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(guó)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(shí)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(guó)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(dá)國(guó)家的步伐，落后于西方國(guó)家。直到中華人民共和國(guó)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(yàn)鉆孔，是新中國(guó)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(duì)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(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)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(jī)性，這主要是地下水文地質(zhì)的變化較大，對(duì)于淺表面的探測(cè)較為容易，但對(duì)于超過數(shù)百米的深度，地質(zhì)探測(cè)僅僅是對(duì)地層的預(yù)估及分析預(yù)判。這時(shí)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(yán)重的卡滯。

1.1 井塌的概念

地質(zhì)鉆探中，當(dāng)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(kuò)大，這就是井塌。在實(shí)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(huì)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(jìn)。這種情況一般不認(rèn)為是井塌事故。因此，只有鉆具在井筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受到嚴(yán)重阻礙，才能稱之為井塌。

1.2 井塌的現(xiàn)象

當(dāng)正處于鉆進(jìn)過程中，遇到井塌時(shí)，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(dòng)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(dāng)井塌現(xiàn)象發(fā)生在鉆具下放時(shí)，由于巖屑掉落鉆孔內(nèi)，縮小或堵塞鉆孔，鉆具下放會(huì)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?yàn)閹r屑積累較多的重力影響，有可能帶動(dòng)鉆具倒轉(zhuǎn)，并且在上提鉆具時(shí)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(duì)工程影響程度，如果采取正確的措施比滯后處理要相對(duì)容易，這就考驗(yàn)司鉆人員的臨機(jī)處置能力，操作能力，這需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累，可以解決；對(duì)于嚴(yán)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(yán)重，最終可能造成全井的報(bào)廢，耗費(fèi)數(shù)月乃至數(shù)年的時(shí)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(duì)問題進(jìn)行預(yù)防和解決，還要從主要的地質(zhì)和工藝因素方面進(jìn)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(huì)發(fā)生膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生壓力導(dǎo)致超過了井壁板結(jié)強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生坍塌。其中蒙脫石礦的吸水膨脹率達(dá)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(dāng)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(huì)在鉆井液中溶解，從而使得頁巖支撐力減弱，進(jìn)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(yuǎn)，其內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)越難以預(yù)測(cè)，各種方向的造山運(yùn)動(dòng)，巖體礦物轉(zhuǎn)化等，都會(huì)造成某一點(diǎn)受到多個(gè)方向應(yīng)力，一旦鉆頭通過該處地層時(shí)，應(yīng)力釋放突破井壁的固結(jié)穩(wěn)定應(yīng)力，就會(huì)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(yùn)動(dòng)，局部會(huì)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(duì)井壁的側(cè)向力從各個(gè)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(yùn)動(dòng)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(tái)陽霞衛(wèi)東沖溝礦區(qū)鉆孔施工中，常要應(yīng)對(duì)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(dāng)?shù)貙釉缴钊雺毫υ酱螅硗猓瑴囟葘?duì)于壓力的影響也非常大，超過3 千至5 千米，溫度還可能對(duì)蒙脫石礦等礦物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，造成壓力變化。這些都會(huì)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(huì)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(duì)應(yīng)的工藝方法進(jìn)行應(yīng)對(duì)，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?yàn)榍懊嬷v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(huì)發(fā)生化學(xué)作用所造成，這只能通過對(duì)鉆井液的不斷調(diào)節(jié)進(jìn)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(dāng)向下鉆進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生波動(dòng)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(jìn)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過快都會(huì)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(huì)造成鉆進(jìn)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(jìn)過程中，控制不好會(huì)發(fā)生井斜等問題，同樣會(huì)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(jìn)過程中井壁的穩(wěn)定，最基本的就是要保證在鉆進(jìn)過程中有足夠的橫向力支撐地層，防止地層坍塌。在鉆進(jìn)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(cè)定井壁處巖層的壓力，改變對(duì)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(duì)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(dāng)垮塌發(fā)生前，鉆井液的壓力會(huì)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(huì)完全停止，而會(huì)逐漸與鉆井液達(dá)到平衡并形成堅(jiān)固的巖壁護(hù)層，垮塌現(xiàn)象逐漸消失。因此，實(shí)際上井塌在一定時(shí)間內(nèi)具有周期性，為了避免井塌事故，盡量在一個(gè)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(duì)地質(zhì)性質(zhì)的預(yù)防措施

對(duì)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(jī)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(duì)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(huì)順著微孔和裂隙侵入巖層，進(jìn)而使得巖層易于滑動(dòng)，同時(shí)增大了巖層的壓力，產(chǎn)生井塌的危險(xiǎn)。為此，一方面可以采取納米級(jí)剛性粒子和變形粒子相互配合對(duì)脆性頁巖層的微孔、縫隙進(jìn)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(shí)使用。

3.4 預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害措施

造成井塌事故有時(shí)會(huì)因?yàn)榈刭|(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(duì)于深層鉆探的影響巨大，其作用機(jī)理仍是以巖層擾動(dòng)為主，進(jìn)而造成井壁的破裂坍塌。為此，要做好探測(cè)地震儀器的準(zhǔn)備，當(dāng)探測(cè)到地層地震時(shí)，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(duì)井眼的作用機(jī)理以及工藝工法中的缺陷，可以更好的針對(duì)問題進(jìn)行改進(jìn)。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(duì)性的方法進(jìn)行預(yù)防。