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定向钻穿越过程回拖力计算方法选择

袁亮;刘沛

【摘要】文中通过对几种常用定向钻穿越时回拖力的计算方法适用范围进行分析比较,列举工程实例,通过计算结果的对比,优选出回拖力计算最准确的方法.计算结果表明:采用ASTM方法计算的回拖力大小与实际测量值误差最小;对ASTM计算方法进行修正,修正后的计算方法其结果更符合工程实际值.

【期刊名称】《管道技术与设备》

【年(卷),期】2018(000)004

【总页数】4页(P43-46)

【关键词】回拖力;修正;适用条件;定向钻;穿越

【作者】袁亮;刘沛

【作者单位】陕西首创天成工程技术有限公司,陕西西安710016;陕西首创天成工程技术有限公司,陕西西安710016

【正文语种】中文

【中图分类】TE8

0引言

在管道穿越施工过程中，影响回拖力的因素有管道在泥浆中的浮力、管道的重力、管道与孔壁之间的摩擦系数以及泥浆的粘滞系数等。在定向钻穿越施工的过程中，回拖力对于施工工艺确定、设备选取、管道连接、安装设计、管道长度、卡管现象的预防等起着决定性的作用[1]。回拖力的确定在整个定向钻穿越施工中起着至关重要的作用[2]，目前许多文献基于不同的理论，推导出了各种计算公式，但并未详细解释不同公式计算结果中的差异，并对其适用条件范围做出解释。本文对常用的几种回拖力计算方法进行分析对比，并说明其适用条件。

1回拖力计算方法

1.1卸荷拱土压力计算方法

受孔道上方塌落土的压力以及孔底支承力的影响，孔底承受管道自身的重力，其计算方法为[3]

F=[2p(1+ka)+P0]μL

(1)

式中：F为回拖力，kN；p为土壤对单位长度管道施加的压力，kN/m；ka为土的压力系数，一般取0.3；P0为单位长度管道所受重力，kN/m；μ为摩擦系数；L为穿越管段的长度，m。

图1为土壤卸荷拱示意图。φ为穿越地层土的内摩擦角。一般地，砂层为30°～40°，黏土层为15°～25°。

图1土壤卸荷拱示意图

管段所受压力由垂直方向的土压力pv和侧方向的土压力ph组成，即p=pv+ph。引入孔壁稳定系数λ，则卸荷拱的高度为[3]：

(2)

(3)

式中：pv为管道受到土壤垂直方向的压力，kN/m；γe为土的容重，kN/m3；D0为管道外径，m；De为扩孔直径，m；h为天然卸荷拱的高度，m；fkp为土层的结实系数；λ为孔壁稳定系数，一般取30.0～40.0。

依据朗肯土压力理论，ph为[3]

(4)

由式(1)、式(3)、式(4)推导可得：

(5)

表1为土壤坚实系数及孔道稳定系数表。

表1土壤坚实系数及孔道稳定系数[4]土壤种类坚实系数沼泽土、新填土、淤泥等不稳定土0.6塑态轻亚黏土(Ip≤4)0.6塑态轻亚黏土(Ip4)0.7塑态亚黏土、黏土、黄土0.8坚硬的亚黏土及黏土1.0

1.2给水排水管道工程方法

根据GB50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》推荐公式：

F=P1+PF

(6)

P1=πDLf1

(7)

(8)

式中：PF为钻头的阻力，kN；P1为管道外壁周围的摩擦阻力，kN；Ra为迎面土挤压力，一般情况下，黏性土可取500～600kN/m2，砂性土可取800～1000kN/m2；D为管道外径，m；De为扩孔钻头外径，m，一般取管道外径1.2～1.5倍；f1为管外壁单位面积阻力，黏性土取3.0～5.0kN/m2，砂性土取5.0～8.0kN/m2。

1.3油气输送管道穿越方法

根据GB50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》推荐的公式：

(9)

式中：δ为钢管壁厚，mm；γ1为泥浆重度，取11.5kN/m3；γs为钢材重度，γs=78.5kN/m3；Wb为回拖过程中单位长度配重，kN/m；μ为摩擦系数，根据地质条件的不同，取值不同，一般在0.1～0.3之间；K为粘滞系数，根据地质条件的不同，取值不同，一般在0.01～0.03之间。

1.4ASTM计算方法

依据ASTM算法：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[5-6]，对于水平孔内拖拉管道需要的拉力按照以下公式计算：

F1=μWL

(10)

式中：W为单位长度管道重力，kN/m；F1为水平段回拖力，kN。

当弯曲半径足够大时，管道会形成一个夹角θ，其回拖力的计算公式为

F2=eμθ(μWL)

(11)

式中：F2为弯曲管段的回拖力，kN；θ为管段弯曲段的夹角,rad。

图2为垂直弯曲管段回拖力示意图。

图2垂直弯曲管段回拖力示意图

由式(10)、式(11)，推导出系列回拖力计算公式如下(参考图3)：

图3管道穿越段曲线示意图TA=eμaα[μaP0(L1+L2+L3+L4)]

(12)

TB=eμaα[TA+Th+μb|P0-Pf|L2-(P0-Pf)H1-eμ