地質(zhì)鉆探工程中井塌事故的原因分析及預(yù)防策略

付連棟

摘 ?要：鉆探技術(shù)在地質(zhì)研究、礦物勘探、地質(zhì)工程和地球外行星地質(zhì)研究中具有最重要的技術(shù)應(yīng)用，對于大型工程基礎(chǔ)、隧道、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等具有重要的技術(shù)參考意義。因此，地質(zhì)鉆探技術(shù)已成為支持國家基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)的最重要的基本應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)鉆探;井塌;原因分析;預(yù)防策略;

引言 ?地質(zhì)鉆探是直接獲取地下物理信息的唯一技術(shù)手段。這是一種基本的多學(xué)科驗證方法，具有很高的應(yīng)用價值。然而，其成本很高，受地質(zhì)和環(huán)境因素的影響很大。如果處理方法不正確，將發(fā)生重大事故，尤其是坍塌事故，從施工延誤到廢棄井。因此，在地質(zhì)鉆探工程中，有必要分析坍塌的原因，研究減少坍塌的預(yù)防措施。

一、井塌的概述

1.井噴的概念。在地質(zhì)上，當(dāng)森林深入地滲入土壤時，鉆洞壁的巖石和土壤會坍塌，落入鉆井液中，在局部形成鉆洞，并擴大鉆洞直徑，即所謂的鉆洞塌陷。在實際鉆探過程中，少量的巖土和鉆探壁坍塌成鉆井液并不少見，這可能會造成輕微的堵塞和停滯，但這對夫婦沒有影響，始終可以正常鉆探。這種情況一般不被視為井噴事故。因此，只有當(dāng)鉆井工具在鉆井中的移動受到嚴(yán)重阻礙時，才能稱之為井噴。

2.井噴現(xiàn)象。 特別是振動篩返回的巖石碎片突然顯著增加，巖石碎片變大，吸濕器減少，特別是在巖石質(zhì)量的某些斷裂地層中，這種變化更加明顯。當(dāng)鉆孔工具下降時發(fā)生孔折縫時，下降的鉆孔工具會因鉆頭落入鉆孔、縮小或堵塞鉆孔而產(chǎn)生較大的阻力。在連續(xù)的鉆洞塌陷過程中，必須鎖定轉(zhuǎn)臺才能停止鉆孔，否則，由于鉆頭積聚所造成的重力影響，鉆孔工具可能會反轉(zhuǎn)，并且在鉆具隆起時強度會增加，這可能會導(dǎo)致坍塌。

二、井塌事故原因的分析

1.地質(zhì)因素。（1）礦物的化學(xué)作用。一個是頁巖中的礦物。頁巖里有很多粘土礦物例如，在某礦區(qū)的鉆井施工中，蒙脫土、伊利石、高嶺土、氯氣、石灰石等礦物吸水后會膨脹，然后壓力會超過鉆洞壁的硬化強度，導(dǎo)致坍塌。其中蒙脫石的膨脹率達到90%以上，其他礦物的膨脹率也很高。可以看出，如果土壤中的礦物含量較高，特別是吸收水而膨脹的礦物含量較高，如果不加以保留，則更有可能崩潰。第二，這是可溶性鹽的功能。頁巖若含有大量可溶性鹽，可溶解于鉆井液中，會削弱頁巖的支撐力，導(dǎo)致井壁坍塌。（2）地球物理行動。首先，水平約束對層次的影響。地質(zhì)年齡越長，預(yù)測其內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)就越困難。不同方向的造山術(shù)，巖體礦物的改造等，會在多個方向造成一定的壓力。當(dāng)孔穿過此策略時，釋放的約束將穿過孔壁的固定約束，并且孔將發(fā)生崩潰。第二，它是地層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)因子。由于地下結(jié)構(gòu)的移動、局部板的彎曲、斷裂、上升或下降，導(dǎo)致不同部位粘土傾斜、穩(wěn)定性差、粘度和硬化速度不同，并對不同方向的鉆孔壁施加不同的橫向力。

2.工藝分析。盡管水文地質(zhì)很復(fù)雜，但也有相應(yīng)的技術(shù)方法來處理這些問題，因此經(jīng)常發(fā)生塌方事故，技術(shù)因素成為主要原因。技術(shù)因素主要包括地質(zhì)鉆探材料、鉆探工具和控制的影響。（1）鉆孔材料的影響。鉆井液具有加固鉆井壁的功能，是鉆井液中必不可少的材料。但是，鉆井液也與巖壁礦物發(fā)生物理化學(xué)相互作用，進而導(dǎo)致井壁坍塌。 （2）鉆井和控制工具的影響。首先，鉆具組合沒有標(biāo)準(zhǔn)化，例如螺旋離心機過多，鉆具直徑過大，使得鉆具與鉆具壁之間的間隙太小。向下鉆時會產(chǎn)生波動壓力，導(dǎo)致鉆壁不穩(wěn)定，并在振動作用下導(dǎo)致鉆孔坍塌事故。第二，鉆孔工具與鉆孔壁碰撞導(dǎo)致鉆孔坍塌。當(dāng)鉆孔工具傾斜且鉆孔旋轉(zhuǎn)速度太快時，會發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致鉆孔塌陷。第三，鉆孔壁質(zhì)量差，角度變化率高，會導(dǎo)致鉆削過程中應(yīng)力過度集中，導(dǎo)致頁巖集中結(jié)塊。這就是四井分流的問題。在鉆井過程中，如果不加以適當(dāng)控制，就會出現(xiàn)井眼偏差和其他問題，也會導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定和坍塌。

三、井塌的預(yù)防策略

1.合理有效密度。井壁失穩(wěn)的本質(zhì)是井壁的力學(xué)失穩(wěn)。影響力學(xué)的主要因素是鉆井液為維持地層壓力而形成的液柱壓力。當(dāng)井壁周圍巖石的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力之差達到一定值時，就會形成剪切破壞，從而導(dǎo)致井壁坍塌。此時鉆井液柱的壓力稱為井眼坍塌壓力。當(dāng)p泥< p崩時，井壁巖石必然會逐漸落入井內(nèi)。當(dāng)P泥 ≥P崩時，井壁會保持穩(wěn)定，對應(yīng)的鉆井液密度稱為防塌鉆井液密度。因此，保持井壁穩(wěn)定的技術(shù)關(guān)鍵是準(zhǔn)確掌握P崩，從而科學(xué)確定所用鉆井液的密度，使其P泥漿作用于井壁，有效平衡P崩。

2.井塌的周期性。經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重崩的時候，雖然會調(diào)整性能讓P泥> P崩，但是崩并不會馬上停止。只有當(dāng)鉆孔幾何形狀達到一定程度時，鉆孔中的應(yīng)力才會形成新的應(yīng)力平衡，坍塌現(xiàn)象才會消失。但是經(jīng)過一段時間的浸泡，P崩繼續(xù)上升，當(dāng)P泥小于P崩時，又會出現(xiàn)新一輪的崩。因此，避免坍塌的最佳方法是在坍塌周期內(nèi)完井。

3.預(yù)防水敏感型血吸蟲病。肉質(zhì)頁巖具有較強的親水性。污泥中的粘土和鹽含量越高，吸收水就越容易。乙基和氯氣含量越高，頁巖就越容易吸水、開裂和脫落，這是頁巖鉆井壁坍塌的物理原因。通過優(yōu)化鉆井液類型，通過物理化學(xué)方法抑制地層水合：（1）提高鉆井液抑制;（2）采用物理化學(xué)方法堵塞地層的鋰和斷裂，防止鉆井液泄漏進入地層;（3）提高濾嘴的性能，使其盡可能符合地層;（4）提高濾料粘度，降低HTHP和污泥餅的滲透性，盡量減少鉆井液進入地層的濾料量。

4.脆性頁巖的預(yù)防。硬脆性泥巖富含層理微裂縫和孔隙。在硬脆性泥頁巖地層鉆井時，鉆井液和濾液在鉆井液柱壓力和地層壓力的壓差作用下會滲透到裂縫中，使裂縫張開，大大減小裂縫面之間的摩擦，增加P崩。當(dāng)發(fā)生井塌時，需要增加鉆井液密度以增加P泥。密度越高，壓差越大，進入裂縫的鉆井液和濾液越多，P崩上升越大。從而導(dǎo)致密度增加和密度崩潰的嚴(yán)重現(xiàn)象。只有硬頁巖裂縫完全閉合，P泥漿才能起到平衡P崩、穩(wěn)定井壁的作用，提高密度才是有效的。因此，為了平衡P崩，首先需要進行有效的封堵。利用納米級剛性離子橋接硬脆性泥巖微裂縫，再填充可變形的封閉離子，可以有效封堵微裂縫，降低坍塌壓力的增加，維持合理的鉆井液密度，實現(xiàn)鉆井液柱壓力與坍塌壓力的平衡。

四、結(jié)語

總之，井噴事故的原因主要是地質(zhì)環(huán)境客觀因素和不合理的技術(shù)方法造成的。通過深入了解地質(zhì)變化對鉆井的作用機制和技術(shù)方法的缺陷， 應(yīng)掌握最基本的鉆井流體密度調(diào)整和施工期控制方法，以防止井噴事故，并根據(jù)不同的吸水量和巖層的脆弱性采取有針對性的預(yù)防措施。

參考文獻：

[1]張浩.地質(zhì)鉆探工程項目的風(fēng)險控制探析.2020.

[2]楊星星.淺析地質(zhì)鉆探工程中井塌事故的原因分析及預(yù)防策略.2019.