侯向科

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

地質(zhì)鉆探工作是相關(guān)地質(zhì)勘察部門發(fā)掘煤炭資源和礦產(chǎn)資源以及開展相關(guān)的地質(zhì)科學(xué)勘察工作的一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)不僅可以充分獲取地層的實(shí)質(zhì)物質(zhì)資料，同時(shí)也可以分析某區(qū)域的地層信息，該技術(shù)非常關(guān)鍵。和其他的地質(zhì)勘探工程對(duì)比可知，鉆探工作無(wú)論是成本耗費(fèi)還是勘探周期和勘探風(fēng)險(xiǎn)性都比較高。同時(shí)，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(zhì)結(jié)構(gòu)比較脆弱和復(fù)雜的地層情況，由此增大了勘探風(fēng)險(xiǎn)，稍有不慎就會(huì)誘發(fā)孔內(nèi)事故。一旦出現(xiàn)孔內(nèi)事故之后必然會(huì)影響整體的鉆井作業(yè)流程，延長(zhǎng)工程項(xiàng)目周期，也會(huì)增加不必要的勘探成本費(fèi)用。

1 地質(zhì)鉆探孔內(nèi)事故趨勢(shì)簡(jiǎn)析

我國(guó)是世界上鉆井技術(shù)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(dá)1001.42米的深水井，這是中國(guó)鉆井歷史上的一座里程碑。到了現(xiàn)代，我國(guó)的鉆井技術(shù)已不能與發(fā)達(dá)國(guó)家相適應(yīng)，與國(guó)外的差距越來(lái)越大。中華人民共和國(guó)成立以后，近代鉆探技術(shù)才逐步發(fā)展起來(lái)，1949年7月，在北京門頭溝礦區(qū)進(jìn)行了一次試鉆，這是新中國(guó)建國(guó)以來(lái)首次使用的鉆井[2]。

地質(zhì)鉆探技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、工程地質(zhì)勘察、地外行星地質(zhì)等領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)工程基礎(chǔ)、隧道、地質(zhì)災(zāi)害防治等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用都有很大的參考價(jià)值。

結(jié)合大量的案例進(jìn)行分析可知，隨著地質(zhì)鉆孔深度的不斷增加結(jié)合應(yīng)用范圍的不斷拓寬，一些埋藏較淺的資源越來(lái)越少，由此導(dǎo)致地質(zhì)鉆孔的深度數(shù)值在不斷增加，當(dāng)前， 多部門針對(duì)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(huì)產(chǎn)生地質(zhì)狀況相對(duì)繁雜以及地應(yīng)力變化比較顯著等特點(diǎn)。舉例來(lái)說，在高原地區(qū)進(jìn)行鉆探的是否，往往會(huì)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(shí)，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(jí)數(shù)也在不斷增加，這樣不僅大幅增加了鉆探成本費(fèi)用，同時(shí)與日俱增的孔內(nèi)事故處理費(fèi)用也讓很多單位開始嘗試調(diào)整鉆探方向。

當(dāng)前，在鉆探工程項(xiàng)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(jí)鉆桿成本費(fèi)用高昂，一旦發(fā)生鉆具事故，如果不及時(shí)有效處理，很有可能會(huì)導(dǎo)致鉆桿報(bào)廢。同時(shí)，在當(dāng)前的鉆孔工程項(xiàng)目之中，直徑比較小的孔底動(dòng)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(xué)沖洗液用量的增大，使用強(qiáng)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(jī)率。

此外，新的孔內(nèi)事故處置設(shè)備種類的增加，例如導(dǎo)向繞障工具、套管開窗工具、事故探測(cè)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(zhì)鉆探特別是小口徑巖芯鉆探中應(yīng)用尚需時(shí)日。

最后，由于預(yù)算限額過低，以及惡性競(jìng)爭(zhēng)的限制，使得深井鉆井成本相對(duì)較低，這就使其在進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)以及作業(yè)過程中的安全重視度不夠。就當(dāng)前來(lái)說，我國(guó)石油鉆井工程的安全儲(chǔ)備系數(shù)相對(duì)很高，其施工思想是“以人為本、以安全為先”的原則。而地質(zhì)鉆探就不同了，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)促使人們?cè)敢饷半U(xiǎn)，以小博大，孤注一擲。如果遇到比較復(fù)雜的地層，就會(huì)發(fā)生很多意外[4]。

由于沒有專業(yè)的鉆孔事故防治技術(shù)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(yàn)為主。有些機(jī)臺(tái)在出現(xiàn)井下意外時(shí)，不能果斷、正確地處理，反而猶豫不決，沒有采取措施，錯(cuò)過了最佳的時(shí)間，使原本比較簡(jiǎn)單的事故變得更加復(fù)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(yīng)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(shí)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(jī)在鉆進(jìn)過程中會(huì)遇到一些阻力，但不會(huì)對(duì)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(duì)鉆井作業(yè)產(chǎn)生阻礙，導(dǎo)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(duì)很多，巖屑的大小也相應(yīng)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(huì)堆積在鉆頭上，由此導(dǎo)致鉆孔中鉆具的扭力也會(huì)逐漸上升。

3 孔塌事故原因分析

針對(duì)地質(zhì)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(zhì)以及結(jié)構(gòu)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(shí)就要進(jìn)一步研究孔塌的各方面因素[5]。

3.1 巖石自身性質(zhì)因素

在沉積巖中常常會(huì)產(chǎn)生一系列極易塌陷的巖石，比如說礫巖、砂巖、泥頁(yè)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(duì)于玄武巖而言，一旦巖漿進(jìn)入地層，那么因?yàn)闇囟冉档?，巖漿冷卻，體積遇冷緊縮，這就會(huì)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(bǔ)，因此結(jié)構(gòu)比較不穩(wěn)定；泥頁(yè)巖的礦物含量對(duì)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(dá)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(zhì)是一種含有微孔的巖體，當(dāng)其形成時(shí)，由于溫度、濕度、壓力等因素的作用，將原來(lái)的黏結(jié)水滲透出來(lái)，變成了一種流動(dòng)的水，由于地層的密閉，使其無(wú)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(huì)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(zhì)或者遭到周邊環(huán)境因素的影響，在地質(zhì)勘探中出現(xiàn)了一系列坍塌的問題[6]。

3.2 地質(zhì)物理因素

地球是由其自身的能量所驅(qū)動(dòng)的龐大的能源體，地殼常常處在逐步移動(dòng)以及變動(dòng)之中，上述能量分布在各個(gè)區(qū)域，同時(shí)產(chǎn)生了多種多樣的構(gòu)造應(yīng)力，如果上述應(yīng)力能量很低的時(shí)候，它們就會(huì)被儲(chǔ)存在巖層中，并不會(huì)對(duì)巖層的結(jié)構(gòu)造成任何影響，但是在鉆井過程中，由于鉆頭的刺激性，導(dǎo)致地層的應(yīng)力超出了巖層的強(qiáng)度，導(dǎo)致巖層破裂，進(jìn)而導(dǎo)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(zhì)頁(yè)巖，而泥頁(yè)巖的壓力比高壓油氣層要小，鉆進(jìn)地層后，由于壓力差的原因，導(dǎo)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(chǎng)技術(shù)工作者務(wù)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(huì)因?yàn)閴毫Σ疃浪?。高濃度的沖刷液可以有效地增加孔壁的支撐能力，但因?yàn)槭艿綁毫Ψ矫娴挠绊?，這就使得液柱壓力相對(duì)較大，四周巖石壓力較小，所以，流體會(huì)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(xué)材料，很容易與巖石中的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，礦物吸收水分后膨脹，從而導(dǎo)致巖石在吸收水分后膨脹，從而導(dǎo)致崩塌。同時(shí)，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(xué)反應(yīng)也會(huì)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(yù)防孔塌事故發(fā)生，所以必須對(duì)沖洗液中的化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整，這樣可以從根源上預(yù)防孔塌事故產(chǎn)生。

3.5 鉆具不當(dāng)因素

在鉆井施工中，要求鉆具的組合應(yīng)統(tǒng)一，尤其是螺桿式扶正機(jī)，應(yīng)盡可能地選擇適當(dāng)?shù)穆輻U類型，否則會(huì)對(duì)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(dòng)很大，由于空隙很小，會(huì)引起孔壁的強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致孔洞崩塌。

3.6 其他因素

除了以上幾個(gè)方面之外，孔內(nèi)的孔洞質(zhì)量同樣是導(dǎo)致孔塌的重要因素，孔內(nèi)的質(zhì)量差就會(huì)使得大量的巖體剝落，進(jìn)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(huì)產(chǎn)生孔傾斜，從而導(dǎo)致井崩。

4 地質(zhì)鉆探孔內(nèi)復(fù)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?yàn)槭軌旱叵滤魅肟變?nèi)、涌（噴）孔而使鉆井工作無(wú)法進(jìn)行。

4.2 鉆孔呈現(xiàn)彎曲態(tài)勢(shì)

因地層、工藝等原因，造成鉆井軌道彎曲，使鉆井質(zhì)量達(dá)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(jìn)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(wú)法使用，或者無(wú)法采用傳統(tǒng)的鉆孔（動(dòng)力）鉆孔工具，會(huì)對(duì)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?zé)岷统罹小Ｔ诘叵聹囟葹?℃以下的永凍層、凍土層、極地鉆井時(shí)，常規(guī)鉆井中會(huì)出現(xiàn)回凍縮徑、鉆具凍結(jié)等復(fù)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(kuò)徑現(xiàn)象

在水敏地層中，遇到水膨脹時(shí)，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(huì)使得地層下滲，在情形嚴(yán)峻的時(shí)候，還會(huì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)而威脅到鉆井工作地穩(wěn)步進(jìn)行。

4.6 孔內(nèi)沉渣

考慮到孔內(nèi)巖粉、鉆屑相對(duì)較多，或者地層流砂、涌砂沉淀在孔底部，會(huì)對(duì)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(lái)物質(zhì)，或者是因?yàn)殂@孔中有孔洞，造成無(wú)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(yīng)力、溶洞等等，會(huì)使鉆井工作無(wú)法進(jìn)行。此外，一些非常規(guī)復(fù)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(yù)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(duì)問題提出相應(yīng)的防治對(duì)策，并注重實(shí)踐聯(lián)系實(shí)際，把理論和實(shí)踐相結(jié)合[8]。在能控制的情況下，盡可能地進(jìn)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(jìn)工程施工中的關(guān)鍵，必須盡量控制。在鉆井時(shí)，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(xué)、精確地把握井筒內(nèi)的巖石壓力，然后再控制鉆進(jìn)過程所用的沖洗液的濃度，保證兩種介質(zhì)的壓力是一樣的，不會(huì)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(zhì)，以達(dá)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(qiáng)度，保持了孔壁的穩(wěn)定。

5.2 保持沖洗液液柱壓力

要實(shí)時(shí)控制沖孔中的沖洗量，如果沖淋量減少，就會(huì)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(shí)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(jī)的時(shí)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(shí)維持沖洗液的壓力。

5.3 控制鉆探工期

沖洗液對(duì)地層的滲透作用是持久的，孔塌的形成是循序漸進(jìn)的過程。在鉆井前期，灌漿滲透率相對(duì)較大，施工工作者要密切關(guān)注液位，因此雖然滲透率很高，但仍能在第一時(shí)間補(bǔ)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(gè)周期現(xiàn)象[9]。

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

地質(zhì)條件是千百萬(wàn)年來(lái)形成的，不受人為因素干擾而改變，同樣也不會(huì)因鉆探人員的鉆進(jìn)工程而發(fā)生改變。但是可以根據(jù)具體的地質(zhì)條件來(lái)制定有效的預(yù)防孔塌對(duì)策。通過對(duì)巖體的吸水性和膨脹性等影響因素進(jìn)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(zhì)方面因素的變化，此時(shí)地層出現(xiàn)了一定的裂縫，從而導(dǎo)致了巖體的不穩(wěn)定。

5.5 預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害

在地質(zhì)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(huì)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(huì)因強(qiáng)烈的震動(dòng)而坍塌。所以，在施工現(xiàn)場(chǎng)要做好地震監(jiān)測(cè)工作，并配備一臺(tái)地震探測(cè)器，一旦發(fā)現(xiàn)有輕微的地震，就應(yīng)立即停止工作，避免意外。

5.6 規(guī)范機(jī)械操作

施工工作者應(yīng)該仔細(xì)進(jìn)行機(jī)械作業(yè)，同時(shí)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(duì)地層的撞擊，加快鉆進(jìn)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(duì)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(dǎo)致崩塌，但隨著鉆井液壓力的調(diào)節(jié)，崩塌并沒有結(jié)束，而是會(huì)與鉆井液逐漸趨于平衡，形成堅(jiān)實(shí)的巖壁保護(hù)，崩塌的情況也就慢慢地過去了。因此，在某一時(shí)期內(nèi)，井崩是一種周期性現(xiàn)象，為防止井崩，應(yīng)盡可能在一個(gè)井崩周期內(nèi)進(jìn)行鉆井作業(yè)，以防止井崩事故。

5.8 針對(duì)地質(zhì)性質(zhì)的預(yù)防措施

黏土頁(yè)巖中的礦物吸水率高，其作用機(jī)制在上文中已有論述。選擇適當(dāng)?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(shí)要對(duì)層間裂縫進(jìn)行封閉，以阻止?jié)B透。在黏土頁(yè)巖中，易碎時(shí)，巖石中會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的孔洞和裂縫。鉆具進(jìn)入地層后，鉆井液通過微小的孔隙、裂縫侵入，從而導(dǎo)致巖體容易發(fā)生滑移，從而增加了巖石的壓力，從而導(dǎo)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(yè)巖層的微孔、縫隙，減少鉆井液的滲透。同時(shí)，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(shí)進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

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