地質鉆探施工中孔塌事故的原因分析及預防策略研究

石 遜

（河北省地礦局第九地質大隊，河北 邢臺 054000）

1 孔塌概述

孔塌是指地質鉆探施工鉆開地層后，地層受到地應力等各種因素影響，孔壁巖石塌落進入到鉆孔中，導致鉆孔局部孔段被埋堵的現象。實際操作過程中，一般可見到兩種情況，一種情況是孔壁少量的巖石塌陷，鉆探過程中鉆具起下過程中可能會輕微遇阻，但并不會影響正常的鉆探施工，這類情況在鉆探過程中極為常見[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，孔內鉆具嚴重受阻，不能正常起下活動，這便是孔塌。

孔塌時可觀察到多種現象，最先出現的便是孔內上返巖屑的變化，這表現在孔內返回巖屑的巖性、數量和尺寸上，巖性會出現不是正在施工層位的巖屑，巖屑數量有明顯增加，巖屑的尺寸也相對增大，這種變化突出的表現在硬脆型地層中。當孔塌持續進行時，越來越多的坍塌巖屑將會堆積阻滯鉆頭，會出現憋車、跳車現象，孔內鉆具的扭轉力矩明顯變大。

2 孔塌事故原因

對于地質鉆探過程中的孔塌事故可由多種原因造成，其中與巖層性質和結構關系最為密切，其次工藝的成熟與否也嚴重影響著施工過程是否順利。因此，為避免孔塌事故的發生必須認真研究影響孔塌的相關因素。

2.1 巖石自身性質因素

沉積巖中可常見到易塌陷的巖石，例如礫巖、砂巖、泥頁巖、石灰巖、玄武巖等，這些巖石受到沉積環境、巖石自身礦物組成以及掩埋時間的影響，較容易出現塌陷。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，這使得其結構性質發生改變，產生大量裂紋，這些裂紋很難得到較好的填充，故結構相對不穩定；泥頁巖中的礦物質對其性質有著重要影響，泥頁巖中含有20%～30%的粘土礦物，不同礦物質具有不同的特性，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，導致孔塌發生；除此之外，泥頁巖是一種具有孔隙的巖石，在它形成巖石的過程中，受到溫度、濕度、壓力的影響，使原本粘土中的結合水滲出，成為流動的水，封閉的地層環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，由于沖洗液液柱壓和地層孔隙壓力的差異，會產生相應的變化。除上述巖石外，其他類型的巖石也會因自身特性或受環境因素影響，在地質鉆探過程中，有發生孔塌的危險。

2.2 地質物理因素

地球是一個巨大的能量體，受到其內部能量的作用，地殼一直處于運動變化中，這些能量存在于不同部位，同時形成不同的構造應力，當這些構造應力能量較小時，它以潛能的方式存儲在巖石中，不會對巖層結構產生影響，但當地質鉆探工程進行時，鉆頭會對巖層產生刺激，使得構造應力超過了巖層本身強度，巖層將會發生斷裂，從而發生孔塌。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巖，泥頁巖相對于高壓油氣層來說壓力較小，當鉆探鉆入地層后，由于壓力差的存在，會使得該部位孔壁發生塌陷。

2.3 沖洗液液柱壓力因素

在鉆探過程中，沖洗液液柱壓力是現場技術人員必須嚴格控制的一個重要內容，要盡可能使得液柱壓力與周圍巖層壓力達到平衡，兩者只有保持平衡，才能保證巖層不會因壓力差因素發生坍塌[3]。沖洗液密度高可有效提高對孔壁的支撐力，但是，由于壓力差的存在，液柱壓力高，周圍巖層壓力低，液體會從壓力高的地點向壓力低的地點流動，因而鉆孔濾液將會進入地層，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，它能起到固結孔壁的作用，但是沖洗液容易與巖層中礦物質發生反應，礦物質會吸水發生膨脹，如上所述，巖層吸水膨脹后將會發生塌陷。同時，由于高溫作用，沖洗液與礦物質發生化學反應也會導致孔塌的發生，由于沖洗液是鉆探施工中所必需的，因此需要對沖洗液不斷調節，對其進行抑制。

2.5 鉆具不當因素

鉆探工程中使用的鉆具組合要規范，特別是螺旋扶正器，它的數目要盡量選取合適，如果數量過多則會影響鉆具與孔壁之間的間隙，使間隙變小。當進行鉆探時，鉆具產生較強的震動，這種震動由于間隙小會直接對孔壁造成高強度的震動，從而使孔壁坍塌，發生孔塌事故。

2.6 其他因素

除上述各種因素外，孔壁的質量較差也是形成孔塌的重要原因，孔壁質量差可能會導致巖石的集中脫落，發生孔塌。鉆進過程中，未能對鉆具進行較好控制，就可能會出現孔斜問題，這將會容易發生孔塌事故。

3 孔塌事故的預防措施

為避免事故的發生，要做到防患于未然，弄清楚孔塌事故可能發生的原因，還要根據原因找出相應的預防策略，注意結合實際，做到理論與實際的結合。對于可控制的因素盡量做到安全控制，對于不可控因素，例如巖層性質，要做到選擇最優方案，以此來預防孔塌事故。

3.1 選擇合適的沖洗液密度

對于施工來說，沖洗液密度是一個至關重要的因素，應盡可能地對其進行控制。鉆進過程中，為保持巖層的穩定，需要依靠沖洗液所產生的壓力與孔壁壓力保持均衡，兩者壓力不宜相差過大，因此需要科學準確地掌握孔壁的巖層壓力，再計算使用的沖洗液密度，以確保兩者壓力相同，不會產生壓力差。由于巖層中礦物質含量較高，可基于此種特點，在沖洗液中加入適當的礦物質，提高沖洗液礦物質含量，使巖層中礦物質含量與沖洗液中礦物質含量相當，這可有效降低孔壁處巖層的含水量和孔隙壓力，增強泥頁巖的強度，從而維持孔壁的穩定性。

3.2 保持沖洗液液柱壓力

要始終保持孔內沖洗液的數量，若沖洗液數量減少，則會導致壓力降低，發生孔塌事故。因此要時刻注意孔內沖洗液的數量[4]。在起鉆時，需要連續或定時向孔內注入沖洗液，保持孔口液面在一定高度；在停工時，也需要注意孔口液面，因為此時受滲透壓影響，液面會有降低，所以要盡可能地觀察孔內液面，保持沖洗液的壓力。

3.3 控制鉆探工期時間

沖洗液對巖層具有滲透性，這種滲透性持續存在，孔塌的發生也是一個漸進的過程。在鉆探前期，沖洗液的滲透性較大，施工人員對液面的觀察也較為注意，故雖滲透性較大，但孔內沖洗液也能得到及時補充，在鉆探中后期，滲透性依舊存在，但坍塌現象會逐漸消失，這種孔塌現象是一種周期性現象。為了避免這種坍塌事故，可使工程控制在一個周期內，這將有效減少孔塌事故的發生頻率。

3.4 針對地質性質進行預防

地質狀況是大自然長期作用的結果，鉆探人員改變不了地質情況，但可以針對地質情況選擇應對的方法。由于巖石吸水膨脹的機理，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，保持地層的相對穩固。由于長期的地質變化，地層具有裂縫，裂縫的存在使得巖層不穩定，針對這個問題，可采取高科技納米技術對裂縫和孔隙進行填充。

3.5 預防地質災害

在施工過程中，可能會遇到一些特殊情況，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，當這些小地震發生時，深部巖層受到較大震動就會發生塌陷。因此，要對該作業地面進行地震探測，準備好地震探測儀，當探測到有微小地震時，要立即停止作業，以免發生事故。

3.6 規范機械操作

工程技術人員要嚴格地進行機械操作，注意開泵不要過快，下鉆力度要適中，減小鉆頭對巖層的沖擊力，提高鉆孔速度，縮短工程周期，以此來預防孔塌事故。

4 結語

孔塌事故是地質鉆探過程中最為常見的問題，本文已經分析了關于孔塌的原因，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題，需要一代又一代的工程技術人員不斷分析、解決。