管道定向钻穿越常见失败环节案例

一、勘察

2018 年孟加拉吉大港卡纳普里河定向钻穿越，管径 42 英寸，穿越长度 1.2 公里，为 Anwara—Faujdarhat 28 公里输气管道的控制性工程。第一次扩孔卡死；第二次回拖过半后卡阻，管体无法拉回。原因被认为勘察不充分。

管道定向钻穿越面对的地层信息属线性抽样，而单个勘察孔仅代表一个点，软硬交界面、孤立、不连续卵石层、孤石，基岩裂隙带等小尺度异常难以被常规勘察准确识别。

二、软硬交界

西气东输二线举水穿越，管径 1219 毫米，壁厚 22 毫米，设计压力 10 兆帕，穿越实长 957.5 米。地层自上而下为粉质黏土、粉细砂、圆砾、卵石，下部为泥质粉砂岩，软硬相间。

首次按单穿方案施工，导向孔完成后经 7 级扩孔，末级孔径 1524 毫米，岩石扩孔器重 6.15 吨；扩孔至修孔间隔 34 天。回拖至第 4 根钻杆时钻杆断裂；改用 1371.6 毫米岩石扩孔器，前端接 3 根 φ610 钢管再拖，管道行至覆盖层与基岩交界面处再次受阻，最终以滑轮组拖出，单穿失败。

分析结论认为覆盖层与基岩交界处形成台阶，碎屑堆积于台阶前，管体无法通过。

第二次施工采取的措施为：沿气流方向平移 10 米重开轴线；出土端开挖 5～6 米，夯入 φ2000×32 钢管至基岩，夯至约 100 米处受阻，改用高压旋喷注浆固结细砂层，处理范围宽 6 米、长 25 米、深 10 米；导向孔改为两端对穿。第二次入土角 9°30′、出土角 8°，回拖成功。

三、泥浆

泥浆在定向钻中承担携屑、护壁、润滑与降温四项功能，对应的失效方式各不相同。

携屑能力不足

大直径孔的清孔难度最高。孔径越大、返速越低，钻屑越易沉积。末级扩孔直径通常为管径的 1.2～1.5 倍，环空截面积大，同等泵量下返速显著低于小口径孔。钻屑床形成后，扭矩与回拖力同步上升，直至卡钻。

滤饼无法形成

泥浆压力高于地层孔隙水压力时，膨润土颗粒在孔壁沉积形成低渗透滤饼，可提高孔壁稳定性，前提是颗粒能够架桥。

当孔隙直径小于最小颗粒直径，滤饼在界面迅速形成，泥浆停止渗漏，孔壁稳定，黏土、粉土、细砂属此类；当孔隙直径介于最小颗粒直径与三倍最大颗粒直径之间，颗粒逐步充填孔隙，渗透率下降，滤饼缓慢形成，中砂属此类；而当孔隙直径大于三倍最大颗粒直径，颗粒与自由水共同高速漏失，滤饼无法形成，孔壁强度下降，粗砂、砾石属此类。

泥浆沿旧孔返回

1998 年黄河一次穿越事故的机理具有代表性。入土点 400 米范围内曾多次试钻，约 1～2 米范围内存在两个直径 20 厘米的旧孔，两孔并行、相交、重合，地层已被强烈扰动。回拖期间泥浆返出量正常，实际沿旧孔短路返出；新孔内无泥浆循环，护壁失效，孔壁坍塌，钻杆被细砂包围。

钻至第 84～92 根钻杆（约 750～830 米）时，每根钻杆在同一位置出现扭矩峰值，通过后恢复正常。该现象对应该段塌孔在钻杆接头通过时的阻力变化，现场未作处置。30 小时后塌孔范围扩大，砂层压实，钻头回抽至该点后完全卡死。

水源

惠银线黄河穿越穿越实长 1915 米，地层为粉砂层、局部含铁板砂，部分段含砾石并夹卵石透镜体，此前数次穿越均未成功。重新制定的方案中，泥浆性能不达标的直接原因是水源，附近水体含盐量高，配制的泥浆无法满足要求，更换水源后黏度与滤失量恢复至设计区间。最终以 DD-1100 钻机、一次导向三次扩孔完成，回拖 19 小时，自进场至贯通约 20 天。

四、卡钻

兰郑长管道长江穿越，管径 610 毫米，壁厚 12.7 毫米，穿越长度 2080 米，埋深 73 米，入土角 16°、出土角 14°，两端以气动夯管锤夯入钢套管，隔离松散砂层与卵石层。此前两次穿越因不适应地层而失败。

第三次穿越在 20 英寸扩孔阶段，距主钻机 617.5 米处卡钻。此前扭矩已超限，现场停机、起出扩孔器清理孔内残渣，再次下钻仍被卡住。260 吨钻机直接拉拔，拉力不足。

解卡采取洗孔与分级加载组合：南侧下入洗孔管，边循环边冲洗扩孔器附近孔段；先以 200 吨钻机施加 200 吨拉力、65 千牛·米扭矩拉扭配合，受锚固力限制未解卡；改用 450 吨钻机，自小吨位起拉、逐级加载并反复持续，每级 4～6 分钟，拉力升至 280 吨时脱开。

五、回拖

加拿大 FortisBC 弗雷泽河南支穿越，NPS24 管道，穿越长度 1.35 公里。河岸表层地质条件差，两侧需先下入临时套管方可进入可钻地层，因此采用两端对钻的对接穿越。回拖完成 95% 以上时发生重大机械失效，钻机与现场设备多次尝试恢复均未成功。

回拖阻力由管土摩阻、浮重分量与弯曲阻力三部分组成。孔内泥浆对管壁的握裹力随时间上升，中断时间越长，重启所需拉力越大，回拖中断时间因此按不超过 4 小时控制。钻机选型要求最大回拖力通常不小于计算值的 1.5 倍，该余量用于承担非正常工况。

此外，空管回拖的径向屈曲稳定在计算中需要重点关注。钢管弹性屈曲临界压力与径厚比的三次方成反比，D/δ 越大越敏感。

六、冒浆与打穿既有管线

冒浆指泥浆沿地层裂隙、薄弱面或旧孔逸出至地表与水体，是定向钻外部性最强的失效形式。北美已将其列为行业首要风险：明尼苏达 Line 3 项目在 12 条河流穿越处记录 28 起泥浆外泄；宾夕法尼亚 Mariner East 2 在四个县累计 20 起；得克萨斯 Blanco 河一次事故约 3.6 万加仑钻井液进入 Trinity 含水层；Atlantic Sunrise 因包括冒浆在内的违规被罚 73.6 万美元；宾州总检察长对管道商与定向钻承包商提起刑事指控。

冒浆的主要原因为孔内泥浆压力超过上覆地层破裂压力，泥浆沿阻力最小通道逸出。埋深越浅、覆盖层越薄、岩体越破碎，可承受压力越低。河滩、回填土、旧钻孔与未封堵的勘探孔均容易构成通路。长距离穿越采用对穿的原因之一即在于此：两端同时钻进，孔口所需泵压明显降低。

国内两起事故属打穿既有管线。2017 年咸宁"7·31"，de200 中压管定向钻穿越贺胜路，扩孔回拖损伤武咸支线高压管道；2023 年大亚湾"5·5"，钻头出土时顶穿 de315 聚乙烯中压管，形成长轴 0.15 米、短轴 0.10 米的撕裂口，泄漏约 286 立方米。

两份事故报告的共同结论是施工前未核清地下管线。咸宁事故的间接原因为建设单位未委托有资质单位开展物探，未向施工与监理单位提供原始资料；大亚湾事故中，巡线员发现钻机后已签发告知书，施工方未探明管线即继续钻进。

七、施工期遗留缺陷与运营期暴露

某河流穿越段，L360 高频电阻焊管，规格 φ406.4×8 毫米，穿越长度 203.8 米，地层为粉土、粉砂与黏土。投运后发生爆裂，管体水平位移接近 1 米，纵向位移 2.36 米。

经调查，定向钻管道回拖时管体侧下方承受集中载荷，局部产生纵向屈曲，变形段长 3.93 米、屈曲段 1.276 米，防腐层在屈曲起始部位出现两条穿透性裂口，长 120 毫米与 150 毫米；空管回拖过程中该处同时承受泥浆与黏土层的径向外压，发生屈曲失稳。运行压力 4.0 兆帕下，屈曲底部形成应力集中，计算值 497 兆帕，达到材料抗拉强度，微裂纹自外壁向内扩展，穿透后泄漏并爆裂。此外，回拖完成后未做几何变形检测与防腐层电导率测试。

2021 年大连"1·25"事故：DN300 燃气管道，长度 89 米，设计为开挖埋管并设阴极保护，实际采用定向钻施工且未设阴极保护。环焊缝局部未焊透、环焊缝区域防腐层缺失、管底缺土壤支撑而局部悬空，附加垂直载荷下环焊缝起裂并脆性断裂，造成 3 人死亡、6 人轻伤，直接经济损失 905.38 万元。