地質(zhì)鉆探工程中井塌事故的原因分析及預(yù)防策略

張 相，楊曙光

（新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 烏魯木齊 830091）

我國是世界鉆探技術(shù)的發(fā)源地，早在四千年前就有“黃帝穿井”的傳說，秦朝時就開始了鑿井取鹽；在1835 年四川自貢出現(xiàn)第一口1001.42 米超千米的桑海深井，是中國鉆井史上的豐碑。到了近代，鉆井技術(shù)未能跟上世界發(fā)達國家的步伐，落后于西方國家。直到中華人民共和國成立，現(xiàn)代鉆井技術(shù)開始逐漸發(fā)展，1949 年7 月，門頭溝礦田試驗鉆孔，是新中國成立后的第一口井，隨后，開始了地質(zhì)鉆探的發(fā)展歷程。

地質(zhì)鉆探技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘察、工程地質(zhì)勘察、地外行星地質(zhì)科學(xué)研究方面都有最重要的技術(shù)應(yīng)用，對包括延伸出的工程基礎(chǔ)、隧道、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等都具有重要的技術(shù)參照意義[1]。

因此，地質(zhì)鉆探技術(shù)成為最重要的基礎(chǔ)性應(yīng)用技術(shù)，它支撐著國家基礎(chǔ)建設(shè)、經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展。

1 井塌概述

地質(zhì)鉆探工程是一種隱蔽的地下工程，存在諸多不確定性和隨機性，這主要是地下水文地質(zhì)的變化較大，對于淺表面的探測較為容易，但對于超過數(shù)百米的深度，地質(zhì)探測僅僅是對地層的預(yù)估及分析預(yù)判。這時候若因地質(zhì)變化造成井內(nèi)鉆具故障、井眼坍塌等，可造成鉆頭嚴重的卡滯。

1.1 井塌的概念

地質(zhì)鉆探中，當鉆頭深入地下后，井壁巖土垮塌落入鉆井液中，局部形成鉆探空洞，井徑擴大，這就是井塌。在實際鉆探過程中，少量井壁巖土垮塌落入鉆井液的現(xiàn)象并不少見，這可能會引起輕微的阻礙和卡滯現(xiàn)象，但并不影響扭矩，仍能正常鉆進。這種情況一般不認為是井塌事故。因此，只有鉆具在井筒內(nèi)的運動受到嚴重阻礙，才能稱之為井塌。

1.2 井塌的現(xiàn)象

當正處于鉆進過程中，遇到井塌時，表現(xiàn)出鉆頭扭轉(zhuǎn)力矩明顯變大，出現(xiàn)憋車、跳車現(xiàn)象，泥漿泵泵壓升高明顯，這是巖屑積累擠壓鉆具帶來的明顯變化；特別是振動篩返回巖屑突然大量增加，巖屑尺寸變大，磨圓度有所降低，尤為一些處于巖體中的脆性地層，這種變化更加明顯[2]。當井塌現(xiàn)象發(fā)生在鉆具下放時，由于巖屑掉落鉆孔內(nèi)，縮小或堵塞鉆孔，鉆具下放會遇到明顯較大阻力。

在井塌現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生過程中，要停止鉆井必須鎖定轉(zhuǎn)盤，否則因為巖屑積累較多的重力影響，有可能帶動鉆具倒轉(zhuǎn)，并且在上提鉆具時阻力增大，這都有可能是發(fā)生井塌現(xiàn)象。

1.3 井塌事故的影響。

一般井塌問題不易解決，在發(fā)生井塌問題后，按照井塌和對工程影響程度，如果采取正確的措施比滯后處理要相對容易，這就考驗司鉆人員的臨機處置能力，操作能力，這需要大量的經(jīng)驗積累，可以解決；對于嚴重的井塌事故，很難解決，經(jīng)過反復(fù)操作，有可能造成井塌越發(fā)嚴重，最終可能造成全井的報廢，耗費數(shù)月乃至數(shù)年的時間精力，損失數(shù)千萬資產(chǎn)。因此，井塌事故的影響非常巨大。

2 井塌事故原因分析

造成井塌事故的原因非常多，有地質(zhì)因素、工藝因素、人為因素和管理因素等，發(fā)生井塌事故往往是多種因素的綜合影響問題，但要從根本上對問題進行預(yù)防和解決，還要從主要的地質(zhì)和工藝因素方面進行分析。

2.1 地質(zhì)因素

（1）礦物質(zhì)的化學(xué)作用。一是泥頁巖中的礦物質(zhì)作用。泥頁巖中含有大量的粘土礦物，如在新疆昌吉硫磺溝四礦區(qū)井田鉆孔施工中，蒙脫石礦、伊利石礦、高嶺石礦、綠泥石礦，方解石礦等礦物質(zhì)吸水后會發(fā)生膨脹，進而產(chǎn)生壓力導(dǎo)致超過了井壁板結(jié)強度，就會發(fā)生坍塌。其中蒙脫石礦的吸水膨脹率達到90%以上，其他礦物質(zhì)也同樣具有很大的膨脹率。由此可見，當土層中含有的礦物質(zhì)含量越多，尤其是吸水膨脹的礦物質(zhì)含量越高，如果不加以抑制，就越有可能發(fā)生坍塌。二是可溶性鹽的作用。頁巖中如果含有大量的可溶性鹽，可能會在鉆井液中溶解，從而使得頁巖支撐力減弱，進而造成井塌。

（2）地質(zhì)物理作用。一是地層水平應(yīng)力的作用。地質(zhì)年代越發(fā)久遠，其內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)越難以預(yù)測，各種方向的造山運動，巖體礦物轉(zhuǎn)化等，都會造成某一點受到多個方向應(yīng)力，一旦鉆頭通過該處地層時，應(yīng)力釋放突破井壁的固結(jié)穩(wěn)定應(yīng)力，就會發(fā)生井塌。二是地層的構(gòu)造狀態(tài)因素。由于地下構(gòu)造發(fā)生運動，局部會發(fā)生板塊褶皺、斷裂，上升或下降，導(dǎo)致了地層傾斜，穩(wěn)定性變差，各部位粘土的粘性、板結(jié)速度均不同，鉆井過程中，對井壁的側(cè)向力從各個方向施加不同。三是高壓油氣層的影響。例如，在新疆天山東部哈密野馬泉一帶，礦區(qū)地層受造山構(gòu)造運動影響較大，鉆穿這樣的成巖層后，應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的掉塊垮塌明顯。砂巖油氣層壓力較大，鉆探深入后，破壞地層交界面結(jié)構(gòu)，有可能在地層交界處的井壁位置出現(xiàn)崩塌。如在新疆輪臺陽霞衛(wèi)東沖溝礦區(qū)鉆孔施工中，常要應(yīng)對這種情況的垮塌。四是地層的側(cè)壓力及溫度因素。地層天然存在側(cè)壓力，當?shù)貙釉缴钊雺毫υ酱螅硗?，溫度對于壓力的影響也非常大，超過3 千至5 千米，溫度還可能對蒙脫石礦等礦物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化，造成壓力變化。這些都會造成井壁側(cè)向力的變化。一旦超過側(cè)壁板結(jié)應(yīng)力，都會發(fā)生礦井坍塌。

2.2 工藝因素分析

盡管水文地質(zhì)復(fù)雜，但也存在對應(yīng)的工藝方法進行應(yīng)對，所以往往發(fā)生井塌事故，工藝因素就成了主要原因。工藝因素主要包括地質(zhì)鉆探用料、鉆具及控制方面的影響。

（1）鉆井用料方面的影響。鉆井液有著固結(jié)井壁的作用，是鉆探中必不可少的材料。但鉆井液也存在與巖壁中礦物質(zhì)發(fā)生物理及化學(xué)作用，反過來發(fā)生井塌問題。這是因為前面講過的巖層中礦物質(zhì)本身具有吸水膨脹的因素，以及高溫作用下鉆井液與巖層中礦物質(zhì)也會發(fā)生化學(xué)作用所造成，這只能通過對鉆井液的不斷調(diào)節(jié)進行抑制而無法有效消除。

（2）鉆具及控制的影響。一是鉆具的組合不規(guī)范。例如，螺旋扶正器過多而鉆鋌直徑過大，造成鉆具與井壁之間的間隙過小，當向下鉆進時，產(chǎn)生波動壓力，震蕩作用下導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，發(fā)生井塌事故。二是鉆具碰撞井壁引起的井塌問題。在鉆具卸扣、鉆進回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過快都會發(fā)生碰撞，造成井塌。三是井壁質(zhì)量不佳，角變化率大，這會造成鉆進過程中，應(yīng)力過于集中，導(dǎo)致頁巖集中剝落。四是井斜問題，在鉆進過程中，控制不好會發(fā)生井斜等問題，同樣會造成井壁失穩(wěn)坍塌。

3 井塌事故預(yù)防策略

3.1 合理的鉆井液密度

維持鉆進過程中井壁的穩(wěn)定，最基本的就是要保證在鉆進過程中有足夠的橫向力支撐地層，防止地層坍塌。在鉆進過程中壓力主要依靠鉆井液來形成，例如新疆巴里坤三塘湖漢水泉礦田普查鉆孔鉆遇深部1#脆碎礦組，如果鉆井液密度低于1.06g/cm2以下，礦層極易發(fā)生塌垮。因此，最基本的預(yù)防方式，就是要維持鉆井液的密度，讓其密度大于地層中井壁出露的物質(zhì)密度，從而避免井壁坍塌問題。因此，要測定井壁處巖層的壓力，改變對應(yīng)的鉆井液密度，形成足夠的支撐力。這也是鉆井液最基本的原理應(yīng)用。

3.2 合理的鉆探工期控制

鉆井液對井壁的支撐作用有一定的滲透性和吸收性，這在前面的原因分析中已講述。但在作用過程中，當垮塌發(fā)生前，鉆井液的壓力會小于巖層壓力造成垮塌，但在調(diào)整了鉆井液壓力后，垮塌并不會完全停止，而會逐漸與鉆井液達到平衡并形成堅固的巖壁護層，垮塌現(xiàn)象逐漸消失。因此，實際上井塌在一定時間內(nèi)具有周期性，為了避免井塌事故，盡量在一個井塌周期內(nèi)完成鉆探工作也是一種避免發(fā)生井塌事故的辦法。

3.3 針對地質(zhì)性質(zhì)的預(yù)防措施

對于泥頁巖中吸水膨脹率較大礦物質(zhì)情況，在前面已經(jīng)講過其作用機理。要選擇合適的方法，一是要提高濾液的粘度，降低HTHO 和泥餅的滲透率，減少濾液侵入地層；二是封堵地層的層間裂縫，防止濾液侵入地層。對于泥頁巖中脆性較大的情況，其巖層存在微孔和裂隙。在鉆具侵入地層后，鉆井液會順著微孔和裂隙侵入巖層，進而使得巖層易于滑動，同時增大了巖層的壓力，產(chǎn)生井塌的危險。為此，一方面可以采取納米級剛性粒子和變形粒子相互配合對脆性頁巖層的微孔、縫隙進行封堵，降低鉆井液滲入量。另一方面，合理維持和增加鉆井液密度，維持壓力，使得鉆井液壓力略大于巖層壓力。一般可以兩種方法同時使用。

3.4 預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害措施

造成井塌事故有時會因為地質(zhì)災(zāi)害，如地震的影響，特別是一些微小地震，在地表難以察覺，但對于深層鉆探的影響巨大，其作用機理仍是以巖層擾動為主，進而造成井壁的破裂坍塌。為此，要做好探測地震儀器的準備，當探測到地層地震時，應(yīng)盡快停止作業(yè)，提升鉆具，減少損失。

4 結(jié)語

造成井塌事故的原因主要是地質(zhì)環(huán)境的客觀因素和工藝工法的不合理導(dǎo)致，通過深入了解地質(zhì)變化對井眼的作用機理以及工藝工法中的缺陷，可以更好的針對問題進行改進。一方面要掌握最基本的鉆井液密度調(diào)節(jié)和工期控制的方式來預(yù)防井塌事故，還要根據(jù)巖層吸水性和脆性的不同采取針對性的方法進行預(yù)防。