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摘要： 针对大口径管道穿越过程中存在的问题，对钻杆在穿越过程中的受力状况进行理论分析；建立有限元模型，利用有限元法分析水平定向钻管在回拖过程中钻具的应力和应变等问题，讨论存在的问题并提出相应的改进技术.
关键词： 西气东输； 管道穿越； 力学分析； Abaqus
中图分类号： TE832； TB115.1文献标志码： B
引言
管道定向钻穿越技术源于油田钻井技术，20世纪70年代初美国开始使用水平定向钻穿越技术.[1]我国在1985年从美国引进国内第一台特大型水平定向钻机（RB5，最大推拉力454 t），并在国内首次成功实施黄河定向钻穿越工程.
随着我国油气管道建设事业的蓬勃发展，穿越技术和施工能力有长足进步，但随着管径的增大以及复杂地层的出现，大口径管道穿越也遇到一定困难，亟待通过理论研究解决相应工程问题.
1理论分析
为把管道铺设在河床的下面，需要经过3个施工阶段，即钻导向孔阶段、扩孔阶段和管道回拖施工阶段等.扩孔施工是定向穿越施工过程中的关键技术环节，它直接关系到铺管的成败.[2]
导向孔钻完后，换上扩孔钻头对导向孔进行扩孔施工，根据钻孔长度、直径和设备能力等，选择合适地层的扩孔钻头进行扩孔.在扩孔阶段，钻杆受到钻机的拉力、扭矩和自身的重力.钻杆在重力作用下会自然下沉，直到拖到井壁，扩孔过程中钻具组合见图1.图 1扩孔过程中钻具组合
在扩孔过程中，扩孔器以2种方式运动：回转前进和顶进.如图2所示，在扩孔器回转前进时，其当前方向不发生变化，轨迹为直线；而在顶进时，其方向会按照一定的规律变化，轨迹为地下空间曲线.这样多次扩孔以后，井眼的轨迹会出现如图3所示的截面形状[3].
图 2扩孔器切削时与岩土的相互作用
图 3连续扩孔后可能的孔道截面
2有限元模型的建立
当前的钻具组合是扩孔器与扶正器之间的距离为0.533 m，出现多次钻杆断裂现象.本文计算的目的是得到目前钻具的受力状况，通过调节扩孔器与扶正器之间的间距，观察钻具的受力状态，并优化分析得到扩孔器与扶正器之间的最佳距离.
2.1初始条件
假设扩孔器和扶正器均为桶式，待扩井眼为Φ52 in（1 in=25.4 mm），扩孔器Φ56 in（1 in=25.4 mm），扶正器为Φ48 in（1 in=25.4 mm）.扩孔器及扶正器与井壁的摩擦因数为0.4.本文模型基于静态力学，钻具与土壤的接触过程中，土壤发生塑性变形.
（1）钻具组合：18 m钻杆+Φ56 in（1 in=25.4 mm）扩孔器+Φ48 in（1 in=25.4 mm）扶正器+18 m钻杆.
（2）地质特征：饱和中粗砂.
（3）载荷工况：扩孔拉力为200 kN；旋转扭矩为50 kN·m.
2.2有限元模型
为了解扩孔过程中钻具在土壤内的平衡状况，结合地层力相关理论，提出扩孔器与地层相互作用的力学模型，并基于静态力学进行有限元分析.由于扩孔器在重力作用下，主要与孔壁下半圆接触，为节约计算资源，井壁模型采用下半圆结构，通过调整扩孔器与扶正器之间的间距观察钻杆的受力状况.图4为扩孔钻具组合模型，图5为扩孔钻具组合与土壤的有限元模型.
图 4扩孔钻具组合模型
图 5扩孔钻具与土壤的有限元模型
2.3计算结果分析
钻具组合应力云图见图6，扩孔器前端钻杆所受最大应力云图分布见图7.可知，最大应力主要分布在钻杆接头与本体的过渡位置.扩孔器与钻杆接头按照实际尺寸建模.由图7可以测得钻杆所受最大应力范围位于扶正器前端0.875～1.260 m，最大应力为149.5 MPa，正是在施工过程中钻杆的断裂位置.最大应力分布区域上部受拉，下部受压，钻杆一直处于旋转状态，因此该位置处于典型的低周疲劳状态.
图 6钻具组合应力云图，MPa
图 7钻具组合应力最大位置，MPa
3钻具优化分析
根据当前钻具存在的问题，调整扩孔器与扶正器之间的间距，继续建立有限元模型，并进行逐一计算.扩孔器与扶正器之间的间距从0.533 mm调整为1，1.5 m等，分别以0.5 m为间隔增大，直到20 m，即2根钻杆的距离，分析每种钻具组合的钻杆的受力状况及变形情况.扩孔器与扶正器间距4 m时的钻具应力分布见图8，最大应力为175 MPa.扩孔器与扶正器之间间隔6 m时的应力云图见图9，最大应力为240.5 MPa.
图 8扩孔器与扶正器之间间隔4 m的应力云图，MPa
图 9扩孔器与扶正器之间间隔6 m的应力云图，MPa从分析结果可知，间距从1 m到10 m，钻杆最大应力逐渐减小，间距从10 m到20 m，钻杆最大应力先增加后减小，10 m的距离基本上等于一根钻杆长度加上扩孔器与扶正器两端接头的长度；扶正器与扩孔器间距20 m，会使扩孔器扩出的孔道不能较快地由扶正器成形，同时，较大的间距也会增大扩孔器扩孔后增大坍塌而导致卡钻的几率.因此，从工艺和工具的角度考虑，设置10 m的间距较为合理.如果是容易坍塌的砂岩地层，可以考虑4 m的间距.计算表明，应力分布和变形情况也比较好.
4结论
（1）扩孔过程中，扩孔器和扶正器两端2根钻杆以外的钻杆部分贴近孔下壁，并非想象的绷直状态.
（2）当前钻具组合最大应力处分布在钻杆接头与钻杆本体的过渡位置，虽然应力值远小于钻杆的屈服应力，但该位置长期处于拉、弯和扭的三向应力状态，成为低周疲劳断裂的最危险位置.
（3）根据地层需要改变扩孔钻具组合，可以优化钻具组合受力，有效避免施工过程中的钻杆断裂.
关键词： 西气东输； 管道穿越； 力学分析； Abaqus
中图分类号： TE832； TB115.1文献标志码： B
引言
管道定向钻穿越技术源于油田钻井技术，20世纪70年代初美国开始使用水平定向钻穿越技术.[1]我国在1985年从美国引进国内第一台特大型水平定向钻机（RB5，最大推拉力454 t），并在国内首次成功实施黄河定向钻穿越工程.
随着我国油气管道建设事业的蓬勃发展，穿越技术和施工能力有长足进步，但随着管径的增大以及复杂地层的出现，大口径管道穿越也遇到一定困难，亟待通过理论研究解决相应工程问题.
1理论分析
为把管道铺设在河床的下面，需要经过3个施工阶段，即钻导向孔阶段、扩孔阶段和管道回拖施工阶段等.扩孔施工是定向穿越施工过程中的关键技术环节，它直接关系到铺管的成败.[2]
导向孔钻完后，换上扩孔钻头对导向孔进行扩孔施工，根据钻孔长度、直径和设备能力等，选择合适地层的扩孔钻头进行扩孔.在扩孔阶段，钻杆受到钻机的拉力、扭矩和自身的重力.钻杆在重力作用下会自然下沉，直到拖到井壁，扩孔过程中钻具组合见图1.图 1扩孔过程中钻具组合
在扩孔过程中，扩孔器以2种方式运动：回转前进和顶进.如图2所示，在扩孔器回转前进时，其当前方向不发生变化，轨迹为直线；而在顶进时，其方向会按照一定的规律变化，轨迹为地下空间曲线.这样多次扩孔以后，井眼的轨迹会出现如图3所示的截面形状[3].
图 2扩孔器切削时与岩土的相互作用
图 3连续扩孔后可能的孔道截面
2有限元模型的建立
当前的钻具组合是扩孔器与扶正器之间的距离为0.533 m，出现多次钻杆断裂现象.本文计算的目的是得到目前钻具的受力状况，通过调节扩孔器与扶正器之间的间距，观察钻具的受力状态，并优化分析得到扩孔器与扶正器之间的最佳距离.
2.1初始条件
假设扩孔器和扶正器均为桶式，待扩井眼为Φ52 in（1 in=25.4 mm），扩孔器Φ56 in（1 in=25.4 mm），扶正器为Φ48 in（1 in=25.4 mm）.扩孔器及扶正器与井壁的摩擦因数为0.4.本文模型基于静态力学，钻具与土壤的接触过程中，土壤发生塑性变形.
（1）钻具组合：18 m钻杆+Φ56 in（1 in=25.4 mm）扩孔器+Φ48 in（1 in=25.4 mm）扶正器+18 m钻杆.
（2）地质特征：饱和中粗砂.
（3）载荷工况：扩孔拉力为200 kN；旋转扭矩为50 kN·m.
2.2有限元模型
为了解扩孔过程中钻具在土壤内的平衡状况，结合地层力相关理论，提出扩孔器与地层相互作用的力学模型，并基于静态力学进行有限元分析.由于扩孔器在重力作用下，主要与孔壁下半圆接触，为节约计算资源，井壁模型采用下半圆结构，通过调整扩孔器与扶正器之间的间距观察钻杆的受力状况.图4为扩孔钻具组合模型，图5为扩孔钻具组合与土壤的有限元模型.
图 4扩孔钻具组合模型
图 5扩孔钻具与土壤的有限元模型
2.3计算结果分析
钻具组合应力云图见图6，扩孔器前端钻杆所受最大应力云图分布见图7.可知，最大应力主要分布在钻杆接头与本体的过渡位置.扩孔器与钻杆接头按照实际尺寸建模.由图7可以测得钻杆所受最大应力范围位于扶正器前端0.875～1.260 m，最大应力为149.5 MPa，正是在施工过程中钻杆的断裂位置.最大应力分布区域上部受拉，下部受压，钻杆一直处于旋转状态，因此该位置处于典型的低周疲劳状态.
图 6钻具组合应力云图，MPa
图 7钻具组合应力最大位置，MPa
3钻具优化分析
根据当前钻具存在的问题，调整扩孔器与扶正器之间的间距，继续建立有限元模型，并进行逐一计算.扩孔器与扶正器之间的间距从0.533 mm调整为1，1.5 m等，分别以0.5 m为间隔增大，直到20 m，即2根钻杆的距离，分析每种钻具组合的钻杆的受力状况及变形情况.扩孔器与扶正器间距4 m时的钻具应力分布见图8，最大应力为175 MPa.扩孔器与扶正器之间间隔6 m时的应力云图见图9，最大应力为240.5 MPa.
图 8扩孔器与扶正器之间间隔4 m的应力云图，MPa
图 9扩孔器与扶正器之间间隔6 m的应力云图，MPa从分析结果可知，间距从1 m到10 m，钻杆最大应力逐渐减小，间距从10 m到20 m，钻杆最大应力先增加后减小，10 m的距离基本上等于一根钻杆长度加上扩孔器与扶正器两端接头的长度；扶正器与扩孔器间距20 m，会使扩孔器扩出的孔道不能较快地由扶正器成形，同时，较大的间距也会增大扩孔器扩孔后增大坍塌而导致卡钻的几率.因此，从工艺和工具的角度考虑，设置10 m的间距较为合理.如果是容易坍塌的砂岩地层，可以考虑4 m的间距.计算表明，应力分布和变形情况也比较好.
4结论
（1）扩孔过程中，扩孔器和扶正器两端2根钻杆以外的钻杆部分贴近孔下壁，并非想象的绷直状态.
（2）当前钻具组合最大应力处分布在钻杆接头与钻杆本体的过渡位置，虽然应力值远小于钻杆的屈服应力，但该位置长期处于拉、弯和扭的三向应力状态，成为低周疲劳断裂的最危险位置.
（3）根据地层需要改变扩孔钻具组合，可以优化钻具组合受力，有效避免施工过程中的钻杆断裂.