402

ANALYSIS ON THE PULL STRENGTH'S CALCULATION METHOD DURING THE CONSTRUCTION OF OIL PIPELINE DIRECTIONAL

DRILLING CROSSING THE YELLOW RIVER AND IMPROVEMENT

Shi-qi XU1, Bin LUO2, Jun CHENG2, Yuan-tai HU2

1 College of Petroleum Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065

2 Department of Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074

This paper reviewed the methods, which calculate the pull strength during directional drilling crossing construction of oil

pipeline, both at home and aboard. And based on the analysis of these methods, the detailed research was given. At the

same time, considering the peculiarity of this channel geologic structure and the technological requirements, the method,

averaged standard method and unloading arch method, was given to calculate the maximal pull strength. It is practiced that,

this method is instructive and meaningful to the directional drilling crossing construction.

Keywords: directional drilling crossing; pull strength; pipeline laying

某成品油管道铺设工程拟在河南省六堡断面

定向穿越黄河。穿越处主河槽宽 4050m，水平穿越

长度达 4496m，是目前国内穿越距离最长的定向穿

越工程，且穿越段地质情况复杂，因此黄河穿越成

为整个成品油管道铺设施工中的控制性。

管道输送是一种非常重要的运输方式, 在运送

液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势。然而即

使管道在铺设时达到设计质量标准, 由于管道回拖

施工损坏、管道的老化、管道断裂、水腐蚀、烟气

腐蚀、磨损、疲劳质量、缺陷等原因, 泄漏仍旧不

可避免。因此，对于输油管道性能的检测就十分必

要。许多问题的解决方法国外也没有成熟的技术,

而是在探索之中。因此加强创新性的新技术研究倍

受关注。管道无损检测中可能应用的新技术有换能

器阵列、智能传感器、非接触技术、漏磁、导波、

自动化、海量数据存储和处理以及现代信号处理

等。在目前研究阶段，管道内检测技术及其研究进

展主要通过各种智能管道检测器实施管道在线检

测。基于无损检测理论发展起来的管道检测技术主

要分为超声检测、漏磁检测、射线检测、涡流检测

及热像显示。管道外检测又包括卫星成像技术保护

管道、管道实时监控、非开挖管道检测、阴极保护

系统杂散电流测绘仪、第三方干扰管道检测等检测

技术。

在管道回拖施工中，钻机施加的拉力一部分拖

拉钻头，排挤或剪切土层，另一部分则作用于管道。

此时施加在管道上拉力要克服如下阻力：管道与孔

壁间的磨擦阻力；管道和地表的磨擦阻力；绞盘效

应力，源于沿弯曲钻孔轨迹拖拉管道产生的递增承

载压力；流体阻力以及由管道刚度产生的阻力。回

拖力是管道穿越工程设计的重要参数，为解决管道

长距离穿越的技术问题，首要是估算回拖力，为后

续钻机型号选择，以及管道最大回拖力设定提供数

据支持。

目前国内外输油管道施工中，普遍采用如下四

种方法估算回拖力：规范计算法、卸荷拱土压力计

算法、净浮力计算法和绞盘计算法。本文将通过对

上述方法计算结果的对比分析基础上，同时考虑该

工程段地质的特殊性，以及施工工艺要求，探求适

合该段管道铺设的回拖力计算方法，为管道铺设施

工提供理论依据。

1 采用规范法计算

根据管道施工规范手册[1]，回拖力按式(1.1)计

算。 2

1 1[ ]4

s

DF Lf D k DL 泥拉 粘（ ） (1.1)

式中： 拉F 表示计算的拉力 (N)；L表示穿越管段的

长度 (m) ； f 表示摩擦系数，一般取 0.1~0.3；D表

示管子的直径（m ）； s 表示钢材密度 3(kN/m )，

取 78；泥 表示泥浆的密度 3(kN/m ) ，取 1.15～1.2；

1 表示管子的壁厚 (m) ； 粘k 表示粘滞系数，

0.01~0.03。

该规范公式是依据管段在泥浆中的浮力扣除

自重后产生的摩擦力，再加上拖管前进时管段在泥

浆中的粘滞力，计算得到必须要满足的回拖力。由

978-1-4673-4816-4/12/$31.00 ©2012 IEEE

403

于回拖时边界条件复杂，在选择钻机时应留有一定

的余量。

通过代入不同数据，所得计算结果见表 1-1：

表 1-1 按规范计算所得回拖力数值

Tab.1-1 The value of drag force calculated by standard method

缩写 取值 取值 取值

L 3018 3018 3018

f 0.2 0.25 0.3

D 0.3556 0.3556 0.3556

s 78 78 78

泥 11.5 11.5 12

1 0.0103 0.0103 0.0103

粘k 0.02 0.03 0.03

拉F 230.6464 305.1573 390.907

按施工最不利条件，计算得到的回拖力为

390.9kN。根据国内外多年经验，最大回拖力按计

算值的 1.5～3 倍选取可以满足施工要求。则最大

回拖力取其 3 倍，即 1172.7kN。

2 采用卸荷拱土压力法计算

所谓卸荷拱是指在原土层中，由于开挖或钻进

形成空间，导致其上一定范围内的土由于自重而形

成的稳定塌落拱。卸荷拱土压力法的计算思路是考

虑穿越管段在回拖过程中，同时受到孔道上方塌落

土的压力和孔底土的支承力作用，管段本身的重量

全部由孔底承担，而孔道上方塌落土的压力则根据

穿越地层天然卸荷拱的高度进行计算，计算公式如

(2.1)所示，

max 02 [(1 ) ]a eT P K P f L (2.1)

其中 maxT 表示穿越管段的最大回拖力（ kN ）；

P表示单位长度穿越管段所受的土压力（ kN m）；

aK 表示主动土压力系数，取 0.3； 0P 表示单位长度

穿越管段重量（ kN m）； ef 表示管壁与孔壁之间的

磨擦系数，一般取 0.2～0.3，该系数与地层情况、

导向孔曲线、扩孔质量有关； L表示穿越管段长度

(m) 。

穿越管段单位长度所受的土压力v hP P P ，

为单位长度穿越管段所受的垂直土压力vP 和侧向

土压力hP 的共同作用。垂直土压力

vP 按穿越钻孔上

方天然卸荷拱的垂直土荷载进行计算，公式如(2.2)

所示。由于泥浆的护壁，以及其对土壤的胶结作用，

故在此引入孔壁稳定系数 对vP 进行修正。

0 0

1 tan 452

2

e

e ev

kp

dD h D

Pf

(2.2)

其中 0D 表示穿越管段的外径 ( )m ； eD 表示最大扩

孔直径 ( )m ； kpf 表示穿越土层的坚实系数，各类

土的坚实系数见表 2-1 所示； arctan kpf 为穿越

土层的内磨擦角；根据地层及泥浆情况，穿越孔壁

的稳定系数取 30～40；钻孔上方卸荷拱的高度 h

按下式(2.3)计算：

1 tan 452

2

e

kp

D

hf

(2.3)

表2-1 土层坚实系数表

Tab.2-1 The table of Soil coefficient of solid

土层种类 坚实系数 kpf

沼泽土、新填土、淤泥不稳定土 0.6

塑态轻亚粘土 ( 4)Ip 0.6

水平定向穿越的最终孔径一般达到穿越管径

的 1.3～1.5 倍，穿越管段回拖时在孔内具有一定的

自由度，因此根据郞肯土压力理论，单位长度穿越

管段在回拖时所受的侧向土压力 hP 可按下式(2.4)

计算：

2tan (45 )2

h vP P

(2.4)

由垂直土压力 vP 和侧向土压力 hP 得到穿越管

段单位长度所受的土压力 P，代入公式(2.1)，得到

基于卸荷拱的回拖力计算公式(2.5)：

404

0

max

2

0

1 tan(45 )2

1 tan (45 ) (1 )2

e e

e

kp

D D

T f Lf

K P

(2.5)

对上式简化得到如下估算式：

max 0 04e eT f L D D P （ ） (2.6)

表2-2 按卸荷拱土压力计算回拖力数值

Tab.2-2 The value of drag force calculated by unloading arch method

缩写 取值 取值 取值

f 0.1 0.2 0.3

L 3018 3018 3018

eD 0.7 0.7 0.7

0D 0.3556 0.3556 0.3556

1 0.0103 0.0103 0.0103

0P 0.8595 0.8595 0.8595

maxT 559.91 1119.82 1679.74

将不同数值代入(2.6)式，所得计算结果如下表

2-2 所示。按施工最不利条件，计算所得最大回拖

力为 1679.74kN。

3 按净浮力法计算

净浮力法，是考虑穿越管段在孔道内仅受到重

力和泥浆浮力的作用，泥浆对管段的净浮力构成对

孔道的正压力。基本公式为：

max 0 f mT P P f l (3.1)

式中： fP 表示单位长度穿越管段在孔内所受的

浮力 (kN m) ； mf 表示综合磨擦系数（一般取 0.5～

0.8）；其它符号意义同前。

对于钢质输油气管道，其外防腐层的质量可忽

略不计，则

2

0 0 044

f s mP P D D

(3.2)

将(3.2)式代入(3.1)式，得：

2

max 0 04( )4

s m mT D D f l

(3.3)

表3-1 按净浮力计算回拖力大小

Tab.3-1 The value of drag force calculated by unloading arch method

缩写 取值 取值 取值

l 3018 3018 3018

mf 0.5 0.65 0.8

D 0.3556 0.3556 0.3556

m 11.5 11.5 11.5

s 78.5 78.5 78.5

0.0103 0.0103 0.0103

k粘 0.02 0.02 0.03

maxT 399.6976 519.6068 639.5161

将不同数值代入(3.3)式，所得计算结果见表

3-1。按最不利条件考虑，最大回拖力取 639.5kN。

4 按绞盘法计算

绞盘法的计算思路是将穿越管段近似视为一

条部分缠绕在巨型卷筒上的柔性钢索。按水平孔内

或地面上水平拖动的顺直管段、水平或垂直弯曲管

段来分别计算回拖力，回拖过程中的最大回拖力即

为所求。

对水平孔内或地面上水平拖动的顺直管段，回

拖力的计算公式如下：

405

s BF P L (4.1)

式中：sF 表示顺直管段在水平孔内（或在地面上水

平拖动）的回拖力（ kN ）； 表示穿越管段与孔内

流体（泥浆）或管段与地面之间的磨擦系数；BP 表

示单位长度穿越管段在孔内的净浮力或在地面上

的重量（ kN m）；其它符号意义同前。

图4-1 水平定向钻穿越断面示意图

Fig.4-1 The figure of horizontal directional drilling’s crossing section

对于水平或垂直弯曲管段，当弯曲半径足够大

（如图 4-1 所示）时，考虑绞盘效应，其回拖力计

算公式为：

( )c BF e P L (4.2)

其中 cF 表示水平或垂直弯曲管段的回拖力（ kN ）；

表示穿越管段与孔内流体（泥浆）或管段与地面

之间的磨擦系数； 表示弯曲管段的包角（弧度）；

其它符号意义同前。

根据式(4.1)、(4.2)，以回拖头为基点，同时考

虑回拖过程中孔内流体（泥浆）对穿越管段的运动

阻力，可以推导出式(4.3)：

0 1 2 3 4

0 2

0 1 0 3

0 3

0 3

0 4

0 2 0 3

( )

(

( ) )

(

)

a

b

a

a b

b

a b

A a

B A H b f

f a

C B H b f

a

D C H b f

f a

T e P L L L L

T e T T P P L

P P H e P L

T T T P P L

e P L

T e T T P P L

P P H e P L

(4.3)

其中 AT 表示穿越管段回拖至入土点 A 处的回拖力

（ kN ）； BT 表示穿越管段回拖至入土端终弯点 B

处的回拖力（ kN ）； CT 表示穿越管段回拖至出土端

起弯点 C 处的回拖力（ kN ）； DT 表示穿越管段回

拖至出土点 D 处的回拖力（ kN ）； HT 为孔内流体

（泥浆）对穿越管段的运动阻力（ kN ），其计算公

式如下；

2 2

0( )8

H eT q D D

(4.4)

其中 q表示孔道内泥浆压力，一般取 25 ~10kN m ；

1L 表示穿越管段的附加长度（m）；2L 表示穿越管

段入土点 A 至入土端终弯点 B（下行段）的水平长

度（m）；3L 表示穿越管段中间水平段 B－C 的长

度（m）；4L 表示穿越管段入土端起弯点 C 至出土

点 D（上升段）的水平长度（m）；1H 表示穿越管

段入土端（下行段）的最大埋深（m）；2H 表示穿

越管段出土端（上升段）的最大埋深（m）；a 表

示穿越管段在地面以上的磨擦系数，一般取 0.15～

0.20； b 表示穿越管段在孔内的磨擦系数，一般取

0.20～0.30； 表示穿越管段的入土角（弧度）；

表示穿越管段的出土角（弧度）；其它符号意义同

前。

显然由式(4.3)可知D C B AT T T T ，因此可令

maxDT T[2]。即随着穿越管段的回拖，回拖力是逐

渐增加的。当穿越管段被回拖至出土点 D 处时，回

拖力达到最大，这与实际施工中的情况是相吻合

的。

将不同数值代入以上公式，所得计算结果见表

4-1：

表4-1 按绞盘计算回拖力结果

Tab.4-1 The value of drag force calculated by winch method

缩写 取值 取值 取值

m 11.5 11.5 11.5

s 78.5 78.5 78.5

0.0103 0.0103 0.0103

0 fP P

0.2640 0.2640 0.2640

L 2998 2998 2998

eD 0.7 0.7 0.7

q 7.5 7.5 7.5

HT 1.0702 1.0702 1.0702

0P 0.8596 0.8596 0.8596

D 0.3556 0.3556 0.3556

406

1L 20 20 20

2L 214.3 214.3 214.3

3L 2683.7 2683.7 2683.7

4L 100 100 100

1H 22 22 22

2H 22 22 22

a 0.15 0.15 0.15

b 0.2 0.25 0.3

0.1396 0.1396 0.1396

0.314 0.314 0.314

AT 397.3572 397.3572 397.3572

BT 413.8318 419.6685 425.5666

CT 193.7279 232.5627 271.4411

DT 204.8531 251.4308 299.4786

以上计算结果与绞盘计算法理论解释有误差，

集中体现在 DT 非最大值，其最大值出现在 BT ，经

对计算过程分析，是穿越距离过长导致水平段 3L 值

较大引起的，通过其它工程计算结果的对比，最大

回拖力可取 BT 的 1.6 倍，即 680.96kN。

5 最大回拖力计算结果分析及改进

5.1规范法

①原理依据是以穿越管段在泥浆中的浮力扣

除自重后产生的摩擦力，再加上拖管前进时管段在

泥浆中的粘滞力，最终得到所需回拖力。计算原理

清晰，明确。

②由于回拖时边界条件复杂，所以计算出的值

只作为参考依据，在选择钻机时一般再取一定的安

全裕量。

因此，根据国内外多年施工经验，一般按 1.5~3

倍的计算值作为钻机选型与核算的依据。

5.2卸荷拱压力法

①计算过程比较复杂，结果偏于安全；

②力学基础与实际工况存在较大差异。采用卸

荷拱计算土荷载时，要求满足两个条件： 0.6kpf ；

管顶覆土超过 2h。也就是说，该方法只能应用于黏

土、亚黏土、黄土、岩石层的回拖力计算。但实际

上，这些地层的孔壁是基本稳定的。只要扩孔工艺

合理，卸荷拱的土压力一般可以忽略不计。此时，

管段的重力和所受的浮力成为影响回拖力的主要

因素。从这个意义上讲，公式(2.6)反而更加适用于

孔壁稳定性较差的地层（如中粗砂和淤泥质土层

等）。

③过多系数的引入严重影响计算结果的客观

准确性和精确度。摩擦系数、穿越土层的坚实系数、

主动土压力系数及穿越孔壁的稳定系数都是实验

值或经验值，计算时要凭计算者的经验去选择，无

疑会影响计算结果的客观性。

④所表达的力学意义与工程实际有一些背离。

在公式中，穿越管段的回拖力与扩孔直径成正比。

对此，可以解释为：扩孔直径越大，孔壁崩塌的可

能性或趋势越大，但可能或趋势不等于结果。回拖

时完全塌孔对任何一项穿越工程都是灾难性的，需

要采取有力措施加以预防。

5.3净浮力法

①充分考虑了穿越管段在孔道内所受的浮力，

计算简单。

②比较理想化。任何一条穿越曲线都不可能完

全平滑，总是或多或少地存在一些误差或偏移；最

终形成的孔壁也不是绝对稳定，总是或多或少地存

在一些崩塌。因此，孔壁对穿越管段总是有约束的。

这种约束与穿越的地质条件、导向孔曲线、扩孔工

艺、泥浆性能都有很大关系，最终会影响回拖力的

大小。

④没有考虑扩孔直径的影响。对水平定向钻穿

越而言，最终扩孔直径对穿越的影响是很大的。孔

径越小，穿越管段在孔内的活动余地越小，所受的

约束越大，回拖力有可能增大；但孔径过大，崩塌

的危险性也越大，大面积的孔壁崩塌同样会使回拖

力大幅度上升。因此，合理选择最终的扩孔直径对

成功进行水平定向钻穿越意义重大。在进行回拖力

的计算中应该考虑这一因素。

⑤计算公式中的摩擦系数 mf 的变动范围比较

宽 (0.5 ~ 0.8)，回拖力的计算结果受主观因素影响

407

较大。

5.4绞盘法

绞盘法应满足如下条件：假设穿越管段在回拖

过程中始终处于柔性状态，除净浮力外，孔壁没有

对穿越管段产生其他反作用力；穿越管段采取空管

回拖，即回拖时管内不附加任何重量，当采取措施

克服浮力时，应用管段单位长度的实际重量代替

0P ；导向孔、预扩孔之后的成孔曲线非常理想，只

有两个弯点，没有水平或纵向偏移或误差；孔道完

全稳定，没右塌孔现象。

而在实际工程中，以上前提条件很难完全满

足。穿越管段本身总是具有一定刚度，不可能象缆

绳一样柔软；穿越曲线不可能绝对平滑、完美，有

时会存在多个弯点；孔壁也不可能绝对稳定。尤其

是穿越中可能出现以下情况时，需要慎重处理：

①由于操作原因或实际穿越需要（如绕避障碍

物、纠偏等），穿越曲线出现多个弯点。此时，需

要根据实际穿越曲线采用前推方式逐步对各弯点

处的回拖力进行计算，并最终确定最大回拖力。

②穿越地质恶劣，容易出现塌孔现象（如中粗

砂、卵石、淤泥等）。此时，需要借鉴卸荷拱压力

法对回拖力进行估算。

根据以上分析，为保证回拖一次成功，本项目

最大回拖力取规范法与卸荷拱压力法计算结果的

平均值，即：

=(1172.7+1679.74) 2 1426.22 1426kNF 拉

最大回拖力按 1426kN 计算，应选取 HY－3000

型钻机。

6 结论

（1）分别通过规范公式法、卸荷拱土压力法、

净浮力计算法、绞盘计算法四种方法，对某成品油

管道定向穿越施工中的回拖力进行了计算，四种方

法算得所需回拖力数值相差较大。

（2）考虑到本段河槽复杂的地质结构，以及

施工工艺要求，详细分析了这四种计算方法的适用

条件，选取规范法与卸荷拱压力法计算结果的平均

值作为管道施工最大回拖力，并以此选择 HY－

3000 钻机以满足工程要求。

（3）实践证明，在水平定向钻穿越施工中，

最大回拖力是各种因素共同作用的结果。完全的卸

荷拱作用或单纯的净浮力作用都不太可能。本文所

论述的四种计算方法都是属于估算，对工程施工具

有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 油气输送管道穿越工程施工及验收规范[S]．北京：中

国计划出版社，2007.

[2] 安金龙. 水平定向钻穿越回拖力的计算方法及其分析

[J]．湖北：石油工程建设，(1): 21-27, 2008.

[3] 杨先亢，遆仲森，马保松，韦立勇，兰海涛．水平定向

钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析[J]．湖北：石油工

程建设，(1): 3-8，2011.