作者：祝效华
出版社：石油工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
管道定向穿越钻柱动力学与失效预防试读：
前言
水平定向穿越（HDD）技术在油气管道穿越河流、湖泊、交通干线、铁路枢纽等障碍和重要区域具有明显的优越性，采用该技术铺设、更换和修复各种地下管线的施工时，解决了传统开挖施工对居民生活的干扰，对交通、环境、周边建筑物基础没有破坏和不良影响，因此具有较高的社会效益和经济效益。
水平定向穿越工程中的施工技术及工艺是一项运用多学科交叉知识，集成使用不同钻进设备的系统工程。在施工过程中，任何环节出现问题，都有可能造成整个工程的穿越失败，从而造成巨大的经济损失。
水平定向钻管道穿越施工的基本工序一般分为三个阶段：钻导向孔、预扩孔和回拖管线,而其中扩孔作业是水平定向钻管道穿越施工中最为关键的技术环节。目前，扩孔作业多采用反向扩孔，钻机驱动钻杆正向旋转，提供拉力和扭矩，泥浆由钻杆注入，扩孔器的前端承受拉、扭作用。由于扩孔器拖曳的钻杆较长，柔性大、效率低、能耗较高，破岩动力不足，因此易造成扩孔器蹩、跳、偏磨，甩钻、断钻杆等问题。
针对管道定向穿越施工过程中的钻柱动力学与失效预防方面的问题，主要进行了以下研究工作：（1）为分析定向穿越钻柱瞬态动力学特性，基于能量法建立了定向穿越导向钻进、扩孔钻进及管道回拖钻柱纵横扭耦合动力学模型。（2）分别建立了定向穿越导向孔、扩孔钻进和回拖钻进时钻柱—孔洞或钻柱—扩孔器—孔洞的模型，针对实际工程问题，综合考虑钻柱服役环境、岩土对钻柱的摩擦碰撞及泥浆的浮力等作用，研究了整个钻柱的纵横扭三向振动状态，从而得到整个钻柱在定向穿越导向孔、扩孔钻进及管道回拖时的力学特性。（3）应用动力学分析结果，结合Forman模型对有裂纹的钻杆在定向穿越井眼轨迹中工作时的疲劳寿命进行计算预测。（4）基于实际工程案例，对扩孔器在软硬夹层钻进过程中的失效原因进行深入研究，提出了“参数优化抑制振动”和“优化扩孔钻具减振”两种措施。（5）定向钻穿越河流施工过程中，从动端钻杆接头螺纹粘扣失效致使钻杆大量损耗。以实际施工工况为例，研究了定向穿越钻杆接头螺纹粘扣失效机理并提出了应对建议。（6）为满足大口径扩进对大扭矩螺杆的需求，设计了更大动力的新型螺杆钻具，以达到提供孔底动力、缓解钻杆失效、提高扩孔钻进效率及延长扩孔钻进距离的目的。
本书较系统地介绍了管道定向穿越施工过程中钻柱的力学特性，特别是动力学特性。从疲劳预警、参数减振、结构改进优化、工艺改进等视角探索研究了钻柱系统中钻柱、钻头、接头螺纹的失效预防方法，针对动力前置工艺为预防钻具失效还研制了配套的动力钻具。西南石油大学贾彦杰博士、石昌帅博士、董亮亮博士和博士研究生刘云海分别参加了钻柱动力学特性与疲劳预警、动力前置预防钻柱失效工艺之配套动力钻具研制、钻柱螺纹接头力学特性与失效分析和扩孔器振动失效及减振措施等方面的研究工作。魏秦文博士是预防管道定向穿越钻柱失效动力前置工艺一节内容的主要参与者。本书的研究工作得到了中国石油天然气管道局多位领导和专家如徐昌学院长、冯斌副院长、焦如义副院长、张文伟副院长、李桂华副总经理、李国辉主任、马晓成主任、范玉然主任、江勇主任、魏秦文博士、杨春玲高级工程师、张宝强高级工程师等大力支持和指导，在此一并致以衷心的感谢，易勤健花了大量时间核对文字和排版，在此表示特别感谢。望本书内容能对管道非开挖定向穿越工程技术人员和研究人员有一定参考价值。
限于笔者水平，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者批评指正，在此表示感谢！
第1章 绪论
1.1 管道定向穿越概述
水平定向钻穿越技术作为油气管道非开挖施工技术的一个分支，是在油田定向钻井工艺的基础上发展起来的，是传统的管道铺设技术[1]与油田定向钻井工艺结合形成的 。
其工艺原理是：施工时，按照设计的钻孔轨迹依靠钻机驱动钻具，先施工一条导向孔；待导向孔钻具在穿越障碍物的另一侧出土后，卸下导向用钻头和仪表单元，根据穿越管道直径大小和穿越地质情况选择适当的钻具进行反向扩孔；当孔道满足管线回拖要求后，驱动钻机利用钻杆将预制好的管道从钻头出土点通过扩孔形成的孔道拉至入土[2，3]点，从而完成管道的铺设 。
使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为三个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确地钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔（可分多次扩孔），达到管道回拖需要的孔径要求；第三个阶段即将管道（一般为PE管道、光缆套管或钢管）沿着扩大了的[4-6]导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作 。
各种规格的水平定向钻机都是由钻机系统、动力系统、控向系统、泥浆系统、钻具系统、锚固系统组成，它们的结构及功能介绍如下：（1）钻机系统：是穿越设备钻进作业及回拖作业的主体，由钻机主机、转盘等组成。钻机主机放置在钻机架上，用以完成钻进作业和回拖作业。转盘装在钻机主机前端，连接钻杆，并通过改变转盘转向和输出转速及扭矩大小，达到不同作业状态的要求。（2）动力系统：由液压动力源和发电机组成动力源是为钻机系统提供高压液压油作为钻机的动力，发电机为配套的电气设备及施工现场照明提供电力。主要包括柴油发动机和液压泵。（3）控向系统：是通过计算机监测和控制钻头在地下的具体位置和其他参数，引导钻头正确钻进的方向性工具。由于有控向系统的控制，钻头才能按设计曲线钻进，现经常采用的有手提无线式和有线式两种形式的控向系统。主要包括弱电电源、地下仪表单元（测量钻头）、微电脑、远程显示器和控向软件。（4）泥浆系统：由泥浆混合搅拌罐和泥浆泵及泥浆管路组成，为钻机系统提供适合钻进工况的泥浆。主要包括泥浆泵、泥浆搅拌器、泥浆罐和泥浆管路。用于搅拌和输送泥浆。（5）钻具系统：是指孔内钻头至钻杆之间的所有钻进（扩孔和回拖）装置的集合。包括钻杆、钻铤、钻头、泥浆马达、造斜短节、过渡短节、扩孔器、U形环、回拖万向节、回拖管头，用于钻导向孔、预扩孔和管道的回拖作业。钻杆用于连接其他钻具、传递动力、供给泥浆，要求有足够的轴向抗拉（压）强度以承受钻机的给进力和回拖力，足够的抗扭强度以承受钻机施加的扭矩，足够的柔性以适应钻进时候的方向改变，足够的抗疲劳强度以承受长时间交变应力作用的工作状态。还要求耐磨损、易装卸、方便运输的特点。钻铤用于安装地下仪表单元，钻头用于破碎岩石，泥浆马达用于硬质地层下传递动力，造斜短节用于弯曲段改变钻进方向，过渡短节用于连接可能的变扣，预防破坏和方便更换，扩孔器用于导向孔完成后将孔道扩大至满足油气管道回拖的孔径；U形环用于回拖时管道与万向节之间的连接，改变万向节的受力状态。万向节用于传递拉力，释放扭矩，防止管道与回拖钻机一起回转。回拖管头用于减小回拖阻力，防止泥浆或钻屑进入管道。钻具系统的配置应根据工序和地质条件的要求而定。（6）锚固系统：根据设备的类型、大小以及工程的实际情况而定，用于固定钻机。一般包括一个锚固箱和部分连接件。1.1.1 施工工艺流程与场地布置
定向钻施工时一边为入土点，一边为出土点。入土点和出土点的[7]场地布置分别如图1-1和图1-2所示 。图1-1 入土点现场布置图图1-2 出土点现场布置图
钻进的整个施工工艺流程如图1-3所示。
由于受力分析与数值模拟与导向孔阶段、扩孔阶段、回拖阶段和泥浆系统关系较大，下面主要针对这几方面进行简述如下。图1-3 定向穿越钻进施工工艺流程图1.1.2 导向孔施工
钻机被安装在入土点一侧，从入土点开始，沿着设计好的线路，钻一条从入土点到出土点的曲线；作为预扩孔和回拖管线的引导曲线。
穿越过程中要根据穿越的地质情况，选择合适的钻头和导向板或地下泥浆马达，开动泥浆泵对准入土点进行钻进，钻头在钻机的推力作用下由钻机驱动旋转（或使用泥浆马达带动钻头旋转）切削地层，不断前进，每钻完一根钻杆要测量一次钻头的实际位置，以便及时调整钻头的钻进方向，保证所完成的导向孔曲线符合设计要求，如此反复，直到钻头在预定位置出土，完成整个导向孔的钻孔作业，如图1-4所示。图1-4 钻导向孔示意图
常用的导向孔钻进方式有两种：（1）普通直推式钻进；（2）孔底有动力钻进。（1）普通直推式钻进用于比较松软的地层，如黏土层，粉土、粉沙层，沙层。普通直推式钻进的孔底钻具组合方式为：钻头+造斜短节+无磁钻铤+钻杆（图1-5）。（2）孔底有动力钻进适用于岩石地层穿越和其他坚硬地层的穿越。
孔底有动力钻进的孔底钻具组合是：
钻头+弯外壳泥浆马达+无磁探头固定节+无磁钻铤+钻杆（图1-6）。图1-5 直推式钻进钻具组合图1-6 孔底钻具组合1.1.3 扩孔施工
一般情况下，使用小型钻机时，直径大于200mm时，就要进行预扩孔，使用大型钻机时，当产品管线直径大于350mm时，就需进行预扩孔，预扩孔的直径和次数视具体的钻机型号和地质情况而定。扩孔时一般采用扩孔器从出土点进入，从入土点出来的反拉回转扩孔，从而使导向孔扩大至要求的直径，如图1-7所示。图1-7 预扩孔示意图
扩孔时钻具组合为：扶正器+扩孔器+弯外壳泥浆马达+钻杆。
定向钻每个工程可能遇到的管径都不一样，如何做到预扩孔的直径与回拖管线相匹配，美国定向钻协会制定了相关标准（表1-1）。表1-1 预扩孔直径标准注：1in＝2.54cm。
扩孔器根据其用途的不同可以分为岩石扩孔器和一般扩孔器。一般扩孔器又根据其形状的不同分为板式扩孔器（图1-8）和桶式扩孔器（图1-9）。
岩石穿越必须使用岩石扩孔器，岩石扩孔器由牙轮和本体两部分组成，如图1-10所示。图1-8 板式扩孔器图1-9 桶式扩孔器图1-10 岩石扩孔器示意图1—导向板；2—本体；3，4，5—牙轮及轴承1.1.4 管线回拖
导向孔经过预扩孔，达到了回拖要求之后，将钻杆、扩孔器、回拖活节、被安装管线依次连接好，从出土点开始，一边扩孔一边将管线回拖至入土点为止（图1-11）。图1-11 管线回拖示意图
回拖产品管线时，先将扩孔工具和管线连接好，然后开始回拖作业，并由钻机转盘带动钻杆旋转后退，进行扩孔回拖。产品管线在回拖过程中是不旋转的，由于已经扩好的孔中充满泥浆，所以产品管线在孔中是处于悬浮状态，管壁四周与孔洞之间由泥浆润滑，这样既减少了回拖阻力，又保护了管线防腐层，经过钻机多次预扩孔，最终成孔直径一般比管子直径大200mm。
图1-12和图1-13分别为回拖作业现场示意图及回拖作业现场。图1-12 回拖作业现场示意图图1-13 回拖作业现场
1.2 管道定向穿越中的钻柱动力学与失效预防简介
水平定向钻管道穿越施工的基本工序一般分为三个阶段：钻导向孔、预扩孔和回拖管线。水平定向钻扩孔系统主要由适合各种地质的钻杆、钻头、钻机（动力系统）、扩孔器以及控制导向的辅助机具等组成。
在定向钻穿越过程中，特别是在扩孔和回拖作业中，钻杆将承受非常大的扭矩、拉力和弯矩作用。长距离穿越过程中随着钻杆长度的增大，钻杆需要承受更大的阻力和阻力矩，因此对钻杆性能提出了很高要求。在定向穿越施工过程中，钻具组合方式对扩孔事故影响很大，也是钻杆发生早期疲劳断裂的主要原因之一。由于导向轨迹两端弯曲，旋转钻杆在承受拉、扭组合的同时，还要承受弯曲载荷的影响，极易产生应力的阶跃和交变；在钻杆与扩孔器连接处，由于扩孔器与钻杆几何结构不同，横截面积相差越大，应力的阶跃则越明显。在高轴向力、高弯矩及扭矩等因素的耦合作用下，极易使扩孔器与钻杆连接截面变化处发生疲劳断裂或由于卡钻而被扭断，钻杆的断裂失效将导致整个穿越过程的失败，从而造成巨大的经济损失。[8]
本书以管道定向穿越施工过程中的钻柱动力学 研究为基础，提出了钻柱疲劳寿命预测方法；建立管道定向穿越扩孔钻头破岩的力学模型，研究了扩孔钻头（近钻头钻柱）振动特性及参数抑振方法；基于管道定向穿越钻柱螺纹力学特性分析，研究了定向穿越施工中钻杆接头螺纹粘扣失效机理及预防措施；基于理论研究及工程实践经验，根据成孔机理、失效分析等研究，综合考虑设备性能、钻杆钻具、施工工艺、地质条件等因素，为解决大口径、长距离扩孔动力不足，减少现有工艺中堵、卡、埋、包钻和钻杆断裂、疲劳失效等事故，提高一次穿越成功率，提出了预防钻柱失效的动力钻具前置工艺，并设计了满足大口径扩进需求的大扭矩螺杆钻具，以提供孔底动力、缓解钻杆失效、提高扩孔钻进效率及延长扩孔钻进距离的目的。具体研究[9，10]内容如下 。（1）管道定向穿越钻柱动力学特性与疲劳寿命预测。
定向穿越钻柱系统动力学模型是进行钻柱瞬态动力学特性分析的基础，钻柱在孔洞中的运动问题可以看成连续体转子动力学问题，采用弹簧—质量—阻尼系统（S-M-C模式）方法建立系统模型将无限自由度的问题转化为有限自由度的问题求解。本文根据能量法的哈密顿原理（Hamilton Principle）建立整个钻柱系统的动力学方程，并将钻柱单元与孔洞的摩擦与碰撞、导向钻头（切割刀、扩孔器）与岩土的互作用、钻井液的阻尼影响等分别处理成不确定边界、准随机边界、动态边界，通过该模式与边界条件的多重考虑，从而很好地把各个主要因素合理地融为一体。通过建立西二线—渭河、兰郑长—长江和惠银线—黄河三个工程问题的定向穿越导向孔、扩孔钻进和回拖钻进时钻柱—孔洞或钻柱—扩孔器—孔洞的模型，综合考虑钻柱服役环境、岩土对钻柱的摩擦碰撞及泥浆的浮力等作用，研究了整个钻柱的纵横扭三向振动状态，从而得到整个钻柱在定向穿越导向孔、扩孔钻进及管道回拖时的实际受力情况，总结出整个钻柱的各个力学参数的动态分布规律，对分析钻柱的应力最大点位置并找到不同工程施工中钻具失效原因具有重要的意义。基于动力学分析结果，结合Forman模型对有裂纹的钻杆在定向穿越井眼轨迹中工作时的疲劳寿命进行了计算预测。（2）管道定向穿越扩孔钻头（近钻头钻柱）振动特性及失效预防。
针对目前定向穿越扩孔钻进破岩的振动特性认识模糊不清的实际情况，特别是在软硬夹层方面，本书基于弹塑性力学和岩石力学，采用德鲁克-普拉格（Drucker-Prager）准则作为岩石的本构关系，系统地研究了前软后硬地层、前硬后软地层与均质地层中扩孔器的纵向、横向和扭转振动强度，研究了扶正器对扩孔器在软硬夹层钻进时振动特性的影响，给出了扶正器的最优结构参数，并根据贝克休斯公司对井下钻具振动的分级标准推荐了夹层中最适宜的施工参数。扶正器对于抑制钻具的横向摆动具有非常明显的效果，因此，基于建立的数值仿真模型，研究了扶正器对扩孔器在软硬夹层钻进时振动特性的影响，给出了扶正器的最优结构参数。（3）管道定向穿越钻柱螺纹力学特性与失效预防。
定向钻穿越螺纹连接位置为整个定向穿越钻柱的薄弱环节，在定向钻穿越河流施工过程中，从动端钻杆接头螺纹粘扣失效致使钻杆大量损耗，同时也严重影响了施工工期。因此研究定向钻穿越钻杆接头螺纹失效原因对于减少钻杆接头螺纹失效事故和保证施工周期具有很重要的价值。以兰郑长—长江三穿施工工况为例，研究了钻杆接头螺纹粘扣失效机理。通过建立三维的钻杆接头螺纹有限元力学模型，研究上扣间距、上扣不对中度、人工上扣扭矩计算、弯矩载荷等施工因素对钻杆接头螺纹粘扣的影响，揭示了施工过程中造成粘扣失效的原因，针对失效原因提出相应的工艺改进措施。将各种非常规操作情况下对螺纹接头的应力应变的影响与正常上扣（预紧力）时的螺纹应力应变进行比较，指出了非常规操作对钻杆接头螺纹使用性能的影响，归纳了定向钻穿越过程中钻杆接头螺纹粘扣失效的原因。基于失效原因分析，结合现场施工工艺提出相应改进措施。（4）预防钻柱失效的动力钻具前置工艺与钻具设计。
定向穿越扩孔时长与穿越工程的成败直接相关，特别是大口径扩孔钻进时，容易塌孔；在扩孔作业中，扭矩很大钻杆使用寿命很低，疲劳断裂失效严重。通过总结长期水平定向穿越工程实践经验，基于成孔机理、失效分析等研究，综合考虑设备性能、钻杆、钻具、施工工艺、地质条件等因素，为减少现有大口径扩孔工艺中堵、卡、埋、包钻和钻杆断裂、疲劳失效等事故，本文提出了动力钻具前置工艺，并设计了更大动力的新型螺杆钻具以满足大口径扩进对大扭矩的需要。
完成了大扭矩螺杆钻具的加工制造并进行了室内试验和现场应3用。通过测试，动力钻具常温启动压力1MPa，泥浆流量2.2m /min、泵压5MPa时，动力钻具额定输出扭矩24.1kN·m,极限输出扭矩超过30kN·m，输出转速40r/min。
第2章 管道定向穿越钻柱动力学模型
定向穿越钻柱系统动力学模型是进行钻柱瞬态动力学特性分析的基础。利用能量法建立了定向穿越导向钻进、扩孔钻进及管道回拖钻柱纵横扭耦合动力学模型。
2.1 用能量法建立钻柱系统纵横扭耦合动力学模型
目前，存在多种研究钻柱动力学模型的方法，但归纳起来主要有两种模式：一种是在钻头（切割刀、扩孔器）为刚体、钻柱为均质弹性杆的假设条件下，建立钻柱的波动时程方程，根据实际工况确定初始载荷状态及边界条件求解该方程；另一种是弹簧—质量—阻尼系统，即通过利用有限元的思想，将不同井段钻柱简化为多自由度系统来分析。采用第二种模式能够较方便地考虑钻井液边界，孔壁边界和[11-15]钻柱出、入土端边界条件 。
钻柱在孔洞中的运动问题可以看成连续体转子动力学问题，采用后一种方法建立系统模型可以将无限自由度的问题转化为有限自由度的问题求解。本文根据能量法的哈密顿原理（Hamillton Principle）建立整个钻柱系统的动力学方程，并将钻柱单元与孔洞的摩擦与碰撞、导向钻头（切割刀、扩孔器）与岩土的互作用、钻井液的阻尼影响等分别处理成不确定边界、准随机边界、动态边界，通过该模式与边界条件的多重考虑，从而很好地把各个主要因素合理地融为一体，并利用非线性有限元软件的显式模块进行方程求解与结果输出，研究了定向穿越导向钻井、扩孔钻进以及管道回拖过程中钻柱系统动力学特性，[16-19]能够更直观展示出一些工程问题的相关规律 。2.1.1 基本假设
综合考虑建立钻柱纵横扭耦合动力学模型的理论基础，通过认真分析全井钻柱系统结构特性、边界条件及载荷情况，基于定向穿越导向钻进、扩孔钻进及管道回拖的建模特点，采用了以下假设条件：（1）整个钻柱系统为均质空间弹性梁，省略钻具单元间螺纹、局部孔槽等结构；（2）钻柱的几何尺寸、材料性质分段为常数，不考虑温度影响；（3）不同井段井径按平均扩大率计算；（4）导向钻进孔洞保持圆形截面，扩孔钻进孔洞截面受切割刀下沉量影响而变化。2.1.2 钻柱系统纵横扭耦合动力学模型的建立
哈密顿原理规定在质点（质点系、连续系统）的运动中，其动能、势能和作用在其上面的非有势力对其所做的功应满足以下公式：
式（2-1）中，W表示非有势力所做的功，δ是变分算子，T和V分别表示系统的总动能和总势能。（T-V）为拉格朗日函数（L）。对于一个连续系统，T，V和W可由定义在直角坐标系中的描述钻柱运动的位移变量u（z，x，y，t）和转角变量θ（z，x，y，t）来表示。运用有限元方法，钻柱的几何模型可以看作较多钻具单元的集合体，模型中连续变量由所有单个柱单元的以内插值替换的节点变量U 代i替。将其代入式（2-1）展开，得出由各部分组成的综合结果：
这里F 是广义非有势力（Generalized Forces）。因为变量δU 是ii任意的，式（2-2）也可以写成：
式（2-3）称为拉格朗日方程式，进一步展开则成为:
式中 T——系统总动能；
V——系统总势能；
F ——系统上广义非有势力；i
U ——描述系统状态的广义位移。i
采用有限单元法离散钻柱系统，建立多自由度（图2-1）的钻柱系统动力学基本方程是研究钻柱动力学的有效途径。钻柱系统动力学[20]的基本方程可以写成如下形式 ：图2-1 钻柱离散单元图
拉格朗日方程的基本形式用广义坐标U 写成（2-4）的形式。下i面逐个求出式（2-4）中的各个部分，以导出式（2-5）中的各项系数矩阵。
对钻柱单元，建立如图2-2所示的广义坐标图，则钻柱上的微分质量单元的平移速度为:
其中分别表示微分质量单元在X，Y，Z三个坐标轴方向上的速度矢量。
钻柱单元的移动动能可表示为:图2-2 钻柱单元各自由度示意图3
式中 ρ——钻柱质量密度，kg/m ；2
A——钻柱截面面积，m ；
L——钻柱单元长度，m。
如图2-2，R （X-Y-Z）是惯性坐标系，R（x，y，z）是固定在0微元上的坐标系。在R（x，y，z）中，微元的瞬时角速度可表示为假设微元形心即是微元质心。在R体系中角速度矢量变为：
x-y-z轴是惯量的主方向，因此，惯性张量可定义为由此，转动动能T 可写成r[21]
由于孔洞限制，此处采用小角近似，取ψ≈θ ，θ≈θ ，φ≈θ ，xyz对单元长度进行积分，钻柱单元的转动动能可表示为：
钻柱单元的动能为：
弹性势能由应力分量σ 和应变分量ε 给出（i＝1，2，3）。应力ijij与应变是二次对称张量，这就意味着每9个分量中仅有6个分量是独立的。在此，把张量看作仅含有6个分量的向量来处理，于是对应力分量可表示为：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]