一种水平定向钻施工方法和管道回拖工艺与流程

1.本发明涉及油气管道定向钻穿越技术领域，具体来讲，涉及一种水平定向钻管道回拖工艺和一种水平定向钻施工方法。


背景技术：

2.油气管道水平定向钻是一种通过钻机采用导向、扩孔、回拖等典型工艺把管道从地面拖进地面之下的施工方法。
3.通常，水平定向钻工艺需要设置入土点、出土点(即管道入洞点)、回拖带三个区域，管道在地面回拖带进行预制。钻机放置于入土点，采用有线或无线控向装置连接在钻杆前端，通过钻机旋转传递扭矩的方式或采用泥浆马达提供旋转扭矩的方式按照设计曲线钻进，钻头前端呈发射状喷射泥浆，提供钻具润滑、降温、携砂及固孔等作用，最后钻头从出土点出钻，从而完成钻杆导向工序。导向完成之后，通常采用从出土点安装扩孔器于钻杆上，由入土点的水平定向钻机提供拉力和扭矩，向入土点回拉钻杆，从而带动扩孔器旋转状行进，进而把导向完成的孔道继续扩大，经过多轮扩孔，完成规范要求的孔道直径，满足管道敷设要求，全过程需要不间断注入高粘度泥浆，携带孔内悬浮渣体及稳固孔道，从而完成扩孔工序。扩孔完成以后，通过钻杆依次连接引导扩孔器、旋转分动器、预制管道，通过入土点的水平定向钻机，拖动管道进入孔道内，经过入土点的钻杆不断回收，从而完成管道回拖工序，实现管道在地下的敷设。
4.管道回拖是水平定向钻最后一个主要工序，也是最重要、风险最高的一个工序。在这个过程中，要克服管道与地面摩擦阻力、出土点进洞的卷盘阻力、洞内曲率过大的卷盘阻力、孔内管道与地层摩擦阻力、孔内管道与泥浆的粘滞阻力等，特别是大型水平定向钻回拖时的出土点(即管道入洞点)进洞时，因曲率较大带来管道弯曲应力过大的卷盘力，对回拖力的影响较大。阻力超限将引起回拖力增加、引导钻具旋转扭矩增大，从而带来回拖力超过钻机及钻具能力，引起钻机故障、钻具断裂等较大风险，甚至引起回拖失败，带来巨大经济损失。
5.现有的回拖管道卷盘力的控制通常采用支撑(或吊点)座、吊装设备提升、出土点(即管道入洞点)大开挖等方式改变管道行进曲率，从而降低管道入洞时产生的弯曲应力，即入洞卷盘效应削减，也俗称为猫道设置。其中吊装设备提升需要多台吊车等吊装设备把管道吊起，辅助管道入洞，但此法属于被动式判断，需要根据钻机段回拖力的变化，不断调整吊车的位置及吊装高度，投入较大且配合协调难度大，对于出土点场地条件较差的地点，此法不能实施。对于支撑(或吊点)座及打开挖方式均需要对管道入洞部位的地面曲率及高程进行设置。
6.在这个过程中，需要同时确定以下因素：
7.1、管道行进通道曲率；
8.2、管道支撑(或吊点)点的设置位置及设置数量；
9.3、满足管道端部的入洞倾角与洞口出土点倾角一致；
10.4、满足管道弯曲应力不能超过设计要求；
11.5、各支撑点(或吊点)的竖向力不大于支撑(或吊点)点装置的承重能力。
12.以上因素需要综合考虑，才能削减管道入洞卷盘效应。
13.由于因素点较多，计算繁杂，现有技术无法对水平定向钻回拖管入洞的卷盘效应进行兼顾考虑，通常只能初步对入洞管道曲率进行设计，无法综合考虑支撑(或吊点)点位置及数量的合理设置、管道端部入洞倾角等重要因素，管道回拖过程中，只能通过观察入洞姿态及回拖力的变化进行实时判断后，再对猫背形状等进行调整，回拖质量控制效果受到影响。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种水平定向钻管道回拖工艺，以解决水平定向钻回拖管道入洞时，因管道的刚度与入洞倾角相互影响而产生的卷盘效应，从而有效降低回拖荷载，保障管道应力安全。
15.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种水平定向钻管道回拖工艺，所述管道回拖工艺包括以下步骤：根据管道的规格、许用弯曲应力和水平定向钻出土点倾角建立管道回拖三维仿真模型；基于管道回拖三维仿真模型，设置管道自重荷载和管道入洞点倾角，对管道自重状态下的管道位移状况进行分析，以获取管道入洞挠度曲线；基于所述管道入洞挠度曲线，建立管道支撑点，并进行管道回拖阶段的仿真模拟非线性计算，获得不同支撑点设置情况下的管道非线性状态、各支撑点的位移、管道荷载状态以及支撑点装置荷载状态；分析不同支撑情况下的模拟结果，筛选获得符合回拖条件的支撑点设置情况和猫背曲线，并生成猫道设置方案；基于所述猫道设置方案，完成猫道设置，并实施管道回拖。
16.在本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例中，所述管道入洞点倾角可被设置为与所述出土点倾角相等。
17.在本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例中，所述支撑点设置情况可包括支撑点设置数量、支撑点设置位置以及支撑点装置的类型，其中，所述支撑点装置包括支撑设备和吊装设备。
18.在本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例中，所述猫道设置方案可包括水平定向钻回拖入洞的起弧点、整个卷盘效应控制猫背曲线、支撑点设置数量、支撑点设置位置、支撑点承载能力要求、以及管头位置。
19.在本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例中，所述完成猫道设置可具体包括：根据猫背曲线和管道入洞点倾角，采用挖填结合的方式制作回拖入洞点的猫背，同时，根据支撑点设置位置和支撑点设置数量，搭设支撑点装置，以使地面预制管道能够沿着猫背曲线上的支撑点装置前进至出土点。
20.在本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例中，所述回拖条件的判断依据可为：管道入洞点倾角与出土点倾角相等，管道弯曲应力小于设计应力要求，且各支撑点的竖向力不大于支撑点装置的承重能力。
21.在本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例中，所述管道回拖工艺可包括：根据所述符合回拖条件的支撑点设置情况和猫背曲线，筛选获得支撑点设置情况
和猫背曲线的最优值，并生成最优猫道设置方案；
22.基于所述最优猫道设置方案，完成猫道设置，并实施管道回拖。
23.本发明另一方面提供了一种水平定向钻施工方法，所述施工方法包括：导向孔工艺、扩孔工艺、以及如上所述的管道回拖工艺。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
25.(1)本发明通过仿真分析的方法获得合理的管道最优曲线布置方式及支撑点设置情况，在保证管道应力荷载安全的基础上，保证管道入洞角度与成孔一致的条件下，能够有效削减管道入洞时的卷盘效应，可以提高管道回拖的成功几率；
26.(2)本发明既可以有效控制管道与孔壁产生的摩阻力，减小定向钻回拖总力，同时又能保障管道入洞过程中不会因弯曲应力超限而发生变形，以确保管道回拖入洞的安全，从而有效提高大口径(例如，管径大于711mm)长距离(例如，长度大于1000m)水平定向钻回拖能力。
附图说明
27.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
28.图1示出了本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例的管道回拖示意图。
29.图2示出了本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例的管道卷盘效应示意图。
30.图3示出了本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例的管道支撑点三维建模示意图。
31.图4示出了本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例的仿真模拟获得的猫背曲线示意图。
32.图5示出了本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例的仿真猫背支撑点高程示意图。
33.附图标记说明：
34.1-定向钻机，2-钻杆，3-定向钻孔洞，4-扩孔器，5-分动器，6-预制管道，7-支撑轮，8-障碍体，9-卷盘效应区。
具体实施方式
35.在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的一种水平定向钻施工方法和管道回拖工艺。
36.需要说明的是，“上”、“下”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。
37.现有技术中，管道回拖设计只能初步针对入洞管道曲率进行，无法综合考虑支撑点位置及数量的合理设置、管道端部入洞倾角等重要因素，这也导致了在管道回拖过程中，工作人员只能通过观察入洞姿态及回拖力的变化进行实时判断后，再对猫背形状等进行调整，回拖质量控制效果受到影响。
38.对于大型定向钻穿越，管道自身刚度与水平定向钻成孔及地面回拖条件之间的差异性特点，采用水平定向钻技术敷设管道过程中，地下预扩成孔、水平定向钻出土点(即管道入洞点)、地面预制回拖管道弹性敷设等位置存在曲率过大或不均匀，大于管道弯曲应力许可，这会造成回拖过程中阻力过大或管道失稳变形，具有较大的穿越风险。由于入洞卷盘效应控制要素多，离散型高，传统施工控制手段及数值分析方法无法确定合理安全的入洞趋势。
39.具体来说，传统控制手段无法解决穿越管道回拖入洞时管道合理曲率、管道应力水平、支撑点合理数量及受力水平。传统数值分析方法多采用经验公式作为核算基础，即所有猫背需要的支撑点数量、位置等计算来源的边界条件均基于曲率、钢材刚度为基础的数值计算，这些计算均为线性计算。而管道刚度、曲率、支撑点设置、应力等要素在管道回拖入洞时，呈现的都是互相约束的非线性状况。因此，传统数值计算并不能真实还原管道回拖过程中的入洞角度、钢材刚度、支撑数量及支撑力之间的非线性关系，更不能直观读取管道任意各部位超限状态，也就无法对回拖过程的卷盘力削减做出优化。
40.为了解决上述问题，本发明提出通过仿真计算方法综合考虑水平定向钻管道入洞卷盘效应，对管道应力、管道曲率变化、支撑点数量及位置、支撑点受力约束等关键要素进行优化仿真计算，选取最优组合，并根据仿真结果设置入洞点的管道曲线布置、支撑(或吊点)点的数量及合理支撑(或吊点)能力。该工艺方法可以有效控制定向钻穿越路由曲线，改善水平定向钻回拖过程中的管道弯曲应力状况，降低穿越管道行进摩阻力，从而解决管道刚度对敷设路由曲率的质量要求，降低回拖风险，提高回拖成功率。
41.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种水平定向钻管道回拖工艺。
42.在本发明的水平定向钻管道回拖工艺的一个示例性实施例中，一种水平定向钻管道回拖工艺可包括以下步骤：
43.(1)根据管道的规格、许用弯曲应力和水平定向钻出土点倾角建立管道回拖三维仿真模型。
44.(2)基于管道回拖三维仿真模型，设置管道自重荷载和管道入洞点倾角，对管道自重状态下的管道位移状况进行分析，以获取管道入洞挠度曲线。
45.其中，管道入洞点倾角可被设置为与出土点倾角相等。
46.(3)基于所述管道入洞挠度曲线，建立管道支撑点，并进行管道回拖阶段的仿真模拟非线性计算，获得不同支撑点设置情况下的管道非线性状态、各支撑点的位移、管道荷载状态以及支撑点装置荷载状态。
47.具体来讲，支撑点设置情况可包括支撑点设置数量、支撑点设置位置以及支撑点装置的类型。其中，支撑点装置包括支撑设备和吊装设备中的至少一种。例如，支撑设备可以为发送滚轮或者发送沟，吊装设备可以为吊管机。
48.(4)分析不同支撑情况下的模拟结果，筛选获得符合回拖条件的支撑点设置情况和猫背曲线，并生成猫道设置方案。
49.其中，回拖条件的判断依据可为：管道入洞点倾角与出土点倾角相等，管道弯曲应力小于设计应力要求，且各支撑点的竖向力不大于支撑点装置的承重能力。
50.猫道设置方案可包括水平定向钻回拖入洞的起弧点、整个卷盘效应控制猫背曲线、支撑点设置数量、支撑点设置位置、支撑点承载能力要求、以及管头位置。
51.另外，也可以根据符合回拖条件的支撑点设置情况和猫背曲线，通过仿真优选获得最优的支撑点设置情况和最优的猫背曲线，并生成最优猫道设置方案。最优猫道设置方案应该满足以下条件：管道入洞点倾角与出土点倾角相等，管道弯曲应力小于设计应力要求，各支撑点的竖向力不大于支撑点装置的承重能力，且产生的回拖阻力最小。
52.(5)基于所述猫道设置方案，完成猫道设置，并实施管道回拖。
53.具体来讲，可根据猫背曲线和管道入洞点倾角，采用挖填结合的方式制作回拖入洞点的猫背，同时，根据支撑点设置位置和支撑点设置数量，搭设支撑点装置，定向钻机通过钻杆、引导扩孔器、分动器连接管道沿着猫背曲线上的支撑点装置逐渐前进至管道入洞点，即地面预制管道通过设置好的猫背进入已经扩孔的定向钻地下路径。
54.本发明的管道回拖工艺首先可以基于管道入洞的状态，建立由管道、地面介质状态、入洞位置及角度等关键参数组成的三维有限元仿真模型；再对管道刚度许可、现场地形形貌状况、入洞角度、支撑点受力许可等变量进行非线性仿真计算后，进行优化计算，并从多组结果中优选出的管道回拖猫背设置包括曲率变化、支撑点优化数量、支撑点平面及高程坐标、支撑点支撑力等实施要素，并形成仿真三维模型；最后可通过计算成果模型任意读取各关键参数，并根据这些要素对应设置管道现场曲率、支撑类型、支撑体受力空子、入洞部位等。
55.本发明另一方面提供了一种水平定向钻施工方法。
56.在本发明的水平定向钻施工方法的一个示例性实施例中，一种水平定向钻施工方法可包括：导向孔工艺、扩孔工艺、以及如上所述的管道回拖工艺。
57.为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。
58.示例1
59.某水平定向钻管道外径为1016mm，长度1000m，穿越地质情况为岩石，出土角(管道入洞)10度，管道弯曲应力小于360mpa。
60.图1为水平定向钻管道回拖示意图，如图1所示，定向钻机1设置在入土点，采用有线或无线控向装置连接在钻杆2的前端，钻杆2的另一端依次连接有扩孔器4、分动器5和预制管道6，预制管道6放置在出土点，支撑轮7设置在猫背曲线上。扩孔完成后，通过入土点的定向钻机1拖动预制管道6进入定向钻孔洞3内，经过入土点的钻杆2不断回收，从而完成管道回拖工序，实现管道在地下的敷设。
61.在管道回拖过程中，大型水平定向钻回拖时的出土点(即管道入洞点)进洞时，因曲率较大带来管道弯曲应力过大的卷盘力，对回拖力的影响较大。例如，如图2所示，当预制管道6沿障碍体8的曲面通过时，将因曲率产生管道弯曲应力，并在管道弯曲处形成卷盘效应区9，该区域形成的卷盘力对回拖力有较大的影响。
62.因此，为了确定合理安全的入洞趋势，本示例采用仿真分析计算获得入洞点管道的曲率、入洞角度及支撑(或吊点)结构数量等，以便能够有效削减卷盘效应，提高管道回拖可靠性。
63.水平定向钻管道回拖工艺可具体包括以下步骤：
64.(1)根据管道规格及设计说明书规定的管道许用弯曲应力、水平定向钻出土点(管道入洞点)的倾角建立三维仿真模型。
65.(2)加载管道自重荷载后，保证管道入洞角度与成孔角度(也就是出土点角度)一致，对管道自重状态下的管道典型位置的位移状况进行分析，即对管道的入洞挠度曲线进行初步“找形”。
66.需要说明的是，“对管道自重状态下的管道典型位置的位移状况进行分析”是指：本示例中的仿真分析计算方法需要对管道在没有入洞角度设置及入洞支撑的前提下，对管道只有自重作用下的位移状况进行“找形”。该“找形”能够为后续完全仿真实际情况下的各个边界条件的设置提供依据，特别是支撑可能高程的范围，这时计算的管道可能设置的位置高程变化是最大的，实际加上支撑后的高程变化只能小于“找形”计算的数值。因此，后续任意支撑点的高程的仿真优选均在该范围内设置，否则会产生大量无用计算，计算过程不具备实用性。
67.(3)以“找形”后的曲线为基础，更新管道曲线，初步设置管道支撑点，作为管道支撑边界条件，设置完成后的管道支撑点三维模型如图3所示。
68.基于该三维模型，以各支撑点及管道入洞角度(与出土角一致)作为计算变量，以管道应力作为限制条件，并采用仿真方法插值计算不同变量变化下，管道的非线性状态、支撑点的位移、管道的荷载状态以及支撑点装置的荷载状态，最终得到猫背曲线及支撑点数量及位置的最优化值。
69.具体来讲，本示例采用了仿真组合优选的优势，采用的仿真计算模型流程如下：
70.①
设置管道模型：赋予材料特性及尺寸特性，并进行单元划分。
71.②
进行初步“找形”计算：根据管道放置位置及管道回拖入洞点位置相对情况，初设猫背支撑a点(即猫背最高点)后加载重力荷载，并试算管道位移及应力、以及评估管道自垂范围合理性；若管道自垂范围合理，则往下继续后续的仿真计算，若管道自垂范围不合理，则返回重新设置支撑a点，再重新计算。
72.③
设置支撑点(可以根据现场情况进行初步设置)，建立关键约束条件(包括管头入洞角度、管道应力许可、支撑点受力许可)，并根据以上约束条件进行仿真计算，筛选出符合以上约束条件的工况组。然后结合现成吊装、支撑、开挖条件在仿真结果工况组中选择出最优方案。
73.例如，图4为仿真模拟后获得的猫背曲线，图5为仿真猫背支撑点高程。图5中纵坐标的合位移(ures)，横坐标表示模型支撑点对应管道上的节点号。
74.其中，猫背曲线及支撑点数量及位置的最优化值应该满足以下要求：管头入洞角度与出土角相同，管道弯曲应力小于设计应力要求。
75.(4)根据猫背曲线及支撑点数量及位置的最优化值，计算确定出水平定向钻回拖入洞的起弧点、整个卷盘效应控制猫背曲线支撑)点数量、支撑点位置、支撑点承载能力要求、管头位置等关键要素。
76.(5)根据仿真计算出的最优猫背曲线及出土点(管道入洞点)倾角，采用挖填结合的方式制作回拖入洞点的猫背。根据仿真优化计算出的支撑座数量、位置，搭设发送滚轮支架。
77.(6)定向钻机通过钻杆、引导扩孔器、分动器连接管道沿着猫背曲线上的支撑滚轮支架逐渐前进至洞口(出土点)，即地面预制管道通过设置好的猫背进入已经完成扩孔的定向钻地下路径。
78.回拖过程中，通过仿真计算设置的猫背有效削减管道入洞卷盘效应，附加回拖力降低，从而有效控制卷盘效应对整个回拖过程受力状况的影响。采用本示例的水平定向钻管道回拖工艺，计算出了管道入洞卷盘力控制需求，确定了猫背弧度、吊点个数、吊点位置以及吊点吊装荷载需求，管道入洞平稳，回拖成功。
79.综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
80.(1)本发明通过仿真分析的方法获得合理的管道最优曲线布置方式及支撑点设置情况，在保证管道应力荷载安全的基础上，保证管道入洞角度与成孔一致的条件下，能够有效削减管道入洞时的卷盘效应，可以提高管道回拖的成功几率；
81.(2)本发明既可以有效控制管道与孔壁产生的摩阻力，减小定向钻回拖总力，同时又能保障管道入洞过程中不会因弯曲应力超限而发生变形，以确保管道回拖入洞的安全，从而有效提高大口径(例如，管径大于711mm)长距离(例如，长度大于1000m)水平定向钻回拖能力。
82.尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。