地質鉆探施工中孔塌事故的原因及預防方法

侯向科

（甘肅省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741000）

地質鉆探工作是相關地質勘察部門發(fā)掘煤炭資源和礦產(chǎn)資源以及開展相關的地質科學勘察工作的一項基礎性技術，應用該技術不僅可以充分獲取地層的實質物質資料，同時也可以分析某區(qū)域的地層信息，該技術非常關鍵。和其他的地質勘探工程對比可知，鉆探工作無論是成本耗費還是勘探周期和勘探風險性都比較高。同時，考慮到該工作屬于隱蔽地下的工程作業(yè)，往往存在一些地質結構比較脆弱和復雜的地層情況，由此增大了勘探風險，稍有不慎就會誘發(fā)孔內(nèi)事故。一旦出現(xiàn)孔內(nèi)事故之后必然會影響整體的鉆井作業(yè)流程，延長工程項目周期，也會增加不必要的勘探成本費用。

1 地質鉆探孔內(nèi)事故趨勢簡析

我國是世界上鉆井技術的發(fā)祥地，四千多年前就已有“黃帝穿井”之說，而秦代已有開鑿井取鹽的歷史[1]；1835年，四川自貢首次發(fā)現(xiàn)了一座高達1001.42米的深水井，這是中國鉆井歷史上的一座里程碑。到了現(xiàn)代，我國的鉆井技術已不能與發(fā)達國家相適應，與國外的差距越來越大。中華人民共和國成立以后，近代鉆探技術才逐步發(fā)展起來，1949年7月，在北京門頭溝礦區(qū)進行了一次試鉆，這是新中國建國以來首次使用的鉆井[2]。

地質鉆探技術在地質調查、礦產(chǎn)勘查、工程地質勘察、地外行星地質等領域有著重大的應用價值，對工程基礎、隧道、地質災害防治等技術領域的應用都有很大的參考價值。

結合大量的案例進行分析可知，隨著地質鉆孔深度的不斷增加結合應用范圍的不斷拓寬，一些埋藏較淺的資源越來越少，由此導致地質鉆孔的深度數(shù)值在不斷增加，當前， 多部門針對高原、海上等特殊地區(qū)的鉆探工作數(shù)量增多，該區(qū)域通常會產(chǎn)生地質狀況相對繁雜以及地應力變化比較顯著等特點。舉例來說，在高原地區(qū)進行鉆探的是否，往往會遇到很多低溫凍土層，由此增加了鉆探孔內(nèi)事故發(fā)生概率。

同時，隨著鉆孔深度的不斷增加以及地層數(shù)值的增加，在鉆孔的過程中，洞內(nèi)套管的級數(shù)也在不斷增加，這樣不僅大幅增加了鉆探成本費用，同時與日俱增的孔內(nèi)事故處理費用也讓很多單位開始嘗試調整鉆探方向。

當前，在鉆探工程項目之中，孔內(nèi)鉆柱的類型也發(fā)生了一定程度的變化，常見的鋁合金鉆桿以及高鋼級鉆桿成本費用高昂，一旦發(fā)生鉆具事故，如果不及時有效處理，很有可能會導致鉆桿報廢。同時，在當前的鉆孔工程項目之中，直徑比較小的孔底動力鉆數(shù)量在的增加在一定程度上增加了孔內(nèi)事故的處理難度，這類鉆具發(fā)生事故往往比較難以處理[3]。

由于化學沖洗液用量的增大，使用強度較高的鋼管，造成鉆桿腐蝕和疲勞加劇，從而提高了鉆桿的事故機率。

此外，新的孔內(nèi)事故處置設備種類的增加，例如導向繞障工具、套管開窗工具、事故探測工具等，使事故處理方法更加豐富，但也存在諸多局限性，在地質鉆探特別是小口徑巖芯鉆探中應用尚需時日。

最后，由于預算限額過低，以及惡性競爭的限制，使得深井鉆井成本相對較低，這就使其在進行鉆井設計以及作業(yè)過程中的安全重視度不夠。就當前來說，我國石油鉆井工程的安全儲備系數(shù)相對很高，其施工思想是“以人為本、以安全為先”的原則。而地質鉆探就不同了，激烈的市場競爭促使人們愿意冒險，以小博大，孤注一擲。如果遇到比較復雜的地層，就會發(fā)生很多意外[4]。

由于沒有專業(yè)的鉆孔事故防治技術規(guī)范，各專業(yè)的鉆孔作業(yè)人員管理水平較低，目前井下事故的處理仍以經(jīng)驗為主。有些機臺在出現(xiàn)井下意外時，不能果斷、正確地處理，反而猶豫不決，沒有采取措施，錯過了最佳的時間，使原本比較簡單的事故變得更加復雜。

2 孔塌概述

孔塌是在鉆井作業(yè)鉆破地層后，由于地層受地應力等多種因素的作用，使孔壁內(nèi)的巖體坍塌，使部分孔段發(fā)生埋塞。在實際工作中，一般有兩種情況，一種是孔壁有少量的巖層坍塌，鉆機在鉆進過程中會遇到一些阻力，但不會對鉆井作業(yè)造成任何影響，這在鉆井中是很普遍的。二是孔壁崩塌，形成數(shù)十米、數(shù)百米的孔洞，對鉆井作業(yè)產(chǎn)生阻礙，導致孔塌。

孔塌后，可以觀察到許多不同的情況，首先是孔內(nèi)的上返巖屑的變更，這在很大程度上體現(xiàn)在巖屑的巖性、數(shù)量和大小等層面，巖性出現(xiàn)了諸多和施工沒有聯(lián)系的巖屑，巖屑的數(shù)量相對很多，巖屑的大小也相應的增加，在硬脆性地層中尤為突出。隨著孔塌的繼續(xù)，崩塌的碎石將會堆積在鉆頭上，由此導致鉆孔中鉆具的扭力也會逐漸上升。

3 孔塌事故原因分析

針對地質鉆探期間的孔塌事故，在很大程度上受到多因素的影響，在此之中，和巖層性質以及結構的聯(lián)系較為緊密，其次工藝的成熟與否在很大程度上決定了施工是否順利。所以，為了防止孔塌事故的出現(xiàn)，此時就要進一步研究孔塌的各方面因素[5]。

3.1 巖石自身性質因素

在沉積巖中常常會產(chǎn)生一系列極易塌陷的巖石，比如說礫巖、砂巖、泥頁巖以及玄武巖等等，考慮到沉積環(huán)境、巖石自身的礦物成分以及埋藏周期等因素，這就極易產(chǎn)生崩塌問題。對于玄武巖而言，一旦巖漿進入地層，那么因為溫度降低，巖漿冷卻，體積遇冷緊縮，這就會使得其組織特性出現(xiàn)一定程度改變，出現(xiàn)了許多裂縫，裂縫難以填補，因此結構比較不穩(wěn)定；泥頁巖的礦物含量對其性能有很大的影響，粘土礦物占20%～30%，不同礦物的特征也各不相同，如果以蒙脫石為主，那么它的吸水性和膨脹率可以達到80%，這類黏土很容易吸收水分，從而引起黏土的壓力升高，從而引起塌陷；此外，泥質是一種含有微孔的巖體，當其形成時，由于溫度、濕度、壓力等因素的作用，將原來的黏結水滲透出來，變成了一種流動的水，由于地層的密閉，使其無法排泄，因此在孔隙中產(chǎn)生了壓力。在鉆井過程中，沖洗液的液柱壓力和地層孔壓的不同會引起不同的影響。除了以上提到的巖石，其他類型的巖體由于其自身的性質或者遭到周邊環(huán)境因素的影響，在地質勘探中出現(xiàn)了一系列坍塌的問題[6]。

3.2 地質物理因素

地球是由其自身的能量所驅動的龐大的能源體，地殼常常處在逐步移動以及變動之中，上述能量分布在各個區(qū)域，同時產(chǎn)生了多種多樣的構造應力，如果上述應力能量很低的時候，它們就會被儲存在巖層中，并不會對巖層的結構造成任何影響，但是在鉆井過程中，由于鉆頭的刺激性，導致地層的應力超出了巖層的強度，導致巖層破裂，進而導致孔塌。高壓油氣層同樣是重要因素之一，在高壓油氣層的上層一般包括泥質頁巖，而泥頁巖的壓力比高壓油氣層要小，鉆進地層后，由于壓力差的原因，導致了井壁的坍塌[7]。

3.3 沖洗液液柱壓力因素

在鉆井過程中，液柱壓已經(jīng)成為施工現(xiàn)場技術工作者務必要把控的一環(huán)，以確保液柱壓力和周邊巖石壓力之間的平衡，以確保巖石不會因為壓力差而崩塌。高濃度的沖刷液可以有效地增加孔壁的支撐能力，但因為受到壓力方面的影響，這就使得液柱壓力相對較大，四周巖石壓力較小，所以，流體會從較高的位置流向較低的位置。

3.4 鉆孔用料因素

在鉆孔作業(yè)過程中，沖洗液是必要的材料之一，沖洗液具有可以加固孔壁的作用，但目前使用的沖洗液多為化學材料，很容易與巖石中的礦物發(fā)生化學反應，礦物吸收水分后膨脹，從而導致巖石在吸收水分后膨脹，從而導致崩塌。同時，在鉆井過程中，由于溫度因素的影響，沖洗液與礦物間的化學反應也會引起坍塌，而在鉆井過程中，沖洗液是必不可少的材料，因此，如果想要有效預防孔塌事故發(fā)生，所以必須對沖洗液中的化學成分進行調整，這樣可以從根源上預防孔塌事故產(chǎn)生。

3.5 鉆具不當因素

在鉆井施工中，要求鉆具的組合應統(tǒng)一，尤其是螺桿式扶正機，應盡可能地選擇適當?shù)穆輻U類型，否則會對鉆具和孔壁的空隙造成不利的影響。在鉆井過程中，鉆具的振動很大，由于空隙很小，會引起孔壁的強烈振動，導致孔洞崩塌。

3.6 其他因素

除了以上幾個方面之外，孔內(nèi)的孔洞質量同樣是導致孔塌的重要因素，孔內(nèi)的質量差就會使得大量的巖體剝落，進而引發(fā)孔塌。在鉆井期間，如果不能很好地控制鉆具，很有可能會產(chǎn)生孔傾斜，從而導致井崩。

4 地質鉆探孔內(nèi)復雜情況種類梳理

4.1 鉆孔出現(xiàn)漏失或者涌水問題

受到地層壓力異常方面的影響，裂隙溶洞發(fā)育，使得沖洗液滲漏；或者因為受壓地下水流入孔內(nèi)、涌（噴）孔而使鉆井工作無法進行。

4.2 鉆孔呈現(xiàn)彎曲態(tài)勢

因地層、工藝等原因，造成鉆井軌道彎曲，使鉆井質量達不到要求，或造成鉆井回旋阻力增大，鉆桿經(jīng)常斷裂，使鉆井工作難以進行。

4.3 孔內(nèi)溫度異常

由于地面溫度太高，一般的沖洗劑無法使用，或者無法采用傳統(tǒng)的鉆孔（動力）鉆孔工具，會對正常的鉆井工作造成影響和干擾。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在高溫巖漿和干熱巖層的鉆孔、深部地熱和超深井中。在地下溫度為0℃以下的永凍層、凍土層、極地鉆井時，常規(guī)鉆井中會出現(xiàn)回凍縮徑、鉆具凍結等復雜條件，從而影響鉆井的正常鉆井。

4.4 出現(xiàn)鉆孔縮徑或者擴徑現(xiàn)象

在水敏地層中，遇到水膨脹時，容易出現(xiàn)孔眼收縮現(xiàn)象，造成沖洗液循環(huán)壓力異常上升、“急速攀升的”控內(nèi)壓力可能會使得地層下滲，在情形嚴峻的時候，還會使其產(chǎn)生卡鉆等問題；在水敏、水化、水溶、松散及其他不平穩(wěn)地層之中，鉆進過程中經(jīng)常出現(xiàn)鉆頭斷裂現(xiàn)象，造成鉆柱斷裂，在很大程度上引發(fā)沖洗液的循環(huán)排渣，使得沉渣卡鉆、埋鉆，威脅到鉆井工作的順利進行。

4.5 鉆孔坍塌或者阻滯現(xiàn)象

在水敏地層中松散、破碎及其他不穩(wěn)定的地層內(nèi)部，孔壁極易坍塌、落塊，在下鉆期間極易出現(xiàn)阻塞，使得孔內(nèi)出現(xiàn)安全隱患，進而威脅到鉆井工作地穩(wěn)步進行。

4.6 孔內(nèi)沉渣

考慮到孔內(nèi)巖粉、鉆屑相對較多，或者地層流砂、涌砂沉淀在孔底部，會對鉆井工作造成不利的影響。

4.7 孔內(nèi)異物

鉆遇非巖性地層中的外來物質，或者是因為鉆孔中有孔洞，造成無法正常鉆井。

4.8 其他孔內(nèi)異常

其它繁瑣的鉆孔環(huán)境，比如說地層蠕變、高地應力、溶洞等等，會使鉆井工作無法進行。此外，一些非常規(guī)復雜地層，比如說，放射性地層、海洋珊瑚礁等，也可歸入這一范疇。

5 孔塌事故的預防措施分析

要想防止這種情況，必須從根本上解決問題，從根本上找出問題的根源，并針對問題提出相應的防治對策，并注重實踐聯(lián)系實際，把理論和實踐相結合[8]。在能控制的情況下，盡可能地進行安全的控制，而在不能確定的情況下，比如地層的特性，則要采取最佳的措施，防止發(fā)生孔洞坍塌。

5.1 選擇合適的沖洗液密度

合適的沖洗液濃度是鉆進工程施工中的關鍵，必須盡量控制。在鉆井時，為了保證地層的穩(wěn)定，必須最大限度確保沖刷液和井壁之間的壓力平衡，二者之間的壓力差不能太大，所以要科學、精確地把握井筒內(nèi)的巖石壓力，然后再控制鉆進過程所用的沖洗液的濃度，保證兩種介質的壓力是一樣的，不會出現(xiàn)壓差。根據(jù)巖石中礦物的高含量，可以通過在沖洗液中添加合適的礦物成分，通過增加洗滌劑中的礦物質，以達到與洗滌劑中礦物含量相近的目的，從而有效地減少了孔壁上的含水率和孔壓，增加了泥漿的強度，保持了孔壁的穩(wěn)定。

5.2 保持沖洗液液柱壓力

要實時控制沖孔中的沖洗量，如果沖淋量減少，就會造成壓差下降，造成空洞事故。所以要經(jīng)常留意噴嘴中的沖洗量。在起鉆過程中，必須不斷地或定時地將沖刷液體噴入孔中，以保證井口液體表面處于某一水平；在停機的時候，還要留意井口的液面，考慮到其受滲透壓方面的影響，液面降低，因此要盡最大程度地觀察孔內(nèi)的液面，同時維持沖洗液的壓力。

5.3 控制鉆探工期

沖洗液對地層的滲透作用是持久的，孔塌的形成是循序漸進的過程。在鉆井前期，灌漿滲透率相對較大，施工工作者要密切關注液位，因此雖然滲透率很高，但仍能在第一時間補充灌漿，到中后期，滲透率依然平穩(wěn)，崩塌現(xiàn)象漸漸消失，這是一個周期現(xiàn)象[9]。

5.4 針對地質性質進行預防

地質條件是千百萬年來形成的，不受人為因素干擾而改變，同樣也不會因鉆探人員的鉆進工程而發(fā)生改變。但是可以根據(jù)具體的地質條件來制定有效的預防孔塌對策。通過對巖體的吸水性和膨脹性等影響因素進行研究，可以使濾液的黏性增大，使泥漿的滲透性降低?？紤]到地質方面因素的變化，此時地層出現(xiàn)了一定的裂縫，從而導致了巖體的不穩(wěn)定。

5.5 預防地質災害

在地質鉆探工程中，極易產(chǎn)生一些地震等條件。小型地震在地面上很難被發(fā)現(xiàn)，而在深層，則會產(chǎn)生較大的能量和幅度，因此，在這種小地震的作用下，深層的巖石會因強烈的震動而坍塌。所以，在施工現(xiàn)場要做好地震監(jiān)測工作，并配備一臺地震探測器，一旦發(fā)現(xiàn)有輕微的地震，就應立即停止工作，避免意外。

5.6 規(guī)范機械操作

施工工作者應該仔細進行機械作業(yè)，同時還需要注意在開泵過程中，不能太快，下鉆過程中要適度，避免鉆頭對地層的撞擊，加快鉆進速率，縮減工程周期，從而防止井塌。

5.7 合理地鉆探工期控制

在之前的成因分析中，鉆井液對井壁的支撐具有一定的滲透和吸收能力。但是，在崩塌之前，由于鉆井液壓力比地層壓力小，導致崩塌，但隨著鉆井液壓力的調節(jié)，崩塌并沒有結束，而是會與鉆井液逐漸趨于平衡，形成堅實的巖壁保護，崩塌的情況也就慢慢地過去了。因此，在某一時期內(nèi)，井崩是一種周期性現(xiàn)象，為防止井崩，應盡可能在一個井崩周期內(nèi)進行鉆井作業(yè)，以防止井崩事故。

5.8 針對地質性質的預防措施

黏土頁巖中的礦物吸水率高，其作用機制在上文中已有論述。選擇適當?shù)倪^濾工藝，首先要增加過濾液的黏度，減小 HTHO和泥漿的滲透性，減少滲透性；同時要對層間裂縫進行封閉，以阻止?jié)B透。在黏土頁巖中，易碎時，巖石中會出現(xiàn)細小的孔洞和裂縫。鉆具進入地層后，鉆井液通過微小的孔隙、裂縫侵入，從而導致巖體容易發(fā)生滑移，從而增加了巖石的壓力，從而導致井崩。因此，可以采用納米剛性顆粒與變形顆粒協(xié)同作用，封堵脆性頁巖層的微孔、縫隙，減少鉆井液的滲透。同時，要保持和提高鉆井液的濃度，保持壓力，使鉆井液的壓力稍高于地層壓力。通常情況下，有兩種方式可以同時進行。

6 結語

孔塌是鉆井施工中最普遍的問題，文章對孔塌產(chǎn)生的原因進行了分析，并對解決孔塌的對策進行了探討。