不同材质管道定向钻穿越过程最大允许长度探讨.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:刘沛(1 9 8 8-),男,陕西省乾县人,石油与天然气工程专业硕士研究生,工程师,陕西首创天成工程技术有限公司科技研发办公室主任。不同材质管道定向钻穿越过程最大允许长度探讨刘 沛(陕西首创天成工程技术有限公司,陕西 西安 7 1 0 0 1 6)摘要:在天然气管道定向钻过程中,不同材质管道所承受的拖拉力不尽相同,导致不同材质的管道最大回拖允许长度不同,本文通过分析钢质管材和聚乙烯管材定向钻穿越过程中的最大允许拖拉力、从而确定不同管材的最大回拖允许长度,为工程实际运用提供理论支持。关键词:中图分类号:T E 9 7 3.4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 7-0 0 5 6-0 41 前言我国从上世纪8 0年代引进水平定向钻穿越技术,目前已经可以完成长距离、复杂地质情况下的大穿越1。2 0 1 3年西气东输 江都如东天然气管道泰兴至芙蓉段 长江定向钻穿越一次回拖成功,创造了管径7 1 1毫米,长度3 3 0 2米定向钻穿越世界新纪录,2 0 1 9年7月2 6日,由中国石化天然气分公司广西管道公司负责建设的中科炼化一体化工程配套输气管道通明海峡定向钻穿越一次成功,穿越长度4 0 6 0米,刷新我国大陆钢质天然气管道定向钻穿越长度之最。对于聚乙烯管材定向钻允许最大穿越长度,一般规定不大于3 0 0 m2。在天然气管道定向钻穿越工程设计中,由于现场环境、实际运行压力、预制场地等因素的影响,经常出现定向钻穿越长度大于3 0 0 m的情况,燃气企业因协调部分原因或现场条件受限要求设计单位使用聚乙烯燃气管道,本文对钢质管道和聚乙烯管材的最大允许长度进行讨论,为工程实际提供依据。2 回拖力计算2.1 钢管的回拖力计算2.1.1 穿越长度计算定向钻穿越钻孔轨迹设计需要考虑入出角度、出土角度、穿越深度、穿越长度、曲线段曲率半径、地质情况、施工场地等因素,导向穿越长度应按下列公式计算2:L=L1+L2+L3+L4+L5(1)L1=H-R1(1-c o s)s i n(2)L2=R12 3 6 0(3)图1 定向钻孔轨迹长度 L4=R22 3 6 0(4)L5=H-R2(1-c o s)s i n(5)式中:入土角();出土角();H 最大敷设深度(m);R1、R2 管 道 的 弯 曲 半 径(m),一 般取1 5 0 0 D。对应的地面直线距离可按下列公式计算:L =L1+L2+L3+L4+L5(6)L1=H-R1(1-c o s)t n(7)L2=R1 s i n(8)L4=R2 s i n(9)L5=H-R2(1-c o s)t n(1 0)65 内蒙古石油化工2 0 2 3年第7期(2)回托力计算定向钻穿越回托力计算根据 油气输送管道穿越工程设计规范(G B 5 0 4 2 3-2 0 1 3)推荐的公式3:FL=Lf|D24m-Ds-Wf|+KDL(1 1)式中:FL计算的拉力(k N);L穿越管段的长度(m);f摩擦系数,摩擦系数,根据地质条件的不同,取值不同,一般在0.10.3之间;D钢管的外径(m);m泥浆重度(k N/m3),可取1 0.51 2.0;s钢管重度(k N/m3),取7 8.5;钢管壁厚(m);Wf回拖管道单位长度配重(k N/m);K黏滞系数(k N/m2),粘滞系数,根据地质条件的不同,取值不同,一般在0.0 10.0 3之间。(3)钢质管材最大允许拖拉力计算分析公式(1 1)可知,钢质管道定向钻穿越回拖力大小主要受钢管的管径、壁厚、穿穿越长度的影响。穿越长度越长,管径越大,壁厚越后,其回拖力越大,但是回拖过程中,管材应有其承受的最大回拖力,其计算方法如4。F=(D2-D21)4 N(1 2)式中:F管道能承受的最大回拖力(k N);D钢管的外径(m);D1钢管的内径(m);N安全系数,取3.0;管道的最小屈服强度(N/mm2),钢质管道与钢级有关;分析公式(1 2)可知,管道承受的最大回拖力与管道材质、管道外径、管道壁厚有关,管材的最小屈服强度越大,外径越大,壁厚越大,其可承受的回拖力越大。2.2 聚乙烯管允许拖拉力计算2.2.1 聚乙烯管材拖拉力计算根据 水平定向钻法管道穿越工程技术规程(C E C S3 8 2-2 0 1 4)推荐的聚乙烯管道定向钻拖拉力计算公式4:FL=ef(f WfL)(1 3)Wf=D24m-Wp(1 4)WP=(D2-D21)4P(1 5)图2 聚乙烯管道回拖力示意图 式中:FL允许拖拉力(k N);Wf单位长度空管道所受的净浮力(k N);Wp单位长度管道的重力(k N/m);p聚乙 烯 管 道 的 比 重(k N/m3),一 般 取0.9 5 5;f摩擦系数,摩擦系数,根据地质条件的不同,取值不同,一般在0.10.3之间;管道弯曲角度(r a d),一般定向钻出、入土角度为8,约合0.1 3 9 6 r a d;2.2.2 聚乙烯管材最大允许拖拉力计算聚乙烯管道最大的允许拖拉力根据 城镇燃气管道穿跨越工程技术规程(C J J/T2 5 0-2 0 1 6)推荐的公式2:FL=1 4 d e23S D R(1 6)式中:FL允许拖拉力(k N);d e管道公称直径(mm);S D R标准尺寸比(管道外径与壁厚的比值),厚壁聚乙烯管材为1 1,薄壁聚乙烯管材为1 7。公式(1 6)表明聚乙烯管道回拖力是由管径和壁厚决定,与穿越长度无关。与公式(1 3)相比,公式(1 6)未考虑摩擦阻力、净浮力、绞盘效应力等影响因素。3 最大允许长度计算3.1 钢管最大允许长度计算前文已经分析,钢质管道定向钻穿越回拖力大小主要受钢管的管径、壁厚、穿穿越长度的影响。穿越长度越长,管径越大,壁厚越后,其回拖力越大;管道承受的最大回拖力与管道材质、管道外径、管道壁厚有关,管材的最小屈服强度越大,外径越75 2 0 2 3年第7期刘 沛 不同材质管道定向钻穿越过程最大允许长度探讨大,壁厚越大,其可承受的回拖力越大。本次以相同的穿越地质情况,相同的管径和壁厚,计算不同材质钢质管道最大允许回托力大小,反算不同材质的最大穿越长度,计算参数见表1。表1 钢质管道穿越参数取值材质选择参数取值备注L 3 6 0 Nf取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取1 5 0 0 D,m取1 2,s取7 8.5D=3 2 3.9 mm,=9.0 mmL 3 9 0 Nf取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取1 5 0 0 D,m取1 2,s取7 8.5D=3 2 3.9 mm,=9.0 mmL 4 1 5 Nf取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取1 5 0 0 D,m取1 2,s取7 8.5D=3 2 3.9 mm,=9.0 mmL 4 5 0 Nf取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取1 5 0 0 D,m取1 2,s取7 8.5D=3 2 3.9 mm,=9.0 mm 根据以上计算参数,计算结果见表2。表2 计算结果材质选择最大回拖力为(KN)最大允许穿越长度(m)L 3 6 0 N1 0 6 7.8 94 5 5 1.8L 3 9 0 N1 1 5 6.8 94 9 3 1.1L 4 1 5 N1 2 3 1.0 45 2 4 7.2L 4 5 0 N1 3 3 4.8 65 6 8 9.8 通过表1参数取值及表2计算结果可知,以D 3 2 3.99.0-L 3 6 0 N管 材 为 例,其 外 径D=3 2 3.9 mm,壁 厚=9.0 mm,最 小 屈 服 强 度=3 6 0 N/mm2,计 算 其 承 受 的 最 大 回 拖 力 为1 0 6 7.8 9 k N,钢管允许的最大穿越长度经计算可达4 5 5 1.8 m,已 经 超 过 目 前 我 国 最 大 的 穿 越 长 度4 0 6 0 m。一般在钢质管道定向钻穿越过程中,管材选取比较严格,最低屈服强度为3 6 0 MP a,因此在采用钢管进行定向钻穿越时,其最大允许长度基本可以满足国内项目需求。3.2 聚乙烯管道最大允许长度计算在实际工程中,当管径大于4 0 0 mm时,采用聚乙烯管道定向钻穿越工程总体造价将大于钢管,因此一般采用聚乙烯管道定向钻敷设时,设计采取d e 4 0 0以 下 管 径,本 文 以d e 3 5 5、d e 3 1 5,d e 2 8 0、d e 2 8 0、P E 1 0 0S D R 1 1的聚乙烯管道为例,计算各自规格最大允许拖拉力及最大允许穿越长度。聚乙烯管道计算参数取值见表3。表3 聚乙烯管道穿越参数取值材质选择参数取值备注d e 3 5 5f取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取5 0 0 d e,m取1 2,p取0.9 5 5 KN/m3Wp取0.0 3 1 2 KN/mWf取1.1 5 6 KN/mP E 1 0 0S D R 1 1d e 3 1 5f取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取5 0 0 d e,m取1 2,p取0.9 5 5 KN/m3Wp取0.0 2 4 5 KN/mWf取0.9 1 0 KN/mP E 1 0 0S D R 1 1d e 2 8 0f取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取5 0 0 d e,m取1 2,p取0.9 5 5 KN/m3Wp取0.0 1 9 4 KN/mWf取0.7 1 9 KN/mP E 1 0 0S D R 1 1d e 2 5 0f取0.3,取8,取8,H取6.0 m,R取5 0 0 d e,m取1 2,p取0.9 5 5 KN/m3Wp取0.0 1 5 5 KN/mWf取0.5 7 3 KN/mP E 1 0 0S D R 1 1 根据以上计算参数,计算结果见表4。表4 计算结果材质选择最大回拖力为(KN)最大允许穿越长度(m)d e 3 5 51 6 7.8 84 6 5.4 6d e 3 1 51 3 2.1 84 6 5.5 6d e 2 8 01 0 4.4 44 6 5.5 6d e 2 5 08 3.2 64 6 5.7 2 根据表4的计算结果可知,对于不同外径,相同标准尺寸比的聚乙烯管道,其最大允许穿越长度基本相同,约为4 5 6.5 6 m,计算允许穿越长度已经超出了相关规范 城镇燃气管道穿跨越工程技术规程(C J J/T2 5 0-2 0 1 6)第4.3.3条“当穿越管道的管径大于D N 4 0 0或者长度大于3 0 0 m时,宜采用钢管”的要求。对于规范中的“宜”,规范给出的解释为:表示稍有选择,在条件许可时首先应这样做。该条解释意味着在实际工程中,由于协调原因、场地条件受85 内蒙古石油化工2 0 2 3年第7期 限等原因,聚乙烯管道定向钻穿越长度可以超过3 0 0 m的要求。3.3 增大聚乙烯管道定向钻穿越长度的措施分析公式(1 3)及公式(1 4)可知,穿越段管道回拖时产生的回拖力,主要由管道与孔壁的摩擦力及泥浆的粘纸力组成,由于P E管道比重较小,在不增加配重的情况下,泥浆产生的浮力远远大于管道自身的重力,产生较大的摩擦力,因此为减少管道回拖过程中的摩擦力,使其不超过聚乙烯管道的最大允许拖拉力,可以在聚乙烯管道定向钻回拖过程中增加配重以达到减少摩擦力的效果,本文以纯净水 w=9.8 KN/m3作为配重,聚乙烯管道增加配重后的单位长度管道所受的净浮力计算公式4如下:Wf=D2-D214m+D24w(1-2S D R)2(1 7)对 于d e 3 5 5、d e 3 1 5,d e 2 8 0、d e 2 8 0、P E 1 0 0S D R 1 1的聚乙烯管道,以纯净水增加配重后允许的计算最大穿越长度见表5。表5 增加配重后计算最大穿越长度材质选择不增加配重最大穿越长度(m)不增加配重最大穿越长度(m)d e 3 5 54 6 5.4 65 2 3.4 2d e 3 1 54 6 5.5 65 2 2.3 8d e 2 8 04 6 5.5 65 2 3.0 4d e 2 5 04 6 5.7 25 2 4.2 8 通过表5的计算结果可知,在聚乙烯管道定向钻穿越过程中,采用增加配重的方式,可以延长最大允许穿越长度,该长度突破了规范要求的聚乙烯管道穿越长度不大于3 0 0 m的要求,同时最大允许拖拉力也满足聚乙烯管道的允许要求。工程上已经有在回拖过程中充水降低回拖力的实例5,在 珠海市黄杨河燃气管道穿越工程6中,d e 3 5 5聚乙烯管道全程穿越5 2 0 m,工程后期运营安全有效。4 结语本文从规范要求和实际工程成功案例出发,研究了不同材质管道在定向钻穿越过程中的最大允许穿越长度,特别是对于聚乙烯管道,通过增加配重解决其最大允许拖拉力的问题,突破了规范要求的聚乙烯管道穿越长度不大于3 0 0 m的问题,解决了实际工程中的问题,既保证了穿越方案的合理性,又保证了设计计算的合理性。参考文献1 卜晓芹,郝明勤.国内最长距离黄河定向钻一次回拖 成 功 J.油 气 田 地 面 工 程,2 0 2 2,4 1(1):5 8-5 9.2 C J J/T2 5 0-2 0 1 6,城镇燃气管道穿越工程技术规程S.中国建筑工业出版社.2 0 1 6.3 G B5 0 4 2 3-2 0 1 3,油气输送管道穿越工程设计规范S.中国计划出版社.2 0 1 3.4 C E C S3 8 2-2 0 1 4,水平定向钻法管道穿越工程技术规程S.中国计划出版社.2 0 1 5.5 乾炜杰,贾德伟,李刚.P E配重管在大口径长距离定向钻穿越中的应用J.江汉石油科技,2 0 1 2,2 2(1):1 2 3-1 2 5.6 朱凯敏.珠海市黄杨河燃气管道穿越工程设计J.山西建筑,2 0 1 7,4 3(2 7):8 4-8 7.D i s c u s s i o no nt h em a x i m u ma l l o w a b l e l e n g t ho f c r o s s i n gb yd i r e c t i o n a l h o r i z o n t a l d r i l l i n gf o rp i p e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sL i uP e i(T h e2 n dD e s i g nI n s t i t u t eo fS h a a n x iS h o uC h u a n gT i a nC h e n gE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yC o.,L t d.,X ia n7 1 0 0 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ep r o c e s so fd i r e c t i o n a ld r i l l i n go fn a t u r a lg a sp i p e l i n e s,d i f f e r e n tm a t e r i a l so fp i p e l i n e sa r es u b j e c t e dt od i f f e r e n td r a gf o r c e s,r e s u l t i n gi nd i f f e r e n tm a t e r i a l so ft h e m a x i m u m a l l o w a b l ed r a gl e n g t ho f t h ep i p e l i n e i sd i f f e r e n t,t h i sp a p e rb ya n a l y z i n g t h em a x i m u ma l l o w a b l ed r a g f o r c eo f s t e e l p i p e sa n dp o l y e t h y l e n ep i p e sd u r i n gd i r e c t i o n a l d r i l l i n g t h r o u g h t h ep r o c e s s,s oa s t od e t e r m i n e t h em a x i m u ma l-l o w a b l ed r a gl e n g t ho fd i f f e r e n tp i p e s,t op r o v i d et h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fe n g i-n e e r i n g.K e yw o r d s:A l l o w a b l e l e n g t h;D i f f e r e n tm a t e r i a l s95 2 0 2 3年第7期刘 沛 不同材质管道定向钻穿越过程最大允许长度探讨