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065000）

定向钻穿越试回拖过程数值模拟

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065000）

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ANSYS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。

定向钻；试回拖；数值模拟

0 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。

1 问题的提出

试回拖一般选取较短管段进行，回拖过程中，各部分的连接件为：钻杆+桶式扩孔器+万向节+U型环+试回拖管道+钻杆，本文研究对象是针对3根直缝钢管进行试回拖。

定向钻施工扩孔完成后，孔内充满泥浆，此时管道所受的浮力大于其自身重力，为了避免在回拖过程中管道由于上浮带来的回拖困难，一般在管道内设置PE管，同时PE管内充满水以实现配重作用，但由于试回拖管道较短，在钻杆、扩孔器、万向节、U型环的影响下很可能造成在配重后出现前端和后端的变形不一致，而对回拖过程产生影响，故采用大型通用有限元软件ANSYS进行了数值模拟，以确定在试回拖过程中各部件的变形及受力。

2 试回拖各部件参数

各连接件尺寸为：D 168 mm钻杆+D 1 067 mm桶式扩孔器+5 000 kN万向节+3 000 kN U型环+3根D820mm钢管+D168mm钻杆，如图1所示。

图1 试回拖各部件示意

在各回拖部件中，D 1 016 mm桶式扩孔器质量约1 810 kg，5 000 kN万向节质量1 230 kg，U型环质量300 kg，D 168 mm单根钻杆质量480 kg，长9.6 m；待回拖的管道为3根D 820 mm钢管，壁厚15.9 mm；用于配重的PE管外径为500 mm，回拖时孔道的直径为1 118 mm。

3 数值模型的建立

进行数值模拟前，需要对模型进行合理的简化，根据受力特点，钻杆受到泥浆浮力F浮和自重G的作用，经计算，F浮＜G，故钻杆应处于向下挠曲的状态。钻杆与扩孔器相连，可以认为二者固接，考虑到钻杆较长，必然有一段要接触孔壁下缘，对于两端固接的梁而言，均布荷载下其变形如图2所示。

图2 两端固定梁挠度计算简图

l——梁长；

E——弹性模量；

I——截面惯性矩。

由此反算出最大挠度620mm出现时，l=40 m，故可取此长度作为简化模型计算。在回拖段后端，管道与钻杆铰接，同理，钻杆的简化长度为33 m。

根据钻杆和管道的受力特性，采用beam188单元进行模拟，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。

万向节和U型环之间按铰接处理，管道后端的钻杆和管道之间亦作为铰接处理，前段钻杆前端和后段钻杆末端的所有自由度均加以约束。

有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

4 计算结果分析及优化

在不考虑孔壁的约束情况下，得出试回拖过程中各部分的变形如图4（a）所示，可以看出管道的前端会接触孔壁的下缘。将管道前端固定于孔壁下缘，得到各部分变形如图4（b）所示，可以看出管道的后端将与孔壁的上缘接触。

图4 变形示意

出现上述情况的原因主要是试回拖过程中管道受前端钻杆、扩孔器及万向节等重力的影响，管道前端与扩孔器之间为铰接，管道前端重力大于浮力，故而管道前端接触孔壁下缘；管道后端则刚好相反，管道的浮力大于自身的重力，导致管道接触孔壁上缘。

根据上述计算结果，对试回拖过程进行优化，考虑在管道前端设置一定长度的不充水段，管道后端则设置一定长度的配重段（配充水管）。

经计算，管道前端宜设置2.6 m的不充水段，以平衡重力。后端一定范围内需要设置2根充水管以增加配重，考虑到穿越管径为D 820 mm，在采用原D 500 mm的PE管的基础上，在尾部增加一根长3.2 m、D 200 mm的PE管，并充满水。

优化试回拖过程后，管道的整体变形如图5所示。

图5 优化后整体位移示意

由上图可以看出，管道基本处于平衡状态，钻杆的位移也基本上在孔道范围之内，假设情况与真实情况基本吻合。

管道在回拖过程中最大的竖向位移只有2 cm左右，基本处于平衡状态，而管道在自重和浮力的影响下，应力也比较小，只有6 MPa左右，对管道的试回拖没有影响。

管道在试回拖过程中，钻杆在自重和浮力作用下的应力也需考虑，根据有限元计算结果，钻杆在浮力和自重作用下的最大应力发生在前段钻杆，其应力云图见图6。由图中得出钻杆的最大应力是196 MPa，对试回拖过程影响不大。

图6 钻杆的应力云图

5 结论

（1） 采用有限元对试回拖过程进行模拟能够反映出钻杆、管道和扩孔器的变形情况，计算结果符合模型简化假设，可以指导实际工程施工。

（2） 计算结果表明，在不进行优化的情况下，若只采用PE管充满水配重，由于钻杆、管道、扩孔器等重力和浮力的影响，管道前端接触孔壁下缘，后端接触孔壁上缘。

（3） 管道在试回拖时可考虑采用不同的配重措施以实现管道在泥浆中的平衡。针对本文中的工程，调整措施可以考虑管道前端设置2.6 m的不充水段，后端则在D 500 mm的PE管的基础上，在尾部增加一根长3.2 m的D 200 mm的PE管，并充满水。

（4） 试回拖过程中，管道和钻杆在自重和浮力的作用下应力较小，不影响回拖。

（5） 通过合理配重，试回拖管道在孔道内的状态基本可保证与正式回拖一致，试回拖对正式回拖具有借鉴意义。

[1] 赵帅.油气管道定向钻穿越技术[J].石油工程建设，2009，35(2):37-40.

[2] 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社，2004.

Abstract：Horizontal directional drilling（HDD）is an important crossing method for long-distance pipelines.For some complex geological conditions,it’s required to conduct pullback test to verify the stability of drilled hole.This article analyzes and researches the pullback test process of pipeline.It adopts ANSYS—a large-scale universal finite element software for numerical simulation.In light of the calculation results,the pullback test process is optimized to make the pipeline pullback test in accordance with the real pullback state,and the deformations and stresses of drill pipe and pipeline are analyzed and calculated.The results show that the optimized pullback test process is more reasonable and the real pullback operation can draw on the experience from the pullback test results.

Key words:horizontal directional drilling（HDD）;pullback test;numerical simulation

（5）Numerical Simulation of Pullback Test in Horizontal Directional Drilling

ZUO Lei-bin（China Petroleum Pipeline Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000,China）,LI Guo-hui,MA Xiao-cheng,et al.

TE973.4

A

1001－2206（2011）01－0005－03

左雷彬（1982-），男，河北保定人，工程师，2008年毕业于天津大学桥梁与隧道工程专业，硕士，主要从事长输管道穿跨越设计工作。

2010-03-15；

2010-11-18