水平定向钻泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重
水平定向钻牵引管道施工控制要点探析
水平定向钻牵引管道施工控制要点探析摘要：随着我国经济水平的不断提升，人们越来越重视安全问题，而市政管道施工直接影响到周边建筑物及人身安全问题。
因此，在实际管道施工过程中，应加强管道工程施工质量控制。
本文结合自身的工作实践，就水平定向钻牵引管道施工控制要点进行了总结与分析，并提出了施工中常见问题及解决对策，以供读者参考。
关键词：水平定向钻；管道工程；钻导向孔；泥浆配置非开挖导向钻进铺设管线是在传统顶管法和不能定向的水平钻进铺管法的基础上，引进现代的导向技术而发展起来的铺管技术。
它利用地面放置的铺管钻机，沿待铺管线的设计轨迹先钻成一个先导孔，然后将导孔扩大，并将工作管拉入孔内，实现不开挖施工。
深度位置可以由导向仪测量，并根据设计轨迹进行校正调整，因此铺管精度高，成功率高。
此外，铺设的管径、管材范围更广，适用的地层环境更宽。
本文着重探讨了水平定向钻牵引管道施工控制要点。
1 水平定向钻牵引管道施工概述水平定向钻牵引施工是近年来在市政管道工程中常用的一种方法，根据预先勘探的地质情况，设计出具体钻进、牵引线路，开挖入土井和接收井，然后用装有钻头的钻杆进行逐级扩孔，孔径满足设计规定之后，再卸下钻头装上相应管线回拖，完成管线敷设作业。
与传统明挖回填施工相比，水平定向钻牵引施工是一种不需要大范围开挖土方，不破坏周围环境，就能敷设地下管线的施工工艺。
水平定向钻牵引管道施工的优缺点如下：水平定向钻牵引施工不会阻碍交通，对绿地和植被破坏较少，对商店、学校、医院和居民的正常生活方面的影响能降至最低，避免了传统开挖对居民生活的干扰，对交通、环境、周边建筑基础的破坏和不良影响；不用开挖沟槽进行管道施工，减少了土方处理的工作量，减少了成本；特别时间短，任务重的情况，选用水平定向钻更为合适。
但是，水平定向钻施工需要配制泥浆，泥浆存放与运输给文明施工带来一定的负面影响。
2 水平定向钻牵引管道施工控制要点2.1 工程概况广汕公路（开创大道至永顺大道）架空线入地工程，共9处横跨广汕公路敷设电缆套管。
水平定向钻穿越回拖力计算公式
穿越长度 L（m） 1500 管径D （mm） 813 壁厚 （mm） 16.0 入土角 (α ) 10 出土角 (β ) 6 管道埋深H （m） 20.0 曲率半径R （m） 1219.50
入土点标高 （m）
0.00
出土点标高 （m）
0.00
1#点至2# 2#点至3#点 3#点至4#点 点距离 L1 254.20 距离 L2 1025.68 距离 L2 L3 （m） （m） （m）
出土点
1#点
每米管线的重量W(kg) 1)在第1点时 F1
318.59 L
每米管线悬浮在泥浆中产生的浮力 F浮(kg) × f = = 143.37 28.89
544.80 (T) (T)
= W × 2)在第2点，也就是管线回拖到第一个转折点，其计算如下： F2－1 （W-F浮） L1 = × × 当管线回拖到第2点时，管线的深度为 F静浮 （W-F浮） = × 未拖入管线段产生的摩擦阻力计算如下: F未 = W × 20.00 H （L2+L3）
F未 = W × 则有在第3点产生的总回拖力计算如下: F3 F2－1 = + F3-4 （W-F浮） = × 则有在第4点产生的总回拖力计算如下: F4 F2－1 = +
L3 F2-3 L3 F2-3 2
× + × +
f1 F静浮
= + F未 = =
21.04 147.48 10.97 132.66 T，根据理论计算，钻机的回拖力大于 152.71
(f2cosβ +sinβ )
管线产生的净浮力计算如下： × × ρ f1 F未 f2 = = = = 4.75 119.07 152.71 92.81 (T) (T) (T) (T)
水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析
水平定向钻管道穿越回拖力计算公式的比较分析杨先亢;遆仲森;马保松;韦立勇;兰海涛【摘要】回拖力计算是采用水平定向钻进技术(HDD)进行管道铺设工程设计的一项重要内容,也是选择钻机和管材的主要依据.在实际施工中,水平定向钻穿越回拖力计算方法很多,且计算结果相差也比较大,常常使工程设计人员无从选择.针对这一问题,文章选取了<油气输送管道穿越工程施工规范>、<给水排水管道工程施工及验收规范>、美国燃气管道研究会的计算方法和美国材料试验学会ASTM法这4个目前国内外常用的回拖力计算公式,并结合3个具有代表性的工程实例,对4个公式的计算结果及应用环境进行比较分析,得出的结论可供HDD工程设计人员借鉴参考.【期刊名称】《石油工程建设》【年(卷),期】2011(037)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】水平定向钻;回拖力;管道穿越【作者】杨先亢;遆仲森;马保松;韦立勇;兰海涛【作者单位】中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074;中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TE973.4水平定向钻进技术的施工过程一般可以分为三个阶段，即钻先导孔、扩孔和管道回拖[1-2]。
其中管道的回拖阶段需要选择适当的管材和壁厚来承受安装时的荷载，设计人员要预先确定安装荷载并确保管道尺寸能够承受这些载荷，施工单位也要根据他们提出的计算方法来预测回拖力并施工安装管道。
另外，回拖力还是水平定向钻钻机选择的主要参数，回拖力的计算是管道穿越工程首要解决的问题之一。
穿越管段在回拖过程中的受力非常复杂。
目前普遍认为管道在回拖过程中主要受到以下5种阻力：一是穿越管道与孔壁间的摩擦阻力；二是管道和地表之间的摩擦阻力；三是绞盘效应力，源于沿弯曲钻孔轨迹拖拉管道产生的递增承载压力；四是流体阻力；五是弯曲时由管道刚度产生的阻力[1]。
水平定向钻牵引管道施工控制要点
水平定向钻牵引管道施工控制要点一、施工准备阶段的控制1、确定钻进轨迹与选择合理的穿越地层水平定向钻可承担各种不同材质管线的穿越任务，钻机性能的发挥依赖于适宜的地质条件和合理的轨迹设计。
如果地质条件理想，穿越曲线位于黏土、亚黏土、或淤泥等生成浆液效果比较好的地层，施工时可以适当加长曲线长度，且拖拉力不会增加很多，可加快工程进度;如果穿越曲线所在的地层不理想时(例如流沙、钙质层、砾石层)，则会降低穿越成功的可能性，甚至导致钻孔无法完成。
事先充分了解施工地段的地质条件是穿越成功的重要前提。
2、地质要求必须先勘察穿越工程处的地质情况，不同地层需要选用不同的钻具及结构。
穿越地层必须详勘，一般按要求在穿越中心两边各15m，沿中心线方向间距设勘察孔，而对于复杂的地质则勘察孔务必加密。
穿越段地质勘探应提供以下参数值:各层厚度、取样深度、含水量、颗粒度、液性指数、塑性指数、液限、塑限、承载力标准值等数据，并提供水质报告、穿越地段地形和地质钻探剖面图，供施工单位使用参考。
3、集泥池为保证附近环境卫生状况，在钻进前应先在两端挖好集泥浆池，安装好泥浆泵，及时抽出导向钻和扩孔阶段的泥浆。
二、导向孔的施工控制1、导向钻孔钻头内的发射器可以发射钻头的位置、顶角、深度、钻头温度、面向角、发射器内电池状态等参数，并由地面手提定位示踪仪接收，操作人员及时准确地确定钻头的具体位置和深度，并随时通过钻机调整钻机参数，以控制钻头按设计轨迹钻进。
2、卡钻的解决办法在砾石、粉细砂、钙质层钻进中，较容易出现卡钻现象。
发生卡钻时(特别是民居房屋下的地层)，应及时调整泥浆指标，使用大泥浆排量，与挖掘机配合将钻杆撤出卡钻区;通过调整泥浆指标，使用膨润土，增加泥浆切力，并使用扭矩大、推力大的钻机及其匹配的钻头，才能最终完成导向孔的钻进。
3、钻头脱落和钻杆折断问题钻头脱落和钻杆折断是施工过程中常见的孔内事故。
多为孔内地质情况复杂、回转阻力大以及人员操作不当等多种原因引起。
水平定向钻管道穿越孔底泥浆的力学特性 (1)
摘要：将水平定向钻（HDD）回拖过程中孔底泥浆的流动假定为幂律流体在同心环形空间中的稳定 流动，考虑内管轴向运动对流场分布的影响，根据 Navier-Stokes 方程推导泥浆压力梯度与管道外表 面泥浆剪切应力的解析计算方法。基于搜集的 HDD 工程实例采用该解析方法进行数据分析，并与 现有 Baroid 经验公式、SPE 经验公式和 Polak 经验公式的计算结果进行对比。结果表明：由解析方 法求得的泥浆压力梯度与实测值相差最小；泥浆拖曳阻力是回拖载荷的重要组成部分，计算中不可 忽略；扩径比是泥浆压力梯度与剪切应力计算中敏感性最强的因素。 关键词：管道；穿越；水平定向钻；泥浆；压力梯度；回拖载荷；泥浆拖曳阻力 中图分类号：TE832ɹɹɹɹɹ文献标识码：AɹɹɹɹɹDOI：CNKI:13-1093/TE.20110117.1554.001
携带导向孔内的钻屑，这就要求泥浆有一定压力，但 过高的泥浆压力会导致泥浆泄漏和孔壁漏塌问题。在 实际工程中，基于分析泥浆压力梯度计算对相关参数 的敏感性，有针对性地选择泥浆压力的控制手段，将 泥浆压力维持在合理的范围之内[13]。根据表 1 的工程 参数，对泥浆压力梯度、泥浆剪切应力的计算进行敏 感性分析，通过单独变动各参数的取值，考察计算结 果切应力的计算结果与实测值
数据来源
压力梯度/ (Pa • m－1)
管道外表面 剪切应力/Pa
Baroid 经验公式
2 403
SPE 经验公式
733
Polak 经验公式
48
1.0
解析方法
928
20.7
实测
1 200
回拖过程中泥浆流动存在反向点，该处泥浆的流 动方向由与管道拖动反方向转变为同方向；试验反向 点出现在距离回拖起点约 150 m 处（曲线 a），此处之 前泥浆压力与回拖距离呈现较好的线性关系，泥浆压 力梯度约为 1 200 Pa/m（图 2）。
水平定向钻施工技术及常见难题研究
水平定向钻施工技术及常见难题研究摘要：重庆具有山地城市的典型特征，拥有大山大水的空间格局，由此为实现城市供水干管互联互通保障中心城区供水安全并实现城乡供水一体化，供水管网的敷设必须“翻山跨河”；传统开挖方式面临难题，非开挖技术应运而生。
本文重点研究梳理水平定向钻的常见施工难题、产生原因和解决方案，为定向钻施工提供一些经验借鉴。
关键词：供水管道施工非开挖技术水平定向钻常见难题一、研究背景和意义重庆市自直辖以来社会经济发展迅速，发展成总人口约3200万人、主城区人口1100万的大城市，供水安全是城市民生安全和社会经济发展的必要保障。
一方面要保障重庆城市高品质、高效率供水安全，中心城区的供水厂布局趋势必然是大厂取代小厂，供水干管互联互通，以保障事故时整个中心城区供水能满足事故流量的基本要求。
另一方面，在推进城乡融合和乡村振兴的国家战略背景下，供水先行，由城市大厂将供水管网延伸至乡镇是大趋势，以实现城乡供水“同源、同网、同质、同价”。
重庆市是典型的山地城市，拥有大山大水的宏大格局，这种城市特征为供水管网的敷设带来“翻山跨河”的难题。
在上述情境下，管道的传统开挖方式将不再适宜，因此研究非开挖方式具有工程技术和经济层面的重要意义。
二、非开挖的概念和优势概念：不开挖地表或以最小的地表开挖量进行各种地下管道/管线探测、检查、铺设、更换或修复的施工技术。
它可广泛地应用于给排水、石油、天然气、煤气、热力、自来水、电讯、电力、有线电视等领域的地下管线施工。
优势：非开挖可以在开挖施工无法进行、或不允许的场合，如穿越河流、湖泊、交通干线、建筑物等；可以避免开挖施工对居民正常生活的干扰，以及对交通、环境、周边建筑基础的破坏和不良影响；加快了施工进度，有较好的经济效益和社会效益。
非开挖施工种类丰富，包括穿梭矛、水平定向钻法、夯管锤和土螺钻等，本文仅针对水平定向钻法展开研究和讨论。
三、水平定向钻的特征特点：水平导向钻进技术是一种无需挖掘工作井就能快速铺设地下管线的钻进方法，其主要特点是可根据预先设计的管线路，驱动装有楔形钻头的钻杆从地面钻人，按照预定的方向绕过地下障碍，直至抵达目的地，然后卸下钻头更换装有适当尺寸和特殊类型的回程扩孔器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，并将需铺设的管线同时反程牵回钻孔人口处，以保证新铺设管线不会由于空间不足或铁屑的磨损而受到损坏。
水平定向钻穿越过程中泥浆压力与土体变形的控制
３ 泥 浆 的特 性
如果泥浆已将孔洞 中的岩土置换 ， 那么泥浆必
６ ％。 ０ 由于驱动地下钻具和维持孔洞稳定 的需要 ， 泥浆进入钻管时需要增加一定的压力 ， 压力范围一
须具有足够 的携带能力 和流动能力 ， 才能将岩土钻 屑携带至孔洞外 。 泥浆 的携带能力是指泥浆在非流 动状态下 ， 使钻屑悬浮 的能力 ， 这种能力与泥浆 的
至少能驱动泥浆马达的转动和钻头的钻进切削 ， 也 是带动孔洞中泥浆旋转流动的基本条件 。 假设 泥浆在孔洞 中是静止的 ， 那么 ， 点的静 该
液压 力 为 ： ＝Ｐｇ 叮１ ｈ
足上述条件的泥浆经过高压泥浆泵增压 ， 输送到泥
带能力和流动能力 ， 就必须提高泥浆 的压力 ， 以 用
克服增加的流动阻力 。
如果是在钻杆接续 、更换钻头或钻进停止时，
悬浮在泥浆 中的钻屑沉入孔洞底部 ，将钻孔堵塞 ， 这将是很危险的事情。然而 ， 泥浆 的变性特征会在
一
浆马达后开始发挥作用 。 在这个过程 中泥浆压力不 仅传输泥浆 ， 促使泥浆流动 ， 而且为泥浆剪切岩土
下沉变形 ，也可能会引起地表或河底 的隆起变形。 变形 的原 因较为复杂 ， 一般地 ， 变形易发生在 土质 疏松 的回填土地段 、 土体不连 续地段 、 地质不均匀 分布的地段等 。 水平定向钻在钻导 向孔 、 预扩孔和敷设穿越管
本文将重点探讨水平定 向钻穿越过程 中， 如何 调整 泥浆配 比和泥浆压力来控 制和减少土体的变 形 问题 。因此 ， 泥浆的流动性 、 絮凝性 、 降滤失性 、 防
第５ 期
２１年 １ ０ １ ０月
非开挖技术
Ｃｈ ｎ ｅ ｃ ｌｓ ｃ ｎ ｌ ｇ ｉ ａ Ｔｒ ｎ ｈ ｅ ｓＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
论地下供水管道水平定向钻进穿越施工技术要点
论地下供水管道水平定向钻进穿越施工技术要点摘要：在城市化发展的关键阶段，我国城市道路系统越来越完善，城市道路交通也变得日益繁忙，在进行管道铺设期间，如果使用路面开挖法，则有可能对周边的环境以及城市的道路交通带来一定的阻碍以及消极影响，如果使用水平定向钻进穿越施工技术，那么这不会对路面的交通系统产生消极影响，而且也可以将环境污染降到最低程度。
最近这几年使用的非开发施工管道水平定向钻进穿越技术的应用范围非常广泛，而且它的优势在于施工周期短施工现场和灵活调整以及安全性高等等，本次课题主要针对该技术的工艺以及具体的技术要点进行探讨。
关键词：自来水管道；水平定向钻进；穿越施工一、水平定向钻进穿越施工技术我们可以将水平定向钻进专业施工工艺分为两个阶段的内容，第1个阶段的内容是按照曲线尽可能地保证水平定向导向孔具有准确性的特点。
第2个阶段是将导向孔进行扩孔工作，并且将产品管线回拖安装到导向孔当中，从而完成导线穿越的工作。
导向孔的钻进工作需要根据地质情况选择合适的钻头导向板以及地下泥浆。
预扩孔以及回拖产品管线的施工工作，同样也需要按照钻机型号以及地质情况确定。
1.钻导向孔在进行导向孔钻进的过程当中，现场工作人员需要深入了解工程现场的地质情况，并且结合地质情况选择最合适的钻孔导向板或者地下泥浆的马达，在进入到施工状态之后，对准需要钻进的入土点之后，在钻头的推动下就会将地层逐渐切开，从而保持持续前进的状态，当一根钻杆已经完全钻进之后，工作人员还需要对钻头的具体钻进位置进行测量，保证钻头钻进的方向具有正确性的特点，确保最终获取的施工结果与设计结果，相符合如此反复操作，直到钻头达到预定的位置之后，就可以停止并出土。
2.预扩孔与回拖管线在进行预扩孔和回拖管线工作时，现场工作人员均会选择小型的钻机，在这种情况下，直径超过200mm。
那么在开展预扩孔工作时就是要使用大型的钻孔机，在此情况下管道的直径超过350mm。
在进行回拖管线操作时，需要先将扩孔的工具和管线进行有效连接，需要由钻机转盘对钻杆的运动过程进行带动。
浅析定向钻施工中的泥浆控制
浅析定向钻施工中的泥浆控制【摘要】水平定向钻穿越是管道建设当中非开挖穿越一种施工方法，在城镇、野外的特殊地域经常使用，定向钻穿越施工中泥浆是必然产物，废弃泥浆有着控制困难、泄露的随机性、污染水源、占地时间长等特点，对环境造成不利影响。
随着社会不断进步，越来越多的人们将对泥浆来源逐渐认知和熟悉，为此控制减少泥浆使用量、排放量，采取科学的泥浆回收处里措施将成为定向钻施工中环境保护工作重点。
【关键词】定向钻、泥浆、泄露、处理一、泥浆来源及特性1、水平定向钻中的泥浆使用情况。
在穿越过程中，选择最优的泥浆压力是工程顺利施工的保证。
穿越过程需要经历打导向孔（钻孔）—扩孔—清孔—回拖等施工工艺过程，为避免卡钻、导向失控等问题，对泥浆成分的配比和使用量也会不断的增加和改进。
预计每穿越1km管线需要泥浆量800立方米。
2、泥浆主要配比。
泥浆主要由水和膨润土构成，每100立方米泥浆配比见下表：表1-1泥浆配方序号材料名称用量kg 功能及特点1 钠基膨润土 5000 泥浆主要材料，与细土相仿2 羧甲基纤维素钠/CMC 25 提高粘度和切力、降滤失、防塌和耐盐、耐温，其通过提高泥浆中固相颗粒的水化膜厚度和泥饼的压缩性，使失水量降低。
3 羧甲基淀粉/CMS 25 是一种降滤失剂，通过氢键吸附到粘土上，增加粘土的负电性和水化薄厚度，提高粘土颗粒间斥力，使泥浆保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼，从而增加滤液粘度。
4 正电胶干粉 25 与粘土颗粒只形成结构，不产生电性中和，不引起粘土颗粒聚沉。
堵塞泥饼空隙，减小泥饼渗透性，降低失水量。
5 工业纯碱 5 可改善粘土的水化分散性能，降低滤失量，增大粘度和切力。
6 封堵剂5 防止钻井液大量漏入地层，可做裂缝性和溶洞性地层堵漏。
7 油基润滑剂 10 增加泥浆的流变性和润滑性3、不同地层泥浆配方。
在穿越施工中，不同地质条件下要求泥浆的性能指标不同，通常通过改良泥浆配方来改善泥浆的性能。
可穿越地质主要分为：粘土、亚粘土、粉砂细砂、中砂、粗砂砾砂、岩石。
浅谈PE燃气管水平定向钻穿越长度的选择
３１５
３２ｏ １２４９４６
１２２７２７ 不 满足 ＴＤ＞Ｆ
＝ ＋ ＋ａｌｅｏ一 ｌ 一ｅ （ 。Ｒ厶）
（５）
根据 ＰＥ燃气管水平定 向钻穿越 回拖力的计算 ，管道穿越 的长
＝ｅ ｌ ＋ ＋ Ｉ 一 ｌ厶一（晶一 ） 一ｅ 。（ Ｌｄ）ｌ （６） 度随着管径增大而增加 。但是当穿越管道的管径增大到 ＤＥ３１５时 ， 式 中：Ｔｈ一孑Ｌ内流体（泥浆 ）对穿越管段的运动阻力 （ＫＮ）； ＝ ＇ＩＴ ｑ 由于 管 径 变 大带 来 的垂 直 方 向 合 力 的变 化 率 大 于 允 许 回拖 力 的变
根据美 国塑料管 ＰＰＩ协会资料 ，定 向钻穿越回拖力计算公式如 外 径 穿越 长 度 总 回 拖 力 ＰＥ管 允 许 最 大 是 否满 备注
下 ：
对于水平孑Ｌ内或地面上水平拖动的顺直管段其 回拖力计算 的
基本 公 式 为 ：
Ｆｓ＝Ｉ ＸＰ￣Ｌ
（１）
式 中 ：Ｆｓ－顺直管段在水平孔 内（或在地面上水平拖动 ）的回拖
燃 气 管 长度 。 关键词：ＰＥ燃气管；定向钻 穿越 ；回拖 力计算；穿越长度
由于 ＰＥ燃气 管 具有 良好 的柔 韧性 ，断裂 伸 长率 大 ，对 管 基 的不 力 达 到最 大 。
均匀沉降适应能力强 ，具有优异的抗冲击 、耐扭 曲能力 ，在水平定 向
２穿 越管 道 回拖 力 计算
钻穿 越施 工技术 中 ＰＥ燃气 管得 到大力 的推广 应用 。 目前 仅有
５２２６６
５４５４５
满 足
５３８２９
５４５４ ５
满 足
５５３９２
５４５４５
不 满足 ＴＤ＞Ｆ
１１７ｌ９ｌ
水平定向钻泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重
水平定向钻泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重颜道根1，王聪2 (1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065；2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049) 摘要：泥浆拖拽阻力对回拖力贡献的权重问题是研究水平定向钻管道穿越回拖力时一项重要的内容。
在目前的计算模型中，泥浆拖拽阻力的贡献权重不一致。
针对这一问题，文中采用了与实际工程较接近的ASTM法进行计算研究，提出了新的权重计算公式，并结合3个工程实例，对泥浆拖拽阻力的权重进行计算分析。
结果表明，泥浆拖拽阻力引起的回拖力计算结果差值为10%左右，泥浆拖拽阻力在回拖力中贡献的权重不能忽略。
关键词：水平定向钻; 回拖力；泥浆拖拽阻力；贡献权重；管道；泥浆0 引言泥浆拖拽阻力是指管道回拖过程中泥浆作用在管道上的动切力，泥浆拖拽阻力对回拖力的影响大小需研究[1-2]。
G. Duyvestyn[2]对回拖载荷的影响因素进行研究，提出将泥浆拖曳阻力纳入分析，可以更准确地预测回拖载荷的动态变化过程。
泥浆拖曳阻力的贡献权重有3种模型(AGA 模型[3]、ASTM 模型[4]、Polak 模型[5-6])。
M. E. Baumert[7]进行的水平定向钻穿越管道安装实验中监测模拟出的泥浆拖拽阻力占总回拖力的很大部分，最高可达77%，然而与此对应的Polak模型实例计算得出的泥浆拖拽阻力仅占整个回拖力的0.11%[5]。
主要原因是泥浆流变参数选取不一致，导致回拖力计算波动较大，孔底泥浆的剪切速率在较大范围内波动，而计算所用流变参数则基于特定剪切速率的实验数据回归而得[8]。
S. T. Ariaratnam 等开展HDD 泥浆的流变特性检测研究，着重分析钻屑含量的影响规律[9]；所得数据在随后的HDD 导向孔泥浆压降研究中得以运用，但分析中并未采纳W. C. Chin 的建议[10]。
M. E. Baumert[11]等继续W. C. Chin[8]的工作，基于S. T. Ariaratnam[9]的成果，分别采用高剪切速率(300、600 r/min)与低剪切速率(6、100 r/min)下的剪切数据回归流变参数，结果显示2次计算的压降值相差70%，分析认为低剪切速率下的流变参数更适合在回拖载荷的计算中应用。
水平定向钻进中泥浆浅析与应用探讨
不同的穿越长度、孔径及地质情况，对泥浆 的配制有不同要求，在定向钻穿越施工前就需要 根据定向钻穿越三要素 : 长度、孔径、地质情况， 设计出导向、扩孔、回拖管道不同施工阶段的泥 浆配制方案。在具体施工过程中还要根据返浆情 况以及钻进、扩孔、回拖时钻机的推拉力、运行 速度和扭矩进行必要的调整。
配制泥浆的水应选用中性软水，水中钙、镁 及其它金属离子含量较低，pH 值在 7 左右 ( 中性 ) 最好。泥浆主要材料膨润土的选择很重要，一般 选用性能优良的的钠基膨润土，其次也可选用用 钠离子置换过的钙基膨润土。膨润土中含砂量是 一重要指标，一般 200 目筛选通过率应在百分之 九十五以上。膨润土中的砂对泥浆系统损害较大， 它会加速泥浆泵等泥浆运行系统的磨损，增加维 修费用及耽误施工时间。为改善、增加以膨润土 为主要材料的泥浆的性能，更好的适应定向钻穿 越的需要，在配制泥浆中常使用化学聚合物作为 添加剂，添加剂的作用主要有以下几方面 :
1）增加润滑性，降低钻机在运行中的负荷， 主要是减小旋转扭矩。再其次，钻孔内润滑性好了， 非常有利于泥浆在钻孔内运动，极有利于排出钻 屑。
2）增加钻孔壁泥皮强度，同时促进泥皮的快 速形成，降低泥浆滤失量，减少泥浆中水的流失 同时也更好隔离地下水对钻孔的侵蚀。
2. 泥浆体系作用
1）稳定钻孔壁，对松散地层起到一定的胶结作 用，阻止泥浆的渗漏同时隔离地下水对钻孔的侵 蚀，减弱泥页岩水化膨胀和分散。同时泥浆的液
水平定向钻穿越回拖力计算公式说课讲解
F3-4
=
（W-F浮）
×
L3
×
(f2cosα-sinα)
则有在第4点产生的总回拖力计算如下:
F4
=
F2－1
+
F2-3
+
F3-4
=
结论：以上的计算过程中得出，四个
点中第
2
点处的回拖力最大为 152.71
F未
=
=
21.04
147.48
10.97 132.66
T，根据理论计算，钻机的回拖力大于 152.71
距离 L2 （m）
1025.68 距离 L2 L3 （m）
220.12
f1（孔外） （0.1～0.3）
0.3
f2（孔内） （0.1～0.3）
0.40
定向钻穿越回拖力的计算，对于正确选用钻机至关重要。以下计算的条件是孔内充满泥浆，孔壁保持完好。（管材为钢管）
根据美国奥格公司提供的计算方法如下：计算时在设计曲线上取有代表性的4个点，计算在各点的使管线向前运动所需的拉力.
=
28.89
(T)
当管线回拖到第2点时，管线的深度为
20.00 管线产生的净浮力计算如下：
F静浮
=
（W-F浮）
×
H
×
ρ
=
4.75
(T)
未拖入管线段产生的摩擦阻力计算如下:
F未
=
W
× （L2+L3） ×
f1
=
119.07
(T)
则有在第2点产生的总回拖力计算如下
F2
=
F2－1
+
F静浮
+
F未
=
152.71
水平定向钻管道回拖受阻原因分析及措施
水平定向钻管道回拖受阻原因分析及措施刘艳利;周号【摘要】介绍几种常见的管道回拖和抢险的辅助措施,包括滑轮组、夯管锤、推管机以及抢险拉力机.在水平定向钻施工抢险过程中不能长时间停泥浆泵,以防止泥浆固化.夯管锤助力回拖是最为常见的抢险措施.推管机既可以助力回拖也可以反向抢险回拖,对工程保障最为有利.滑轮组抢险没有监测数据,实际效果不稳定.而抢险拉力机有监测数据,该装置可自动控制,连续张拉,同时具有过载安全报警装置,确保施工安全;多台拉力机联合使用时由远程控制装置控制液压拉力机协同工作、自动同步,技术优势明显.【期刊名称】《石油工程建设》【年(卷),期】2016(042)002【总页数】4页(P55-58)【关键词】水平定向钻;管道;回拖;抢险【作者】刘艳利;周号【作者单位】中国石油天然气管道科学研究院,河北廊坊065000;中国石油天然气管道科学研究院,河北廊坊065000【正文语种】中文水平定向钻是一种通过地表设备以一定的出、入土角度穿越障碍物的非开挖技术。
该技术起源于钻井行业，20世纪60、70年代取得长足发展，主要应用于市政工程建设。
1986年我国首次将该技术应用于黄河石油管道穿越，该技术具有工期短、成本低的特点，并随着我国管道建设的发展得到广泛应用。
随着水平定向钻穿越项目的管径逐渐增大，由720 mm 到1 219 mm，乃至中俄东线的1 422 mm，孔洞成孔质量控制难度增加，塌孔、卡钻问题增多，从而导致管道回拖阻力过大。
本文针对管道回拖时常见的问题，进行了原因分析并给出了解决措施。
水平定向钻管道回拖受阻会导致定向钻穿越失败。
其内因是，穿越地质条件超出了定向钻技术的适用范围，孔径不断突破定向钻扩孔直径极限，导致成孔质量不可控；外因是施工过程中采取的预防和处置措施不当。
正常的管道回拖阻力通常由回拖管道与成孔内壁之间摩擦阻力、回拖管道拖拉头管端阻力以及管道弯曲与孔壁引起的附加阻力构成。
成孔质量较好时，回拖阻力主要是管道与成孔内壁之间摩擦阻力，其大小可由下式计算：式中：FL为计算回拖力，kN；L为穿越管段的长度，m；f为摩擦系数，取0.3；D为钢管的外径，m；γm为泥浆重度，kN/m3，可取10.5～12.0；γs为钢管重度，kN/m3，取78.5；δ为钢管壁厚，m；Wf为回拖管道单位长度配重，kN/m；K为粘滞系数，kN/m2，取0.18。
水平定向钻进中管线施工回拖力的参数研究
１２
非 开挖技术 Ｃｈｉｎａ Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２０１６年 ２月
ｌｌｌｌ洲ｌｌｌｌｌｌ秘洲Ｉ塑丛ｌｌｌＩＩＩＩＩ￣１１１１一
蹁
图 １ ＨＤＤ５４项 工 程 实 际 回 拖 力 与理 论计 算 结 果 的对 比
回拖力的计算方法基于国际 （管道研究理事会 ＰＲＣＩ）（Ｊ．Ｄ．Ｈａｉｒ合伙人 ，２００８）６被行业广泛接受，因 为它合并 了著名 的静态和动态的概念并且把 它们 应用到 ＨＤＤ的设计中。管道施工所需 的总拉力由 抵抗管道直线运动的合力和井 眼的曲线段计算得
到 。ＰＲＣＩ给随 着 管道 被 依 次 拖 拽通 过 它 们 时 钻 进 路径的不同部分提出了方程 。
ＨＤＤ的项 目设计 是 非 常重 要 的，特别 是 对 于较 大规模项 目，项 目执行中的任何耽搁可能导致一个 经济噩梦 ，高效 的设计通过按 时交付项 目可能会完 成 可 观 的资 金节 约 。本文 呈 现 了对 超 过 ５Ｏ个项 目 的预测 和实 际测 量 的 回拖力 对 比的结 果 。
关键词 ：水平定 向钻进、参数 、对比研 究
１ 介绍
ＨＤＤ方 法有 三个 基本 阶段 ：先 导 孔，预扩 孔 和 回 拖 。在 回拖阶段，管道施工受制于各种复杂组合力。 在 ＨＤＤ项 目的 设 计 阶段 准 确 估 计 回拖 力 是 必 要 的 ，以选择适 当大小 的产 品管 和钻机 。当 ＨＤＤ钻 机 有能力成功拖拽管线时 ，产品管道应当被设计有足 够 的力 以避免在施工过程 中受到损坏。
各种回拖力计算方法辨析(经典)
1、荷拱土压力计算法1.1基本思路与计算公式卸荷拱土压力计算法的基本思路是：穿越管段在回拖过程中受到孔道上方塌落土的压力，管段本身的重量全部由孔底承担，即不考虑浮力作用。
孔道上方塌落土的压力根据穿越地层天然卸荷拱的高度进行计算。
基本计算公式为：T max=[2P(1+K a)+P o]f e L（3—1）式中：T max——穿越管段的最大回拖力（kN）；P——单位长度穿越管段所受的土压力（kN/m）；K a——主动土压力系数，一般取0.3；P o——单位长度穿越管段重量（kN/m）；f e——管壁和孔壁之间的摩擦系数（无量纲，一般取0.2～0.3）；L——穿越管段的长度（m）。
图3-1 管道穿越处土壤卸载拱示意图从（3—1）式可知，穿越管段的最大回拖力取决于管顶塌落土对管段的压力P和摩擦系数f e 的大小。
管顶塌落土对单位长度穿越管段的压力P由垂直土压力Pv和侧向土压力Ph组成，即P = Pv + Ph。
其中，垂直土压力Pv按穿越孔道上方天然卸荷拱以下的垂直土荷载进行计算。
同时考虑到泥浆的护壁和对土壤的胶结作用，引入孔壁稳定系数λ进行修正。
孔道上方天然卸荷拱的高度：h=D e[1+tg(45o−∅1)]/2f kp(3-2)2P v=v e D oℎ/λ=v e D o D e[1+tg(45o−∅1)]/2f kpλ(3-3)2式中：Pv——单位长度穿越管段所受的垂直土压力（kN/m）；v e——穿越地层土的容重（kN/m3）Do ——穿越管段外径 （m ）；De ——最大扩孔直径 （m ）；h ——穿越孔道上方天然卸荷拱的高度（m ）；f kp ——穿越土层的坚实系数，各种土的坚实系数见表3.1；φ——穿越地层土的内摩擦角，φ= arctg f kp ；λ——穿越孔壁的稳定系数（无量纲），根据经验取30.0～40.0。
表3-1 土壤坚实系数及孔道稳定系数因为水平定向钻穿越的最终扩孔直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[18]。
水平定向钻回拖力
水平定向钻回拖力
你们有没有看过那种在地下铺管道的呀？就像给大地做一个秘密的通道一样。
水平定向钻就是干这个活儿的大“机器侠”呢。
那这个回拖力呀，就像是这个“机器侠”的力气。
比如说，你想把一个超级大的玩具从一个地方拉到另一个地方，你得用力气吧，这个回拖力就相当于这个力气。
我给你们讲个小故事吧。
有个小村子要通天然气，就得在地下铺管道。
施工的叔叔们开来了水平定向钻这个大机器。
这个管道就像一条长长的大蛇，要在地下钻好的洞里被拉过去。
可是，这个“大蛇”很重很重的，那怎么拉呢？这就全靠回拖力啦。
如果回拖力不够大，就像你拉一个很重的东西，怎么拉都拉不动。
那这个管道就会卡在地下，动都动不了。
就像小蚂蚁想搬大象一样，根本办不到。
但是要是回拖力太大了呢，又可能会把管道拉坏，就像你用力扯一根绳子，太用力了绳子就会断掉。
有一次，我看到一群工人叔叔在给城市铺电缆。
他们用水平定向钻的时候，一开始回拖力没调好。
结果呀，管道就是拉不过去，就卡在那儿了。
叔叔们很着急，就像热锅上的蚂蚁。
后来，他们仔细地调整了回拖力，就像找到了合适的力量去拉东西一样。
然后呀，管道就顺利地被拉过去了，就像小火车在轨道上顺利地跑起来了。
这个回拖力还和很多东西有关呢。
比如说，管道的长度。
管道越长，就越难拉，就需要更大的回拖力。
就像你拖一根短绳子很轻松，但是拖一根很长很长的绳子就费劲了。
还有管道的粗细，粗的管道就像粗粗的树干，肯定比细细的树枝难拉动，那也需要更大的回拖力。
大管径供热管道水平定向钻施工回拖作业技术
大管径供热管道水平定向钻施工回拖作业技术摘要：供热管道在国家的发展中一直处于重要的位置，它不仅给人们提供优质的生活环境，更为国家的发展和建设提供着保障。
随着国家经济发展水平和科学技术水平的不断提高，很多科研团队逐渐加强对供热管道研究的重视程度，尤其对供热管道相关设计技术的使用方式和设计要点，更是加大了研究力度。
大管径供热管道的出现，也在一定程度上为研究工作的开展带来了不小的挑战。
针对大管径供热管道水平定向钻施工中的回拖作业，对定向钻机回拖力设计计算、钻孔最终扩孔直径、钻机的选型、施工场地要求、回拖过程中的地面减阻方式、工作管焊接及接头位置的补口处理等关键技术进行探讨。
关键词:大管径供热管道；水平定向钻施工；回拖作业；地面减阻就目前国家供热系统的发展状况来看，相关工作团队已经能很好的掌握供热技术，并对原有技术进行创新与升级，以此来更好的顺应时代发展的需要。
大管径供热管道是现代社会供热系统中经常使用的建材，因为大管径供热管道能更好的发挥出供热效果，供热效率和质量也比小型的供热管道效果明显，所以受到了很多供热系统的关注。
对于大管径供热管道，在实施定向钻穿越施工的回拖作业时，为降低回拖阻力需向钻孔内注入泥浆。
由于大管径供热管道的体积比较大，回拖过程中泥浆对供热管道将产生比较大的浮力，导致供热管道上部与钻孔孔壁之间产生极大的摩擦力。
为降低泥浆浮力对管道的抬升作用，在回拖作业时需增加管道重量(一般向管道内注水，增加管道重量)。
由于注水后管道的重量大幅增加，在回拖作业时，适用于小管径供热管道的地面减阻方式已不能完全适应大管径供热管道的回拖作业要求。
适用于小管径供热管道的减阻方式为导向沟配合起重机的地面减阻方式，即利用起重机将管道前端吊起，在定向钻机回拖作用下，使管道平缓地进入钻孔。
导向沟为在管道进入钻孔前的一段开挖的具有一定坡度的沟槽，以缩小回拖作业时管道与钻孔口的高差。
一、水平定向钻的起源早在20世纪70年代，作为工业大头的美国就对水平定向钻施工技术高度重视，且在80年代后期迅速发展成为管道非开挖铺设施工中的领头军。
大管径供热管道水平定向钻施工回拖作业技术概述
大管径供热管道水平定向钻施工回拖作业技术概述摘要水平定向钻大部分都运用市政工程当中，向钻施工回拖作业技术已开始在大管径供热管道应用，保证了工程施工质量，加快了工程施工进度，具有广泛的应用前景。
关键词大管径供热管道；水平定向钻施工；回拖作业；地面减阻前言适用于大管径供热管道的地面减阻方式是采取开挖专用的发送沟，并向发送沟内注入泥浆，利用发送沟内泥浆对管道的浮力及泥浆的润滑作用，降低管道回拖过程中发送沟与管道的摩擦力，起到保护保温管PE外护管及接头保温结构的作用。
值得说明的是，无论采用何种地面减阻方式，均需要开挖导向沟。
本文对大管径供热管道水平定向钻施工中回拖作业的关键技术进行探讨。
1 水平定向钻施工方案水平定向钻穿越省道施工设备主要包括水平导向钻机、管线探测仪、导向探测仪、泥浆拌制系统、装载机、发电机、电焊机、吊车等。
施工工作流程为：开挖工作坑—测放标志线—安装水平导向钻机——钻导向孔。
导向孔完成后进行预扩孔，扩孔时按土层情况配置相应泥浆，扩孔按设计应逐级回扩，不宜跃级。
回扩孔径达到设计要求，且拉力、扭矩在安全范围内便可将预制完好的TPEP钢管进行回拖。
1.1 工作井与接收井施工（1）降排水。
由于施工区地下水位埋深较浅，需进行降排水。
根据现场土壤特性，拟采用管井降水方案，降水井布置在工作井和接收井周边，数量各为3眼，井深为20m，井径为600mm，每眼井出水管接至汇水总管，由汇水总管排至公路路边排水沟内。
（2）工作井制作。
工作井和接收井分别设置在公路一侧，工作井采用挖掘机配合人工进行开挖。
工作井底板尺寸7.5m×5.0m，接收井底板尺寸为5.0m×5.0m，深度根据管线埋深而定。
水位降到基坑开挖底标高1.0m以下时，进行土方开挖作业。
基坑开挖上部采用挖掘机开挖，挖至底部30cm时，采用人工进行开挖至设计标高。
工作井的支护形式为工作井的四角设置型钢剪力支撑，并加设横向钢管支撑，防止塌方。
膨润土泥浆在水平定向钻综合施工中的应用及特点
膨润土泥浆在水平定向钻施工中旳应用及特点在几十年前，水平定向钻技术在西方就成为了一项重要技术。
初期，这项技术只是应用于穿越河流铺设管线，而在这些地方，明挖铺设显然是不切合实际旳。
随着这项技术旳进一步发展，水平定向钻技术成为了众多市政管线铺设工程旳选择，应用范畴逐渐扩大，被用于穿越公路、机场跑道以及地下管线，甚至穿越地下建筑。
近年来水平定向钻技术发展不久，穿越纪录不断被打破，铺管直径已从几公分发展到一米以上[1]泥浆是定向钻工程旳血液，泥浆质量往往是决定工程成败旳核心。
随着水平定向钻市场需求旳不断扩大，泥浆材料也拥有巨大旳市场需求，而膨润土是水平定向钻泥浆旳重要造浆材料。
1定向钻技术及泥浆功用1.1 定向钻技术原理(1)钻进。
在管道铺设旳一端固定钻机，按照设定旳角度，设备驱动钻杆带动钻头旋转迈进，并在导向仪旳控制下，按施工规定旳深度和长度进行钻进，穿过地面障碍物后，穿出地面。
在钻进旳过程中，为避免钻杆被土层夹紧、抱死，需要由泥浆泵通过钻杆、钻头打出膨化水泥或泥浆，起到固化通道，避免塌陷，同步也能冷却钻头，润滑钻杆。
(2)回扩。
在钻头带着钻杆穿出地面后，卸掉钻头，将回扩头于钻杆安装固定，动力头回拖，钻杆带着回扩头反向回拖，扩大管道直径尺寸。
(3)回拖。
在回扩头回拖旳同步，将管道固定在回扩头后，动力头拖动钻杆，带着回扩头和管道同步进行反向回拖运动，直至将管道拖出地面，完毕管道铺设施工。
1.2 泥浆旳功用(1)悬浮和携带泥(岩)屑。
这是泥浆旳基本功用之一，是把钻头或扩孔器破碎旳泥(岩)屑带出孔道，保持孔道清洁，以利于管道回拖。
(2)稳定孔壁。
孔壁与否稳定和规则是水平定向穿越与否成功旳决定性因素，是高速优质进行水平定向穿越旳重要基本条件。
(3)润滑。
在钻导向孔和管线回拖过程中泥浆可以起到较好旳润滑作用，在坚硬岩石地层扩孔时对扩孔器旳润滑作用更加明显。
(4)冷却钻具。
在导向孔钻进和回扩过程中，钻头和扩孔器旋转破碎泥(岩)层产生一定旳热量，钻杆不断地与孔壁摩擦，也产生一定旳热量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
水平定向钻泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重颜道根1，王聪2 (1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065；2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049) 摘要：泥浆拖拽阻力对回拖力贡献的权重问题是研究水平定向钻管道穿越回拖力时一项重要的内容。
在目前的计算模型中，泥浆拖拽阻力的贡献权重不一致。
针对这一问题，文中采用了与实际工程较接近的ASTM法进行计算研究，提出了新的权重计算公式，并结合3个工程实例，对泥浆拖拽阻力的权重进行计算分析。
结果表明，泥浆拖拽阻力引起的回拖力计算结果差值为10%左右，泥浆拖拽阻力在回拖力中贡献的权重不能忽略。
关键词：水平定向钻; 回拖力；泥浆拖拽阻力；贡献权重；管道；泥浆0 引言泥浆拖拽阻力是指管道回拖过程中泥浆作用在管道上的动切力，泥浆拖拽阻力对回拖力的影响大小需研究[1-2]。
G. Duyvestyn[2]对回拖载荷的影响因素进行研究，提出将泥浆拖曳阻力纳入分析，可以更准确地预测回拖载荷的动态变化过程。
泥浆拖曳阻力的贡献权重有3种模型(AGA 模型[3]、ASTM 模型[4]、Polak 模型[5-6])。
M. E. Baumert[7]进行的水平定向钻穿越管道安装实验中监测模拟出的泥浆拖拽阻力占总回拖力的很大部分，最高可达77%，然而与此对应的Polak模型实例计算得出的泥浆拖拽阻力仅占整个回拖力的0.11%[5]。
主要原因是泥浆流变参数选取不一致，导致回拖力计算波动较大，孔底泥浆的剪切速率在较大范围内波动，而计算所用流变参数则基于特定剪切速率的实验数据回归而得[8]。
S. T. Ariaratnam 等开展HDD 泥浆的流变特性检测研究，着重分析钻屑含量的影响规律[9]；所得数据在随后的HDD 导向孔泥浆压降研究中得以运用，但分析中并未采纳W. C. Chin 的建议[10]。
M. E. Baumert[11]等继续W. C. Chin[8]的工作，基于S. T. Ariaratnam[9]的成果，分别采用高剪切速率(300、600 r/min)与低剪切速率(6、100 r/min)下的剪切数据回归流变参数，结果显示2次计算的压降值相差70%，分析认为低剪切速率下的流变参数更适合在回拖载荷的计算中应用。
1 泥浆拖拽阻力计算泥浆是典型的非牛顿流体，确定其流变特性是进行泥浆拖曳阻力计算的前提。
目前，泥浆拖拽阻力的计算主要存在2种思路：经验法确定，即根据现场施工经验直接确定管道外表面所形成的泥浆剪切应力值(D. P. Huey[12]，J. S. Puckett[13]等的相关研究)，根据管道外表面积大小确定整个流体阻力值，或是根据活塞效应，基于孔底压力的监测数据反算出流体阻力(I. D. Moore等[14]的相关研究)；解析法确定，该方法主要是基于流体力学推导而来，分析泥浆流体在管道与孔壁间的流动规律，推导出管道与泥浆界面之间的剪切应力的计算公式[5]。
解析法的基础为假定泥浆流动符合幂律流体在同心环形空间中的稳定流动，如图1所示，泥浆拖拽阻力计算公式为: (1) (2) Q=2πrv(r)dr (3) 式中：(Td)i为第i段的泥浆拖拽阻力，N；K为泥浆稠度系数，Pa·sn；n为泥浆流性指数(无量纲)；Rp为回拖管道的半径，m；D为管道外径，m；Lk为管道在钻孔内的回拖长度,m;v(r)为泥浆流速分布规律，m/s；Rl为环形空间中泥浆的最大流速处半径，m；Rb为终孔半径，m；vp为管道的回拖速率，m/s；dp/dz为沿管道轴线方向的压力梯度，Pa/m；Q为泥浆流量，m3/s。
图1 泥浆流体钻孔流动模型联合式(1)～式(3)，迭代计算可求解相应的流体阻力(Td)i。
管道回拖期间，泥浆拖拽阻力与泥浆、泥浆流速、管道及钻孔的几何尺寸有关。
实际施工中，为了简化泥浆拖拽阻力的计算，一般用泥浆拖拽系数进行简化。
ASTM模型假定泥浆对管道外表面、导向孔孔壁剪切力相等，则泥浆拖拽阻力Td等于泥浆总剪切力的一半，即[4]：(4) 式中：Td为泥浆拖拽阻力，kN；ΔP为导向孔内泥浆压降，kN/m2，推荐取70 kPa；Dhole为钻孔直径，m。
2 泥浆拖拽阻力对回拖力的贡献权重分析管道回拖力的分析计算涉及工程力学、流体力学、土力学、弹性力学等方面，其计算的精确度影响工程施工。
目前，实际工程中的回拖力计算大都采用经验估算法，如卸荷拱土压力计算法、净浮力计算法和绞盘计算法。
涉及到的标准包括GB 50424-2007 《油气输送管道穿越工程施工规范》[15]、GB 50268-2008 《给水排水管道工程施工及验收规范》[16]、ASTM F1962—2011《Standard Guide for Use of Maxi-Hori-zontal Directional Drilling for Placement of Polyethylene Pipe or Conduit Under Obstacles，Including River Crossings》等。
文献[17]表明，《油气输送管道穿越工程施工规范》计算的回拖力值相对实际回拖力值偏小，虽然在实际施工中会按照回拖力计算结果的1.5～3倍选择钻机，但范围太宽，可操作性差；《给水排水管道工程施工及验收规范》和美国燃气管道研究会的计算方法得出的回拖力值偏大；美国材料试验学会采用的ASTM标准计算结果与实际工程较接近。
因此，本文在研究泥浆拖拽阻力与回拖力关系时采用ASTM方法进行。
ASTM计算方法的思路是将穿越管段近似为一条部分缠绕在巨型卷筒上的柔性钢索，其穿越包含了直线段和弯曲段的组合。
在水平钻孔内回拖时的摩擦阻力即为回拖力：Fp=fWsL (5) 式中：Fp为回拖力，kN；f为管道与泥浆之间的摩擦系数(无量纲)，通常平均值取0.3，管道与地面之间的摩擦系数通常取0.5，采用滚轮时取0.1；Ws为单位长度管道重力方向上的合力，kN/m；L为钻孔长度，m。
弯曲段受力应用绞盘效应，回拖力计算公式如下：Fc=eμθ(μWsL′) (6) 式中：μ为管道与泥浆之间的摩擦系数(无量纲)，通常取0.3；θ为管道的弯曲角，rad；L′为回拖长度，m。
由于水平定向钻穿越可分解成直线段和弯曲段，因此可将式(5)和式(6)应用到钻孔的各个直线段和弯曲段中。
如图2所示，钻孔轨迹中4点处回拖力TA、TB、TC、TD可采用式(7)～式(12)进行计算，并取其中最大值作为设计回拖力。
图2 管道回拖力计算的钻孔轨迹TA=exp(vaα)[vawa(L1+L2+L3+L4)] (7)TB=exp(vbα)[TA+vb|wb|L2+wbH-vawaL2exp(vaα)] (8)TC=TB+vb|wb|L3-exp(vbα)[vawaL3exp(vaα)] (9)TD=exp(vbβ){TC+vb|wb|L4-wbH-exp(vbα)[vawaL4exp(vaα)]} (10) wa=πD2ρwγa (11)wb=πρwγb-wa (12) 式中：L1为钻孔外额外需要的管道长度，m；L2为管道入孔点距离管道预定深度的水平距离，m；L3为水平段的长度，m；L4为水平段终点至管道出土点的水平距离，m；H为钻孔埋深，m；va为管道与地面之间的摩擦系数，无量纲；vb为管道与钻孔孔壁之间的摩擦系数，无量纲；wa为单位长度空管道的重力，kN/m；wb为单位长度管道重力方向上的合力，kN/m；α为管道入土角，(°)；β为管道出土角，(°)；ρw为水的重度，kN/m3，取值9.8 kN/m3；γa为管道材料的相对密度，如PE为0.955，钢材为7.85；DR为管道径厚比，无量纲；γb为泥浆的相对密度。
由ASTM 方法可知，将泥浆拖拽阻力分别加入到式(7)～式(10)可得4个关键点处的回拖载荷预测值：=exp(vaα)[vawa(L1+L2+L3+L4)] (13)=exp(vbα)[TA+Td+vb|wb|L2+wbH-vawaL2exp(vaα)] (14)=TB+Td+vb|wb|L3-exp(vbα)[vawaL3exp(vaα)] (15)=exp(vbβ){TC+Td+vb|wb|L4-wbH-exp(vbα)[vawaL4exp(vaα)]} (16) 在A、B、C、D点处，将考虑泥浆拖拽阻力的回拖力与未考虑泥浆拖拽阻力的回拖力之间的差值和未考虑泥浆拖拽阻力的回拖力的比值作为泥浆拖拽阻力在各关键点对回拖力的贡献权重，即可以用式(17)计算：Pi=×100% (17) 3 实例计算与分析3.1 西气东输管道穿越西气东输管道工程采用水平定向钻方式穿越江苏无锡的北兴塘河。
穿越地质为黏土和粉质黏土层，穿越管段总长564 m(管道附加长度L1=14.4 m，下行段水平长度L2=250.48 m，中间水平段长度L3=19.39 m，上升段水平长度L4=278.23 m)，外径D=1 016 mm，壁厚δ=26.2 mm。
最终扩孔直径Dhole=1 320 mm。
管道入土(钻杆出土)角α=7.1°(0.123 92 rad)，出土(钻杆入土)角β=9.2°(0.160 57 rad)。
穿越深度H=21.3 m。
取va=0.1,vb=0.3，γa=7.85，γb=1.15，将有关数据带入上述计算公式中求得：Td=19.52 kN，TA=356.94 kN，TB=492.72 kN，TC=496.64 kN，TD=516.06 kN，=356.94 kN，=512.98 kN，=536.42 kN，=578.29 kN，PA=0，PB=4.1%，PC=8%，PD=12.1%。
实际回拖力Tmax=658 kN。
3.2 武汉天然气干线管道穿越武汉天然气干线管道工程采用水平定向穿越汉江。
穿越地质为冲填土、黏土、粗砂和部分砂夹卵石层。
穿越管道总长853 m(管道附加长度L1=0，下行段水平长度L2=227.65 m，中间水平段长度L3=406.05 m，上升段水平长度L4=216.30 m)，外径D=711 mm，壁厚δ=11 mm。
最终扩孔直径Dhole=1 067 mm。
管道入土(钻杆出土)角α=6°(0.104 72 rad)，出土(钻杆入土)角β=10°(0.174 53 rad)。
穿越深度H=35.2 m。
取va=0.1，vb=0.3，γa=7.85，γb=1.15，将有关数据带入上述计算公式中求得：Td=17.40 kN，TA=159.85 kN，TB=399.90 kN，TC=639.48 kN，TD=711.40 kN，=159.85 kN，=417.86 kN，=674.84 kN，=766.99 kN，PA=0，PB=4.5%，PC=5.5%，PD=7.8%。