地質(zhì)鉆探施工中孔塌事故的原因分析及預(yù)防策略研究

石 遜

（河北省地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

1 孔塌概述

孔塌是指地質(zhì)鉆探施工鉆開地層后，地層受到地應(yīng)力等各種因素影響，孔壁巖石塌落進(jìn)入到鉆孔中，導(dǎo)致鉆孔局部孔段被埋堵的現(xiàn)象。實(shí)際操作過(guò)程中，一般可見到兩種情況，一種情況是孔壁少量的巖石塌陷，鉆探過(guò)程中鉆具起下過(guò)程中可能會(huì)輕微遇阻，但并不會(huì)影響正常的鉆探施工，這類情況在鉆探過(guò)程中極為常見[1]。另一種情況是孔壁巖石大量塌陷，造成幾十甚至上百米孔段的埋堵，影響鉆探施工，孔內(nèi)鉆具嚴(yán)重受阻，不能正常起下活動(dòng)，這便是孔塌。

孔塌時(shí)可觀察到多種現(xiàn)象，最先出現(xiàn)的便是孔內(nèi)上返巖屑的變化，這表現(xiàn)在孔內(nèi)返回巖屑的巖性、數(shù)量和尺寸上，巖性會(huì)出現(xiàn)不是正在施工層位的巖屑，巖屑數(shù)量有明顯增加，巖屑的尺寸也相對(duì)增大，這種變化突出的表現(xiàn)在硬脆型地層中。當(dāng)孔塌持續(xù)進(jìn)行時(shí)，越來(lái)越多的坍塌巖屑將會(huì)堆積阻滯鉆頭，會(huì)出現(xiàn)憋車、跳車現(xiàn)象，孔內(nèi)鉆具的扭轉(zhuǎn)力矩明顯變大。

2 孔塌事故原因

對(duì)于地質(zhì)鉆探過(guò)程中的孔塌事故可由多種原因造成，其中與巖層性質(zhì)和結(jié)構(gòu)關(guān)系最為密切，其次工藝的成熟與否也嚴(yán)重影響著施工過(guò)程是否順利。因此，為避免孔塌事故的發(fā)生必須認(rèn)真研究影響孔塌的相關(guān)因素。

2.1 巖石自身性質(zhì)因素

沉積巖中可常見到易塌陷的巖石，例如礫巖、砂巖、泥頁(yè)巖、石灰?guī)r、玄武巖等，這些巖石受到沉積環(huán)境、巖石自身礦物組成以及掩埋時(shí)間的影響，較容易出現(xiàn)塌陷。以玄武巖而言，在巖漿侵入地層后，由于溫度降低，巖漿冷卻，體積遇冷收縮，這使得其結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生改變，產(chǎn)生大量裂紋，這些裂紋很難得到較好的填充，故結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定；泥頁(yè)巖中的礦物質(zhì)對(duì)其性質(zhì)有著重要影響，泥頁(yè)巖中含有20%～30%的粘土礦物，不同礦物質(zhì)具有不同的特性，若粘土的主要成分是蒙脫石,蒙脫石吸水膨脹率可到80%，因而此類粘土非常容易吸水膨脹，使得粘土壓力增高，導(dǎo)致孔塌發(fā)生；除此之外，泥頁(yè)巖是一種具有孔隙的巖石，在它形成巖石的過(guò)程中，受到溫度、濕度、壓力的影響，使原本粘土中的結(jié)合水滲出，成為流動(dòng)的水，封閉的地層環(huán)境使得這些水不能排出，從而在孔隙中形成高壓[2]。在鉆孔時(shí)，由于沖洗液液柱壓和地層孔隙壓力的差異，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。除上述巖石外，其他類型的巖石也會(huì)因自身特性或受環(huán)境因素影響，在地質(zhì)鉆探過(guò)程中，有發(fā)生孔塌的危險(xiǎn)。

2.2 地質(zhì)物理因素

地球是一個(gè)巨大的能量體，受到其內(nèi)部能量的作用，地殼一直處于運(yùn)動(dòng)變化中，這些能量存在于不同部位，同時(shí)形成不同的構(gòu)造應(yīng)力，當(dāng)這些構(gòu)造應(yīng)力能量較小時(shí)，它以潛能的方式存儲(chǔ)在巖石中，不會(huì)對(duì)巖層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)鉆探工程進(jìn)行時(shí)，鉆頭會(huì)對(duì)巖層產(chǎn)生刺激，使得構(gòu)造應(yīng)力超過(guò)了巖層本身強(qiáng)度，巖層將會(huì)發(fā)生斷裂，從而發(fā)生孔塌。高壓油氣層也是一種重要的影響因素，高壓油氣層上部一般為泥頁(yè)巖，泥頁(yè)巖相對(duì)于高壓油氣層來(lái)說(shuō)壓力較小，當(dāng)鉆探鉆入地層后，由于壓力差的存在，會(huì)使得該部位孔壁發(fā)生塌陷。

2.3 沖洗液液柱壓力因素

在鉆探過(guò)程中，沖洗液液柱壓力是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員必須嚴(yán)格控制的一個(gè)重要內(nèi)容，要盡可能使得液柱壓力與周圍巖層壓力達(dá)到平衡，兩者只有保持平衡，才能保證巖層不會(huì)因壓力差因素發(fā)生坍塌[3]。沖洗液密度高可有效提高對(duì)孔壁的支撐力，但是，由于壓力差的存在，液柱壓力高，周圍巖層壓力低，液體會(huì)從壓力高的地點(diǎn)向壓力低的地點(diǎn)流動(dòng)，因而鉆孔濾液將會(huì)進(jìn)入地層，使地層的孔隙壓力變大，壓力增大后使得地層受壓塌陷。

2.4 鉆孔用料因素

沖洗液是鉆孔施工中必須使用的材料，它能起到固結(jié)孔壁的作用，但是沖洗液容易與巖層中礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，礦物質(zhì)會(huì)吸水發(fā)生膨脹，如上所述，巖層吸水膨脹后將會(huì)發(fā)生塌陷。同時(shí)，由于高溫作用，沖洗液與礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致孔塌的發(fā)生，由于沖洗液是鉆探施工中所必需的，因此需要對(duì)沖洗液不斷調(diào)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行抑制。

2.5 鉆具不當(dāng)因素

鉆探工程中使用的鉆具組合要規(guī)范，特別是螺旋扶正器，它的數(shù)目要盡量選取合適，如果數(shù)量過(guò)多則會(huì)影響鉆具與孔壁之間的間隙，使間隙變小。當(dāng)進(jìn)行鉆探時(shí)，鉆具產(chǎn)生較強(qiáng)的震動(dòng)，這種震動(dòng)由于間隙小會(huì)直接對(duì)孔壁造成高強(qiáng)度的震動(dòng)，從而使孔壁坍塌，發(fā)生孔塌事故。

2.6 其他因素

除上述各種因素外，孔壁的質(zhì)量較差也是形成孔塌的重要原因，孔壁質(zhì)量差可能會(huì)導(dǎo)致巖石的集中脫落，發(fā)生孔塌。鉆進(jìn)過(guò)程中，未能對(duì)鉆具進(jìn)行較好控制，就可能會(huì)出現(xiàn)孔斜問(wèn)題，這將會(huì)容易發(fā)生孔塌事故。

3 孔塌事故的預(yù)防措施

為避免事故的發(fā)生，要做到防患于未然，弄清楚孔塌事故可能發(fā)生的原因，還要根據(jù)原因找出相應(yīng)的預(yù)防策略，注意結(jié)合實(shí)際，做到理論與實(shí)際的結(jié)合。對(duì)于可控制的因素盡量做到安全控制，對(duì)于不可控因素，例如巖層性質(zhì)，要做到選擇最優(yōu)方案，以此來(lái)預(yù)防孔塌事故。

3.1 選擇合適的沖洗液密度

對(duì)于施工來(lái)說(shuō)，沖洗液密度是一個(gè)至關(guān)重要的因素，應(yīng)盡可能地對(duì)其進(jìn)行控制。鉆進(jìn)過(guò)程中，為保持巖層的穩(wěn)定，需要依靠沖洗液所產(chǎn)生的壓力與孔壁壓力保持均衡，兩者壓力不宜相差過(guò)大，因此需要科學(xué)準(zhǔn)確地掌握孔壁的巖層壓力，再計(jì)算使用的沖洗液密度，以確保兩者壓力相同，不會(huì)產(chǎn)生壓力差。由于巖層中礦物質(zhì)含量較高，可基于此種特點(diǎn)，在沖洗液中加入適當(dāng)?shù)牡V物質(zhì)，提高沖洗液礦物質(zhì)含量，使巖層中礦物質(zhì)含量與沖洗液中礦物質(zhì)含量相當(dāng)，這可有效降低孔壁處巖層的含水量和孔隙壓力，增強(qiáng)泥頁(yè)巖的強(qiáng)度，從而維持孔壁的穩(wěn)定性。

3.2 保持沖洗液液柱壓力

要始終保持孔內(nèi)沖洗液的數(shù)量，若沖洗液數(shù)量減少，則會(huì)導(dǎo)致壓力降低，發(fā)生孔塌事故。因此要時(shí)刻注意孔內(nèi)沖洗液的數(shù)量[4]。在起鉆時(shí)，需要連續(xù)或定時(shí)向孔內(nèi)注入沖洗液，保持孔口液面在一定高度；在停工時(shí)，也需要注意孔口液面，因?yàn)榇藭r(shí)受滲透壓影響，液面會(huì)有降低，所以要盡可能地觀察孔內(nèi)液面，保持沖洗液的壓力。

3.3 控制鉆探工期時(shí)間

沖洗液對(duì)巖層具有滲透性，這種滲透性持續(xù)存在，孔塌的發(fā)生也是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。在鉆探前期，沖洗液的滲透性較大，施工人員對(duì)液面的觀察也較為注意，故雖滲透性較大，但孔內(nèi)沖洗液也能得到及時(shí)補(bǔ)充，在鉆探中后期，滲透性依舊存在，但坍塌現(xiàn)象會(huì)逐漸消失，這種孔塌現(xiàn)象是一種周期性現(xiàn)象。為了避免這種坍塌事故，可使工程控制在一個(gè)周期內(nèi)，這將有效減少孔塌事故的發(fā)生頻率。

3.4 針對(duì)地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)防

地質(zhì)狀況是大自然長(zhǎng)期作用的結(jié)果，鉆探人員改變不了地質(zhì)情況，但可以針對(duì)地質(zhì)情況選擇應(yīng)對(duì)的方法。由于巖石吸水膨脹的機(jī)理，可提高濾液粘度，降低泥餅的滲透率，高粘度的濾液可減少侵入地層，保持地層的相對(duì)穩(wěn)固。由于長(zhǎng)期的地質(zhì)變化，地層具有裂縫，裂縫的存在使得巖層不穩(wěn)定，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可采取高科技納米技術(shù)對(duì)裂縫和孔隙進(jìn)行填充。

3.5 預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害

在施工過(guò)程中，可能會(huì)遇到一些特殊情況，比如不易察覺的地震。微小的地震在地表不易察覺，但是在深部能量及振幅卻是比較大的，當(dāng)這些小地震發(fā)生時(shí)，深部巖層受到較大震動(dòng)就會(huì)發(fā)生塌陷。因此，要對(duì)該作業(yè)地面進(jìn)行地震探測(cè)，準(zhǔn)備好地震探測(cè)儀，當(dāng)探測(cè)到有微小地震時(shí)，要立即停止作業(yè)，以免發(fā)生事故。

3.6 規(guī)范機(jī)械操作

工程技術(shù)人員要嚴(yán)格地進(jìn)行機(jī)械操作，注意開泵不要過(guò)快，下鉆力度要適中，減小鉆頭對(duì)巖層的沖擊力，提高鉆孔速度，縮短工程周期，以此來(lái)預(yù)防孔塌事故。

4 結(jié)語(yǔ)

孔塌事故是地質(zhì)鉆探過(guò)程中最為常見的問(wèn)題，本文已經(jīng)分析了關(guān)于孔塌的原因，并提出一些解決孔塌的措施，但是，還存在著許多還未能解決問(wèn)題，需要一代又一代的工程技術(shù)人員不斷分析、解決。