 k N： DR A G= D ( 7) 式 中 流体阻力系数 k P a ， 推荐值为0 3 4 4 7 5 ， 实 际上应该 更小 取 0 1 7 2 4 。 ( 2 )弯曲段拉力 的计算公式为 ： T弯=2 1 l +D R A G 4-W s i n ( 8 ) ： p C O S ( 9) 式 中 育 弯曲段拉力 k N ； 一 管道弧线长度， m。 P：P 1 +尸 F ( 2 ) ( 3 )总的轴向拉力为各段拉力之和，即： ： 71 “上 ， k 2 ( 3 ) ：2 7 -, ( 1 0 ) P I =“ r r D L f ( 4 ) 1 2 2 A S T M计算方法 式中 P _回拖阻力， k N； 一 扩孔 钻头迎 面阻力 k N； P l管外壁周围摩阻力 k N； 尺 迎 面土挤 压 力 k P a ，对黏 性 土取 5 0 6 0 k P a ， 砂性 土取 8 01 0 0 k P a ： D 扩 孑 L 钻头外径， m，一般取管道外 径 1 21 5倍 ： 管 外 壁单 位 面 积 阻 力 k P a ，黏 性 土 取 0 3 0 4 k P a ，砂性 土取 0 5 0 7 k P a 。 A S T M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 ： F p = z w B L ( 1 1 ) 式 中 管 道与 孔 壁或 管 道 与地 面之 间的摩 擦 系数 ； 管道所受的向上或向下的力 ( k N m) 。 第 3 7卷第 1 期 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 3 对于沿着曲线或弯曲轨迹拖拉的管道 ，会形成 一 定的夹角 0 ，基于绞盘效应 ，可用如下公式计算 所需要 的 回拖 力 ： =e u o w B ) ( 1 2 ) 因为大多数钻孑 L 轨迹都可 以简化为 由直孔段 和 弯 曲 段 组 成( 见 图 1 )， 因 此 可 应 用 公 式 ( 1 1 ) 、 ( 1 2 )递推得到管道到达每个拐点处所受 的拉 力 。 出 ? 角 出 ? 角 出口点： d ： B ! ； 3 L2 图 1 钻孔轨迹简化模型 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 A、 、C、D处 的 回拖 力 、 、 、 进行 计算 ，并 取 其 中最大 值为 设计 回拖 力 。 =e “ 。 ( l + 2 + 3 + 4 ) ( 1 3 ) =e ( + + x b l w b IL 2 4 - w d - 一 上2 e ) ( 1 4 ) ： + H K + X b l b I 3 一 ( L 3 e ) ( 1 5 ) ： +T n x + 4 一 b 日一e 心 (4 eT o e W e x w fl4 e ) 1 = + + b I加 b l 4 一 b 日一 ( ) 1 ( 1 6 ) =g B 2 H D ) ( 1 7 ) 式中 流体阻力 k N； q 流体压力 k P a ，一般可取 6 8 9 5 k P a ； D B H 钻孔 直径， m； 管道 与地 面之 间 的摩擦 系数 ； ， l 厂管道与钻孔孔壁之间的摩擦系数 ； 每米空管道的重力 ( k N m) ； 砌-一 每米管道在 钻孑 L 内所受 的向上 的力 ( k N m) ； 管道进入点的钻孔倾角 ( 。 ) ； 一一 管道出口点的钻孔倾角 ( 。 ) 。 2 工程 实例分 析 2 1 穿越工程一 ( 萧山) 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 4 6 8 6 m，外 径 D=0 6 1 0 0 1T I ，壁 厚 6：0 0 1 1 9 m， 最终扩孔直径 D 0 9 1 4 4 13 “1 ，人土角 =1 0 。 ，出 土角 7 - 8 。 ，最大穿越埋深 H=2 4 5 m。取管道与 地表的摩擦系数为 0 2 5 ，管道在孔内的摩擦系数为 0 3 ，泥浆密度为 1 1 2 t m 。将有关数据代入上述 4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 2所示 。 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 o 至 2 5 0 2 0 0 回1 5 0 1 o 0 5 0 O ， + ，r J，一 一 ， ， ， ， ， ， ， _f 二 ， 、 一 ， ，一 一 ， ， J ， ， ，o ， ， ( = 、 ， l， I ， ， o G B 5 0 4 2 4 2 0 0 7 ， ， - - G B 5 0 2 6 8 2 0 0 8 一 -AGA 奇 ASTM 一 ， 一 实测数据 0 5 0 l 0 o l 5 O 2 O 0 2 5 0 3 O 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 【 x J 距离， m 图2穿越工程一的回拖力几种计算结果和实测值 比较 2 2 穿越工程二 ( 渠江) 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1 0 8 5 3 7 m，外径 D= 0 8 1 3 0 m，壁厚 = 0 0 1 6 0 m， 最终扩孔直径 D 1 1 1 7 6 m，入土角 =7 。 ，出土 角 =1 1 。 ，最大 穿 越深 度 日=6 3 1 T I 。 取 管 道 与地 表 的摩擦 系数为 0 2 ，管道 在孑 L 内的摩 擦系数为 O 3 泥浆密度为 1 0 4 t m 。将有关数据代人上述 4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 3所示。 2 2 童1 R 回1 r 一 o GB 5 0 4 2 4 - 2 0 0 7 ” 一 GB 5 0 2 6 8 - 2 0 o 8 -4 ACA 一母 AS T M 实测数据 ， ， l ! i i ， 一 一一一 一 一 一 一一 一 距离 m 图 3 穿越工程二回拖 力的几种计算结果和实测值 比较 4 石油工程建设 2 0 1 1年 2月 2 3穿越 工程三 ( 湟水 河 ) 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 4 9 7 m， 外径 D=0 6 6 0 0 m，壁厚 =0 0 1 1 9 m，最终扩孔 直 径 D 0 9 6 5 2 m m，入 土 角 o t =8 。 ，出 土 角 = 1 4 。 ，最大穿越埋深 H=2 7 m。取管道与地表的摩 擦 系数 为 0 3 。管道 在孔 内 的摩擦 系 数为 0 2 5 ，泥 浆密度为 1 2 t m 。将有关数据代人上述 4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 4所示 距 离 图 4 穿越工程三回拖 力的几种计算结果和实测值比较 3比较与 分析 从实际工程回拖力计算结果可以看出： ( 1 )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 53倍来选择 钻机 ，但范围太宽 。可操作性差 。 ( 2 ) 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 21 5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。 ( 3 )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。 ( 4 )美国材料试验学会所提供的 A S T M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 A S T M 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 2 4可知，A S T M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 3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2 、图 4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。 4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 ： ( 1 )4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 A S T M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。 ( 2 )4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。 ( 3 )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。 ( 4 )根据计算结果可知 ，对于大直径穿越工 第 3 7卷第 1 期 石油工程建设 5 一 左雷彬，李国辉，马晓成，詹胜文 ( 中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 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 A N S Y S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 ：T E 9 7 3 4 文献标 识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 1 2 2 0 6 ( 2 0 1 1 )0 1 0 0 0 5 0 3 O 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 + 一 +- - +- +- +一 一 - - +- 一- - - +- +- +- +一 +- +- + + 况 ，A S T M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 1 马保松 非开挖 工程学 Mj 北京： 人 民交通出版社， 2 0 0 8 2 颜纯文 ， D S t e i n 非开挖地下管线施工技术及其应用 M 北京 ： 地 震 出版社 1 9 9 2 3 安金龙 水平定 向钻穿越回拖力的计算方 法及其 分析【 J j 石油工 程建设 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 1 ) ： 2 1 - 2 6 f 4 J刘大鹏 ， 尤晓伟 土力学 M】 北京： 清华 大学 出版社 ， 北 京交通大 学出版社 2 0 0 5 【 5 】G l e n n D u y v e s t y n C o mp a r i s o n o f p r e d i c t e d a n d o b s e r v e d H DD i n s t a l l a t i o n l o a d s f o r v a r i o u s c a l c u l a t i o n me t h o d s A N A S TI “ I S q q “ I n t e r n a t i o n al N o - D i g S h o w 2 0 0 9 C 1 T o r o n t o ： N AS TF I S T I “ 2 0 0 9 ( B 一 1 ) 1 - 1 5 6 孙瑞锋 城市地下管道非开挖 技术的岩土力学研究 【 D 重庆： 重 庆大学 2 0 0 5 ， 6 7 】GB 5 0 4 2 4 2 0 0 7 ， 油气输送管道穿越工程施工规范 s 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。 l问题 的提 出 试 回拖一般选取较短管段进行 ， 【 8 G B 5 0 2 6 8 2 0 0 8 ， 给水排水管道工程施工及验收规范 S 】 【 9 朱波 ， 张永高 应用水平定向钻安装管道时回拖拉力的计算方法 叨 隧道机械施 工技术 ， 2 0 0 5 ， ( 1 0 ) ： 4 1 - 4 4 1 0 A S T M F 1 9 6 2， S t a n d a r d g u i d e for u s e of m a x i - h o ri z o