水平定向钻泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重.docx

1、水平定向钻泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重水平定向钻泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重 颜道根1，王 聪2 (1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065；2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049) 摘要：泥浆拖拽阻力对回拖力贡献的权重问题是研究水平定向钻管道穿越回拖力时一项重要的内容。在目前的计算模型中，泥浆拖拽阻力的贡献权重不一致。针对这一问题，文中采用了与实际工程较接近的ASTM法进行计算研究，提出了新的权重计算公式，并结合3个工程实例，对泥浆拖拽阻力的权重进行计算分析。结果表明，泥浆拖拽阻力引起的回拖力计算结果差值为10%左右，泥浆拖拽阻力在回拖力中贡献的权重不能忽略。

2、关键词：水平定向钻; 回拖力；泥浆拖拽阻力；贡献权重；管道；泥浆 0 引言 泥浆拖拽阻力是指管道回拖过程中泥浆作用在管道上的动切力，泥浆拖拽阻力对回拖力的影响大小需研究1-2。G. Duyvestyn2对回拖载荷的影响因素进行研究，提出将泥浆拖曳阻力纳入分析，可以更准确地预测回拖载荷的动态变化过程。泥浆拖曳阻力的贡献权重有3种模型 (AGA 模型3、ASTM 模型4、Polak 模型5-6)。M. E. Baumert7进行的水平定向钻穿越管道安装实验中监测模拟出的泥浆拖拽阻力占总回拖力的很大部分，最高可达77%，然而与此对应的Polak模型实例计算得出的泥浆拖拽阻力仅占整个回拖力的0.11%

3、5。主要原因是泥浆流变参数选取不一致，导致回拖力计算波动较大，孔底泥浆的剪切速率在较大范围内波动，而计算所用流变参数则基于特定剪切速率的实验数据回归而得8。S. T. Ariaratnam 等开展HDD 泥浆的流变特性检测研究，着重分析钻屑含量的影响规律9；所得数据在随后的 HDD 导向孔泥浆压降研究中得以运用，但分析中并未采纳W. C. Chin 的建议10。M. E. Baumert11等继续W. C. Chin8的工作，基于S. T. Ariaratnam9的成果，分别采用高剪切速率 (300、600 r/min)与低剪切速率(6、100 r/min)下的剪切数据回归流变参数，结果显示2

4、次计算的压降值相差 70%，分析认为低剪切速率下的流变参数更适合在回拖载荷的计算中应用。 1 泥浆拖拽阻力计算 泥浆是典型的非牛顿流体，确定其流变特性是进行泥浆拖曳阻力计算的前提。目前，泥浆拖拽阻力的计算主要存在2种思路：经验法确定，即根据现场施工经验直接确定管道外表面所形成的泥浆剪切应力值(D. P. Huey12，J. S. Puckett13等的相关研究)，根据管道外表面积大小确定整个流体阻力值，或是根据活塞效应，基于孔底压力的监测数据反算出流体阻力(I. D. Moore等14的相关研究)；解析法确定，该方法主要是基于流体力学推导而来，分析泥浆流体在管道与孔壁间的流动规律，推导出管道与

5、泥浆界面之间的剪切应力的计算公式5。解析法的基础为假定泥浆流动符合幂律流体在同心环形空间中的稳定流动，如图1所示，泥浆拖拽阻力计算公式为: (1) (2) Q=2rv(r)dr (3) 式中：(Td)i为第i段的泥浆拖拽阻力，N；K为泥浆稠度系数，Pasn；n为泥浆流性指数(无量纲)；Rp为回拖管道的半径，m；D为管道外径，m；Lk为管道在钻孔内的回拖长度,m;v(r)为泥浆流速分布规律，m/s；Rl为环形空间中泥浆的最大流速处半径，m；Rb为终孔半径，m；vp为管道的回拖速率，m/s；dp/dz为沿管道轴线方向的压力梯度，Pa/m；Q为泥浆流量，m3/s。 图1 泥浆流体钻孔流动模型 联合式

6、(1)式(3)，迭代计算可求解相应的流体阻力(Td)i。 管道回拖期间，泥浆拖拽阻力与泥浆、泥浆流速、管道及钻孔的几何尺寸有关。实际施工中，为了简化泥浆拖拽阻力的计算，一般用泥浆拖拽系数进行简化。ASTM模型假定泥浆对管道外表面、导向孔孔壁剪切力相等，则泥浆拖拽阻力Td等于泥浆总剪切力的一半，即4： (4) 式中：Td为泥浆拖拽阻力，kN；P为导向孔内泥浆压降，kN/m2，推荐取70 kPa；Dhole为钻孔直径，m。 2 泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重分析 管道回拖力的分析计算涉及工程力学、流体力学、土力学、弹性力学等方面，其计算的精确度影响工程施工。目前，实际工程中的回拖力计算大都采用经验

7、估算法，如卸荷拱土压力计算法、净浮力计算法和绞盘计算法。涉及到的标准包括GB 50424-2007 油气输送管道穿越工程施工规范15、GB 50268-2008 给水排水管道工程施工及验收规范16、ASTM F19622011Standard Guide for Use of Maxi-Hori-zontal Directional Drilling for Placement of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles，Including River Crossings等。文献17表明，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

8、力值偏小，虽然在实际施工中会按照回拖力计算结果的1.53倍选择钻机，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偏大；美国材料试验学会采用的ASTM标准计算结果与实际工程较接近。因此，本文在研究泥浆拖拽阻力与回拖力关系时采用ASTM方法进行。 ASTM计算方法的思路是将穿越管段近似为一条部分缠绕在巨型卷筒上的柔性钢索，其穿越包含了直线段和弯曲段的组合。 在水平钻孔内回拖时的摩擦阻力即为回拖力： Fp=fWsL (5) 式中：Fp为回拖力，kN；f为管道与泥浆之间的摩擦系数(无量纲)，通常平均值取0.3，管道与地面之间的摩擦系数通常取0.5，

9、采用滚轮时取0.1；Ws为单位长度管道重力方向上的合力，kN/m；L为钻孔长度，m。 弯曲段受力应用绞盘效应，回拖力计算公式如下： Fc=e(WsL) (6) 式中：为管道与泥浆之间的摩擦系数(无量纲)，通常取0.3；为管道的弯曲角，rad；L为回拖长度，m。 由于水平定向钻穿越可分解成直线段和弯曲段，因此可将式(5)和式(6)应用到钻孔的各个直线段和弯曲段中。如图2所示，钻孔轨迹中4点处回拖力TA、TB、TC、TD可采用式(7)式(12)进行计算，并取其中最大值作为设计回拖力。 图2 管道回拖力计算的钻孔轨迹TA=exp(va)vawa(L1+L2+L3+L4) (7) TB=exp(vb)

10、TA+vb|wb|L2+wbH-vawaL2exp(va) (8) TC=TB+vb|wb|L3-exp(vb)vawaL3exp(va) (9) TD=exp(vb)TC+vb|wb|L4-wbH-exp(vb)vawaL4exp(va) (10) wa=D2wa (11) wb=wb-wa (12) 式中：L1为钻孔外额外需要的管道长度，m；L2为管道入孔点距离管道预定深度的水平距离，m；L3为水平段的长度，m；L4为水平段终点至管道出土点的水平距离，m；H为钻孔埋深，m； va为管道与地面之间的摩擦系数，无量纲；vb为管道与钻孔孔壁之间的摩擦系数，无量纲；wa为单位长度空管道的重力，kN

11、/m；wb为单位长度管道重力方向上的合力，kN/m；为管道入土角，()；为管道出土角，()；w为水的重度，kN/m3，取值9.8 kN/m3；a为管道材料的相对密度，如PE为0.955，钢材为7.85；DR为管道径厚比，无量纲；b为泥浆的相对密度。 由ASTM方法可知，将泥浆拖拽阻力分别加入到式(7)式(10)可得4个关键点处的回拖载荷预测值： =exp(va)vawa(L1+L2+L3+L4) (13) =exp(vb)TA+Td+vb|wb|L2+wbH-vawaL2exp(va) (14) =TB+Td+vb|wb|L3-exp(vb)vawaL3exp(va) (15) =exp(vb

12、)TC+Td+vb|wb|L4-wbH-exp(vb)vawaL4exp(va) (16) 在A、B、C、D点处，将考虑泥浆拖拽阻力的回拖力与未考虑泥浆拖拽阻力的回拖力之间的差值和未考虑泥浆拖拽阻力的回拖力的比值作为泥浆拖拽阻力在各关键点对回拖力的贡献权重，即可以用式(17)计算： Pi=100% (17) 3 实例计算与分析 3.1 西气东输管道穿越 西气东输管道工程采用水平定向钻方式穿越江苏无锡的北兴塘河。穿越地质为黏土和粉质黏土层，穿越管段总长564 m(管道附加长度L1=14.4 m，下行段水平长度L2=250.48 m，中间水平段长度L3=19.39 m，上升段水平长度L4=278.

13、23 m)，外径D=1 016 mm，壁厚=26.2 mm。最终扩孔直径Dhole=1 320 mm。管道入土(钻杆出土)角=7.1(0.123 92 rad)，出土(钻杆入土)角=9.2(0.160 57 rad)。穿越深度H=21.3 m。取va=0.1,vb=0.3，a=7.85，b=1.15，将有关数据带入上述计算公式中求得：Td=19.52 kN，TA=356.94 kN，TB=492.72 kN，TC=496.64 kN，TD=516.06 kN，=356.94 kN， =512.98 kN，=536.42 kN，=578.29 kN，PA=0，PB=4.1%，PC=8%，PD=1

14、2.1%。实际回拖力Tmax=658 kN。 3.2 武汉天然气干线管道穿越 武汉天然气干线管道工程采用水平定向穿越汉江。穿越地质为冲填土、黏土、粗砂和部分砂夹卵石层。穿越管道总长853 m(管道附加长度L1=0，下行段水平长度L2=227.65 m，中间水平段长度L3=406.05 m，上升段水平长度L4=216.30 m)，外径D=711 mm，壁厚=11 mm。最终扩孔直径Dhole=1 067 mm。管道入土(钻杆出土)角=6(0.104 72 rad)，出土(钻杆入土)角=10(0.174 53 rad)。穿越深度H=35.2 m。取va=0.1，vb=0.3，a=7.85，b=1.

15、15，将有关数据带入上述计算公式中求得：Td=17.40 kN，TA=159.85 kN，TB=399.90 kN，TC=639.48 kN，TD=711.40 kN，=159.85 kN，=417.86 kN， =674.84 kN，=766.99 kN，PA=0，PB=4.5%，PC=5.5%，PD=7.8%。实际回拖力Tmax=997 kN。 3.3 苏丹3/7区原油外输管道穿越 苏丹3/7区原油外输管道工程采用水平定向钻方式穿越阿特巴拉河。穿越地质为砂性黏土和砂夹砾石层。穿越管段总长483 m(管道附加长度L1=0，下行段水平长度L2=207.34 m，中间水平段长度L3=84.92

16、m，上升段水平长度L4=187.96 m)，外径D=813 mm，壁厚=18.9 mm。最终扩孔直径Dhole=1 067 mm。管道入土 (钻杆出土)角=6(0.104 72 rad)，出土(钻杆入土)角=10(0.174 53 rad)。穿越深度H=16.67 m。取va=0.1，vb=0.3，a=7.85，b=1.15，将有关数据带入上述计算公式中求得：Td=13.13 kN，TA=176.02 kN，TB=284.16 kN，TC=308.68 kN，TD=343.41 kN，=176.02 kN，=297.71 kN，=335.35 kN，=385.34 kN，PA=0，PB=4.8

17、%，PC=8.6%，PD=12.2%。实际回拖力Tmax=681 kN。 4 结束语 通过以上的分析和对工程实例的计算，可以看出： (1)由于ASTM法建立的力学模型考虑了摩擦阻力、泥浆拖拽阻力、绞盘效应力等，因此与管道实际受力情况比较符合。但是计算值与实测值不完全相符而较实际值小，主要原因为：模型忽略了管道抗弯刚度的影响，未考虑弯曲效应引起的阻力；模型假定了管道出土点与入土点之间高度差为零、穿越曲线中间段为水平直线，从而建立了一个理想化的力学模型，然而实际施工中管道一直处在一个动态回拖环境中。 (2)ASTM法建议管道与地面之间的摩擦系数va取值0.5，管道与钻孔孔壁之间的摩擦系数vb取值0

18、.3，如果地表的管道采用滚轮支撑，则va取值0.1。在上述3个实例的计算过程中发现，va取值0.5和0.1时回拖力计算值差别很大，va越小回拖力计算值越小，因此在实际工程中一般对孔外的管道采取支撑以尽可能地降低va。 (3)根据以上3个实例数据计算可知，出土点的回拖力均为最大值，分别计为其设计回拖力。在出土点处泥浆拖拽阻力引起的回拖力计算差值为10%左右，比较稳定。因此泥浆拖拽阻力在回拖力中贡献的权重不能忽略。 参考文献： 1 CHIN W C.Computational rheology for pipeline and annular flowM.Boston：Gulf Professio

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26、T M.Investigations of pipe installation using directional drillingOL. 15 中华人民共和国建设部.油气输送管道穿越工程施工规范:GB 504242007S.北京：中国计划出版社，2008：15-17. 16 中华人民共和国住房和城乡建设部.给水排水管道工程施工及验收规范：GB 502682008S. 北京: 中国建筑工业出版社，2009：60-61. 17 杨先亢,遆仲森,马保松,等.水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析J.石油工程建设,2011(1):1-6. Contribution Weight of Fluid

27、ic Drag Friction to Pull Forcein Horizontal Directional Drilling YAN Dao-gen1， WANG Cong2 (1.School of Mechanical Engineering， Xian Shiyou University， Xian 710065， China;2.School of Mechanical Engineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China) Abstract: In the research pull force in horizont

28、al directional drilling, the contribution weight of fluidic drag friction to pull force is an important content. Contribution weight of fluidic drag friction is inconsistent in the present calculation model. Aiming at this problem, this paper adopted ASTM method to compute and research which are clo

29、ser to the actual engineering. The new weight calculation formula was put forward. Combining with 3 typical engineering examples, the contribution weight of fluidic drag friction was calculated and analyzed. It is indicated that the calculation difference of pull force caused by fluidic drag frictio

30、n is about 10%. The contribution weight of fluidic drag friction cannot be ignored. Keywords:horizontal directional drilling (HDD); pull force; fluidic drag friction; contribution weight；pipe；slurry 收稿日期：2016-11-28 中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1004-9614(2017)04-0038-04 作者简介：颜道根(1983)，硕士研究生，研究方向为水平定向钻在管道河流穿越施工中的应用。 E-mail：471324321