CN112923129B - 油气管道对接式拖管施工工艺及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油气管道对接式拖管施工工艺及系统。所述工艺包括以下步骤:在第一地面位置倾斜设置套管;计算套管鞋处的孔道允许的最大下沉量S;根据S确定定位管的偏心距e;根据偏心距确定支撑件的长度,将定位管安装至套管内,并通过固定组件将其固定在套管口;将带有钻头的钻杆通入定位管,利用钻头钻进至第二地面位置,形成初始孔道;将钻头替换为扩孔器,沿回拖方向进行扩孔;用扩孔器或钻杆连接油气管道,沿回拖方向将油气管道回拖至套管鞋处,拆卸定位管,将油气管道经由套管从第一地面位置拖出。本发明通过计算出孔道的最大下沉量,并调整定位管的偏心距,以使在一定程度上抵消套管鞋处孔道的下沉,解决管道回拖易卡的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气管道安装技术领域,具体来讲,涉及一种油气管道对接式拖管施工工艺及系统。
背景技术
采用非开挖的方式进行管道铺设,受穿越公路、铁路等地面构筑物或隔离卵砾石层技术要求的限制。目前时常会面临将彼岸的预制管道,通过拖管的方式将其准确拉入己岸的套管内。若成孔时,孔道偏离预定轨迹,将会导致对接拖管失败,引发孔道及套管报废等质量事故及工期延误。其中,孔道偏离预定轨迹的常见原因为:从套管方向开始成孔时,钻具产生的自重压力及旋转切削、惯性转动作用将导致孔道中心线下沉。因此,在孔道偏离预定轨迹后,在套管鞋处孔道的沉降将导致管道回拖时容易卡住(以下简称为易卡)。
发明内容
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解决现有技术中在套管鞋处管道回拖易卡的问题。
为了实现上述目的,本发明的一方面提供了一种油气管道对接式拖管施工工艺,所述工艺包括以下步骤:在第一地面位置沿倾斜向下的方向设置套管;计算从第二地面位置形成到所述套管的套管鞋处的孔道轴线在成孔过程中允许的最大下沉量S;根据所述最大下沉量确定定位管的偏心距e;根据偏心距确定与定位管配合的支撑件的长度,将固定安装有所述支撑件的定位管安装至所述套管内,以使定位管的第一端下入至所述套管的套管鞋位置,通过固定组件将定位管的第二端固定在套管的套管口;将带有钻头的钻杆从定位管的所述第二端伸入并从定位管的所述第一端伸出,利用所述钻头钻进至所述第二地面位置,形成初始孔道;将所述钻头替换为扩孔器,沿从所述第二地面位置至所述套管鞋的回拖方向对所述初始孔道进行扩孔;用扩孔器或钻杆连接待对接的油气管道,沿所述回拖方向将所述油气管道回拖至所述套管鞋处,然后,拆卸定位管,将所述油气管道经由套管从第一地面位置拖出;或者,先拆卸定位管,然后用扩孔器或钻杆连接待对接的油气管道,沿所述回拖方向将所述油气管道从第二地面位置回拖至第一地面位置。
在本发明的一个示例性实施例中,所述最大下沉量S可以满足S≤(Dp-Dr)/2+(Dr-D),且Dp>Dr≥D+α,其中,Dr为所述扩孔步骤最终成孔的孔径,Dp为所述套管的内径,D为油气管道的外径,α为常量。
在本发明的一个示例性实施例中,所述偏心距e可根据孔道轴线所处的地层确定为所述最大下沉量S的30~100%。
在本发明的一个示例性实施例中,所述对初始孔道进行扩孔的步骤可包括一次或两次以上扩孔过程。
在本发明的一个示例性实施例中,所述α可以为300mm,所述套管鞋朝向孔道轴线20m范围内的地层的承载力不低于第一地面位置下方地层的承载力的三分之一,且第二地面位置至套管鞋处的孔道的长度不超过600m。
在本发明的一个示例性实施例中,所述工艺可使用位置校正装置,所述装置包括防脱结构和能够置于套管内的偏心结构,其中,偏心结构包括所述定位管和所述支撑件,所述支撑件具有可预设或可调节的长度,且与定位管连接以调节定位管的第一端与套管的偏心距;防脱机构将定位管的第二端与所述套管的套管口连接且能够限制定位管与套管的相对运动,所述定位管的内径大于钻头外径80~100mm。
在本发明的一个示例性实施例中,所述定位管可以由多节法兰管串联连接而成。
在本发明的一个示例性实施例中,所述支撑件可包括第一支座、以及与第一支座固定连接的支腿,且所述支腿具有可更换的不同长度或具有可调节的长度,所述第一支座与定位管的侧壁固定连接,且相邻两个第一支座沿定位管横截面形成90~150°的夹角。
在本发明的一个示例性实施例中,所述支撑件还可包括防磨套,所述防磨套套装在形成在支撑件靠近套管内壁的部分上。
本发明的另一方面提供了一种对接式拖管系统,所述系统包括定向钻孔单元、扩孔单元和回拖单元,其中,所述钻孔单元包括钻机、钻杆、钻头、套管和定位管,所述钻头、钻杆和钻机顺序串联,所述钻机位于第一地面位置限定区域且具有定向钻进和回拉的功能;所述套管在第一地面位置沿倾斜向下的方向设置;所述定位管配置在所述套管内,以使定位管的第一端下入至所述套管的套管鞋位置,定位管的第二端通过固定组件固定在套管的套管口处;所述定位管固定安装有支撑件,通过调整支撑件的长度可改变定位管的偏心距,其中,所述偏心距通过最大下沉量计算得到;带有所述钻头的所述钻杆能够从定位管的所述第二端伸入并从定位管的所述第一端伸出,利用所述钻头钻进至第二地面位置,并形成初始孔道;所述扩孔单元包括能够替换掉钻头的多个扩孔器,所述多个扩孔器间隔布置在所述钻杆上且能够沿所述第二地面位置至所述套管鞋的回拖方向对所述初始孔道进行扩孔;所述回拖单元包括油气管道。所述油气管道通过所述扩孔器或钻杆对接,并能够通过所述钻机的回拉沿回拖方向将油气管道回拖至所述套管鞋处,在拆卸定位管后,能够将所述油气管道经由套管从第一地面位置拖出;或者,在先拆卸定位管后,所述油气管道能够通过所述扩孔器或钻杆对接,且能够沿所述回拖方向将所述油气管道从第二地面位置回拖至第一地面位置。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:提供一种油气管道对接式拖管施工工艺、以及对接式拖管系统,根据已知数据计算出孔道的最大下沉量,并通过最大下沉量来确定定位管的偏心距;通过将钻具通入定位管中完成成孔作业,以全部或部分抵消孔道在套管鞋处的下沉,并解决在先技术中管道回拖易卡的问题。
附图说明
图1示出了本发明的一个示例性实施例中油气管道对接式拖管施工工艺的流程图;
图2示出了本发明的一个示例性实施例中管道回拖示意图;
图3示出了本发明的一个示例性实施例中位置校正装置的结构示意图;
图4示出了本发明的一个示例性实施例中支撑件的结构示意图;
图5示出了本发明的一个示例性实施例中AutoCAD平面建模的示意图。
图中标记:
10-定位管,20-法兰管,30-支撑件,31-支座,32-支腿,40-卡槽,50-十字吊卡,60-防磨套,70-稳固件。
具体实施方式
在下文中,将结合示例性实施例及附图来详细说明本发明的油气管道对接式拖管施工工艺及系统。
示例性实施例1
图1示出了本发明的另一个示例性实施例中油气管道对接式拖管施工工艺的流程图。
如图1所示,在本示例性实施例中,油气管道对接式拖管施工工艺包括以下步骤:
在第一地面位置沿倾斜向下的方向设置套管。例如,在第一地面位置限定区域内配置了具有钻进和回拉功能的定向钻机。
计算从第二地面位置形成到套管的套管鞋处的孔道轴线在成孔过程中允许的最大下沉量S。例如,最大下沉量S是指在套管鞋处,油气管道刚好能够进行回拖时,下沉的孔道中轴线距离套管中轴线的距离。也就是说,在套管鞋处,孔道处于最大下沉量S时,在孔道与套管之间刚好预留出一个能将油气管道回拖至套管的距离。例如,最大下沉量S可以满足S≤(Dp-Dr)/2+(Dr-D),且Dp>Dr≥D+α,其中,Dr为扩孔步骤最终成孔的孔径,Dp为套管的内径,D为油气管道的外径,α为常量。例如,通常,Dr的取值区间可以为400~1200mm,Dp的取值区间可以为1100~1480mm,D的取值区间可以为219~813mm(管道标准尺寸)。例如,综合相关的施工规范,α可在280~400mm的范围内选择。若α值过小,管道在孔道中行走困难,若α值过大,孔道直径将超过套管内径,失去了孔道的引导作用,不利于管道进入套管。例如,进一步地,当满足套管鞋朝向孔道轴线20m范围内的地层的承载力不低于第一地面位置下方地层的承载力的三分之一,且第二地面位置至套管鞋处的孔道的长度不超过600m时,α可以为300mm。
根据最大下沉量S确定定位管的偏心距e。例如,偏心距e是指套管鞋处定位管与套管之间的偏心距。例如,偏心距e可根据套管鞋处的孔道轴线所处的地层确定为最大下沉量S的30~100%。这里,偏心距的设定,是根据地层的承载力及抗破碎的强度的差异来划分的。通常,岩石层承载力及强度较高,因此最大下沉量较小,粉土次之,黏性土含水量高,承载力及强度最弱,因此黏性土的最大下沉量较高。例如:地层为岩石层,则偏心距e的取值可在(0.35±0.05)S范围内。例如,地层为粉土层,则偏心距e的取值可在(0.65±0.05)S范围内;例如,地层为黏土层,则偏心距e的取值可在(0.95±0.05)S范围内。
根据偏心距确定与定位管配合的支撑件的长度,将固定安装有支撑件的定位管安装至套管内,以使定位管的第一端下入至套管的套管鞋位置,通过固定组件将定位管的第二端固定在套管的套管口。这里,也就是说,可以通过调整支撑件的长度来控制定位管与套管之间的偏心距。例如,通常,支撑件的取值区间可以为350~900mm。例如,套管鞋位置不仅仅指套管鞋处,也包括套管鞋处的一个限定区域。例如,定位管能够防止钻具长时间因自重荷载而导致土体沉降,致使孔道中轴线下移,下移严重将导致管道与套管对接失败。例如,套管口也可包括套管口附近的一个区域。
例如,本油气管道对接式拖管施工工艺可使用位置校正装置,该装置包括防脱结构和能够置于套管内的偏心结构,其中,偏心结构包括定位管和支撑件,支撑件具有可预设或可调节的长度,且与定位管连接以调节定位管的第一端与套管的偏心距;防脱机构将定位管的第二端与套管的套管口连接且能够限制定位管与套管的相对运动,定位管的内径大于钻头外径80~100mm。例如,预设的长度可以是更换支撑件的部分零部件来实现,可调节的长度可以是改变支撑件中零部件的相对位置来实现。例如,定位管可以由多节法兰管串联连接(例如,螺纹连接)而成。例如,支撑件可包括第一支座、以及与第一支座固定连接的支腿,且支腿具有可更换的不同长度或具有可调节的长度,第一支座与定位管的侧壁固定连接,且相邻两个第一支座沿定位管横截面形成90~150°的夹角。这里,若夹角小于90°,则支撑不稳定;若夹角大于150°,则支撑件易折断。例如,进一步地,该夹角可以为120°以下(例如,90°),此时支撑件受力更加均衡,既可以保证稳定性,支撑件折断的概率也大幅降低。例如,支撑件还可包括防磨套,防磨套套装在形成在支撑件靠近套管内壁的部分上。例如,通过防磨套可以防止支撑件磨损以及划伤套管内壁,同时能够填充支撑件与套管内壁的空隙。例如,定位管的内径超出钻头外径超过100mm,则对钻具产生约束性能变差,成孔过程中,将导致钻具在套管空腔内因自重发生弯曲变形,同时转动时发生大幅度摆动,钻进方向难以控制,从而成孔偏离预定轨迹;定位管的内径超出钻头外径低于80mm,则钻具处于过小的环空空间,可能导致惯性转动时无法释放钻具扭应力,从而引起钻具损坏。
将带有钻头的钻杆从定位管的第二端伸入并从定位管的第一端伸出,利用钻头钻进至第二地面位置,形成初始孔道。也就是说,将钻头和钻杆通入定位管来开始进行钻孔作业。
将钻头替换为扩孔器,沿从第二地面位置至套管鞋的回拖方向对初始孔道进行扩孔。例如,该扩孔过程通过第一地面位置附近的钻机对钻杆进行回拉来实现。例如,对初始孔道进行扩孔的步骤可包括至少一次扩孔过程。例如,进一步地,可通过判断孔道的成孔情况来确定扩孔的次数。
用扩孔器或钻杆连接待对接的油气管道,沿回拖方向将油气管道回拖至套管鞋处,然后,拆卸定位管,将油气管道经由套管从第一地面位置拖出;或者,先拆卸定位管,然后用扩孔器或钻杆连接待对接的油气管道,沿回拖方向将油气管道从第二地面位置回拖至第一地面位置。也就是说,拆卸定位管及支撑件,可以在将油气管道回拖至套管处之后开始,也可在油气管道回拖前就将定位管及支撑件拆掉。
对接式拖管系统包括定向钻孔单元、扩孔单元和回拖单元。其中,钻孔单元包括钻机、钻杆、钻头、套管和定位管,钻头、钻杆和钻机顺序串联,钻机位于第一地面位置限定区域且具有定向钻进和回拉的功能。套管在第一地面位置沿倾斜向下的方向设置。定位管配置在套管内,以使定位管的第一端下入至套管的套管鞋位置,定位管的第二端通过固定组件固定在套管的套管口处。定位管固定安装有支撑件,通过调整支撑件的长度可改变定位管的偏心距,其中,偏心距通过最大下沉量计算得到。带有钻头的钻杆能够从定位管的第二端伸入并从定位管的第一端伸出,利用钻头钻进至第二地面位置,并形成初始孔道。例如,最大下沉量S可以满足S≤(Dp-Dr)/2+(Dr-D),且Dp>Dr≥D+α,其中,Dr为扩孔步骤最终成孔的孔径,Dp为套管的内径,D为油气管道的外径,α为常量。这里,α根据行业施工规范来确定,其取值区间可以为280~400mm。例如,偏心距可根据套管鞋处的孔道轴线所处的地层确定为最大下沉量S的30~100%。
扩孔单元包括能够替换掉钻头的多个扩孔器,多个扩孔器间隔布置在钻杆上且能够沿第二地面位置至套管鞋的回拖方向对初始孔道进行扩孔。
回拖单元包括油气管道。油气管道通过扩孔器或钻杆连接,并能够通过钻机的回拉沿回拖方向将油气管道回拖至套管鞋处,在拆卸定位管后,能够将油气管道经由套管从第一地面位置拖出;或者,在先拆卸定位管后,油气管道能够通过扩孔器或钻杆连接,且能够沿回拖方向将油气管道从第二地面位置回拖至第一地面位置。也就是说,拆卸定位管及支撑件,可以在将油气管道回拖至套管处之后开始,也可在油气管道回拖前就将定位管及支撑件拆掉。
示例性实施例2
图2示出了本发明的一个示例性实施例中管道回拖示意图;图3示出了本发明的一个示例性实施例中位置校正装置的结构示意图;图4示出了本发明的一个示例性实施例中支撑件的结构示意图;图5示出了本发明的一个示例性实施例中AutoCAD平面建模的示意图。下文将结合图2~5来阐述下述的示例性实施例。
在本示例性实施例中,此次作业将采用位置校正装置,如图3~4所示,位置校正装置包括偏心结构和防脱结构。偏心结构包括定位管10、支撑件30、稳固件70和防磨套60。定位管10通过多组法兰管20和螺栓串联连接而成,其中,法兰管20通过焊接的方式固定在定位管10上。支撑件30包括均为H型钢的支座31和支腿32,支座31焊接于定位管10的侧壁,支腿32通过连接板和螺栓固定于支座31。支撑件30包括有长度相同的若干组,每一组包括2个,且该两个支撑件30位于定位管10的同一横截面上,夹角为90°。当需要调整偏心距时,可通过更换不同长度的支腿32来实现。稳固件70与每组支撑件30位于同一横截面,也焊接在定位管10的侧壁但与支撑件30不在同一半区,用于防止作业时偏心结构发生大幅度晃动而影响作业效率。防磨套60套装在支腿32上,以防止划伤套管内壁。
防脱结构包括十字吊卡50和卡槽40。十字吊卡50能够套装并固定在定位管10的圆周上,卡槽40能够焊接在套管口的圆周上。通过将十字吊卡50置入卡槽40的缝隙中,能够限制偏心结构的相对运动。
此次定向钻孔施工程序包括钻进-扩孔-管道回拖,施工区域均为岩石层,在入土点与出土点之间形成孔道以连通油气管道,故该油气管道对接式拖管施工工艺包括以下步骤:
如图2所示,在出土点位置附近配置定向钻机,并沿倾斜入土点向下的方向设置套管。
计算最大下沉量S。根据最大下沉量S≤(Dp-Dr)/2+(Dr-D),且Dp>Dr≥D+α,其中,Dr为519mm,Dp为1100mm,D为219mm,因套管鞋朝向孔道轴线20m范围内的地层的承载力不低于第一地面位置下方地层的承载力的三分之一,且第二地面位置至套管鞋处的孔道的长度不超过600m,故α取值300mm。因此,最大下沉量S取值为590.5mm。
根据最大下沉量S确定定位管的偏心距e。因施工区域为岩石层,故取e=0.3S≈177mm。
根据偏心距确定支撑件30的长度并安装位置校正装置。如图5所示,根据套管的内径、定位管10的尺寸为D325x8mm数据,基于AutoCAD软件进行平面建模,得到位置校正装置的支撑件30的长度为500mm。并将位置校正装置的偏心结构安装至套管内,直到定位管10的第一端下入至套管的套管鞋处。将卡槽40相位焊接在套管口的圆周上,十字吊卡50通过螺栓固定在定位管10的第二端,然后将十字吊卡50置入卡槽40的缝隙之中,以限制定位管10的运动。
形成初始孔道。将带有外径为237mm的钻头的钻杆从入土点的一端通入定位管10中,利用钻头从套管鞋处开始钻进,并形成初始孔道。
对孔道进行扩孔。将钻头替换为岩石扩孔器,沿从出土点至套管鞋的回拖方向对初始孔道进行多次扩孔。
拆卸定位管10及支撑件30,然后用钻杆连接待对接的油气管道,沿回拖方向将油气管道从出土点回拖至入土点。
综上所述,采用本发明的有益效果包括:提供一种油气管道对接式拖管施工工艺、以及对接式拖管系统,根据已知数据计算出孔道的最大下沉量,并通过最大下沉量来确定定位管的偏心距;通过将钻具通入定位管中完成成孔作业,以全部或部分抵消孔道在套管鞋处的下沉,并解决在先技术中管道回拖易卡的问题。
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。
Claims (8)
1.一种油气管道对接式拖管施工工艺,其特征在于,所述工艺包括以下步骤:
在第一地面位置沿倾斜向下的方向设置套管;
计算从第二地面位置形成到所述套管的套管鞋处的孔道轴线在成孔过程中允许的最大下沉量S;所述最大下沉量S≤(Dp-Dr)/2+(Dr-D),且Dp>Dr≥D+α,其中,Dr为扩孔最终成孔的孔径,Dp为所述套管的内径,D为油气管道的外径,α为常量;
根据所述最大下沉量确定定位管的偏心距e;所述偏心距e根据孔道轴线所处的地层确定为所述最大下沉量S的30~100%;
根据偏心距确定与定位管配合的支撑件的长度,将固定安装有所述支撑件的定位管安装至所述套管内,以使定位管的第一端下入至所述套管的套管鞋位置,通过固定组件将定位管的第二端固定在套管的套管口;
将带有钻头的钻杆从定位管的所述第二端伸入并从定位管的所述第一端伸出,利用所述钻头钻进至所述第二地面位置,形成初始孔道;
将所述钻头替换为扩孔器,沿从所述第二地面位置至所述套管鞋的回拖方向对所述初始孔道进行扩孔;
用扩孔器或钻杆连接待对接的油气管道,沿所述回拖方向将所述油气管道回拖至所述套管鞋处,然后,拆卸定位管,将所述油气管道经由套管从第一地面位置拖出;或者,先拆卸定位管,然后用扩孔器或钻杆连接待对接的油气管道,沿所述回拖方向将所述油气管道从第二地面位置回拖至第一地面位置。
2.根据权利要求1所述的油气管道对接式拖管施工工艺,其特征在于,对所述初始孔道进行扩孔的步骤包括一次或两次以上扩孔过程。
3.根据权利要求1所述的油气管道对接式拖管施工工艺,其特征在于,所述α为300mm,所述套管鞋朝向孔道轴线20m范围内的地层的承载力不低于第一地面位置下方地层的承载力的三分之一,且第二地面位置至套管鞋处的孔道的长度不超过600m。
4.根据权利要求1所述的油气管道对接式拖管施工工艺,其特征在于,所述工艺使用位置校正装置,所述装置包括防脱结构和能够置于套管内的偏心结构,其中,偏心结构包括所述定位管和所述支撑件,所述支撑件具有可预设或可调节的长度,且与定位管连接以调节定位管的第一端与套管的偏心距;防脱机构将定位管的第二端与所述套管的套管口连接且能够限制定位管与套管的相对运动,所述定位管的内径大于钻头外径80~100mm。
5.根据权利要求4所述的油气管道对接式拖管施工工艺,其特征在于,所述定位管由多节法兰管串联连接而成。
6.根据权利要求4所述的油气管道对接式拖管施工工艺,其特征在于,所述支撑件包括第一支座、以及与第一支座固定连接的支腿,且所述支腿具有可更换的不同长度或具有可调节的长度,所述第一支座与定位管的侧壁固定连接,且相邻两个第一支座沿定位管横截面形成90~150°的夹角。
7.根据权利要求4所述的油气管道对接式拖管施工工艺,其特征在于,所述支撑件还包括防磨套,所述防磨套套装在形成在支撑件靠近套管内壁的部分上。
8.一种对接式拖管系统,其特征在于,所述系统包括定向钻孔单元、扩孔单元和回拖单元,其中,
所述钻孔单元包括钻机、钻杆、钻头、套管和定位管,所述钻头、钻杆和钻机顺序串联,所述钻机位于第一地面位置限定区域且具有定向钻进和回拉的功能;所述套管在第一地面位置沿倾斜向下的方向设置;所述定位管配置在所述套管内,以使定位管的第一端下入至所述套管的套管鞋位置,定位管的第二端通过固定组件固定在套管的套管口处;所述定位管固定安装有支撑件,通过调整支撑件的长度可改变定位管的偏心距,其中,所述偏心距通过最大下沉量计算得到,所述最大下沉量S≤(Dp-Dr)/2+(Dr-D),且Dp>Dr≥D+α,其中,Dr为扩孔最终成孔的孔径,Dp为所述套管的内径,D为油气管道的外径,α为常量,所述偏心距e根据孔道轴线所处的地层确定为所述最大下沉量S的30~100%;带有所述钻头的所述钻杆能够从定位管的所述第二端伸入并从定位管的所述第一端伸出,利用所述钻头钻进至第二地面位置,并形成初始孔道;
所述扩孔单元包括能够替换掉钻头的多个扩孔器,所述多个扩孔器间隔布置在所述钻杆上且能够沿所述第二地面位置至所述套管鞋的回拖方向对所述初始孔道进行扩孔;
所述回拖单元包括油气管道,所述油气管道通过所述扩孔器或钻杆对接,并能够通过所述钻机的回拉沿回拖方向将油气管道回拖至所述套管鞋处,在拆卸定位管后,能够将所述油气管道经由套管从第一地面位置拖出;或者,在先拆卸定位管后,所述油气管道能够通过所述扩孔器或钻杆对接,且能够沿所述回拖方向将所述油气管道从第二地面位置回拖至第一地面位置。
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