地质钻探工程中井塌事故的原因分析及预防策略

2021-11-30杨曙光

世界有色金属 2021年1期

张相，杨曙光

（新疆维吾尔自治区煤田地质局，新疆乌鲁木齐 830091）

我国是世界钻探技术的发源地，早在四千年前就有“黄帝穿井”的传说，秦朝时就开始了凿井取盐；在1835 年四川自贡出现第一口1001.42 米超千米的桑海深井，是中国钻井史上的丰碑。到了近代，钻井技术未能跟上世界发达国家的步伐，落后于西方国家。直到中华人民共和国成立，现代钻井技术开始逐渐发展，1949 年7 月，门头沟矿田试验钻孔，是新中国成立后的第一口井，随后，开始了地质钻探的发展历程。

地质钻探技术在地质调查、矿产勘察、工程地质勘察、地外行星地质科学研究方面都有最重要的技术应用，对包括延伸出的工程基础、隧道、地质灾害预防等都具有重要的技术参照意义[1]。

因此，地质钻探技术成为最重要的基础性应用技术，它支撑着国家基础建设、经济建设的发展。

1 井塌概述

地质钻探工程是一种隐蔽的地下工程，存在诸多不确定性和随机性，这主要是地下水文地质的变化较大，对于浅表面的探测较为容易，但对于超过数百米的深度，地质探测仅仅是对地层的预估及分析预判。这时候若因地质变化造成井内钻具故障、井眼坍塌等，可造成钻头严重的卡滞。

1.1 井塌的概念

地质钻探中，当钻头深入地下后，井壁岩土垮塌落入钻井液中，局部形成钻探空洞，井径扩大，这就是井塌。在实际钻探过程中，少量井壁岩土垮塌落入钻井液的现象并不少见，这可能会引起轻微的阻碍和卡滞现象，但并不影响扭矩，仍能正常钻进。这种情况一般不认为是井塌事故。因此，只有钻具在井筒内的运动受到严重阻碍，才能称之为井塌。

1.2 井塌的现象

当正处于钻进过程中，遇到井塌时，表现出钻头扭转力矩明显变大，出现憋车、跳车现象，泥浆泵泵压升高明显，这是岩屑积累挤压钻具带来的明显变化；特别是振动筛返回岩屑突然大量增加，岩屑尺寸变大，磨圆度有所降低，尤为一些处于岩体中的脆性地层，这种变化更加明显[2]。当井塌现象发生在钻具下放时，由于岩屑掉落钻孔内，缩小或堵塞钻孔，钻具下放会遇到明显较大阻力。

在井塌现象持续发生过程中，要停止钻井必须锁定转盘，否则因为岩屑积累较多的重力影响，有可能带动钻具倒转，并且在上提钻具时阻力增大，这都有可能是发生井塌现象。

1.3 井塌事故的影响。

一般井塌问题不易解决，在发生井塌问题后，按照井塌和对工程影响程度，如果采取正确的措施比滞后处理要相对容易，这就考验司钻人员的临机处置能力，操作能力，这需要大量的经验积累，可以解决；对于严重的井塌事故，很难解决，经过反复操作，有可能造成井塌越发严重，最终可能造成全井的报废，耗费数月乃至数年的时间精力，损失数千万资产。因此，井塌事故的影响非常巨大。

2 井塌事故原因分析

造成井塌事故的原因非常多，有地质因素、工艺因素、人为因素和管理因素等，发生井塌事故往往是多种因素的综合影响问题，但要从根本上对问题进行预防和解决，还要从主要的地质和工艺因素方面进行分析。

2.1 地质因素

（1）矿物质的化学作用。一是泥页岩中的矿物质作用。泥页岩中含有大量的粘土矿物，如在新疆昌吉硫磺沟四矿区井田钻孔施工中，蒙脱石矿、伊利石矿、高岭石矿、绿泥石矿，方解石矿等矿物质吸水后会发生膨胀，进而产生压力导致超过了井壁板结强度，就会发生坍塌。其中蒙脱石矿的吸水膨胀率达到90%以上，其他矿物质也同样具有很大的膨胀率。由此可见，当土层中含有的矿物质含量越多，尤其是吸水膨胀的矿物质含量越高，如果不加以抑制，就越有可能发生坍塌。二是可溶性盐的作用。页岩中如果含有大量的可溶性盐，可能会在钻井液中溶解，从而使得页岩支撑力减弱，进而造成井塌。

（2）地质物理作用。一是地层水平应力的作用。地质年代越发久远，其内部的地质结构越难以预测，各种方向的造山运动，岩体矿物转化等，都会造成某一点受到多个方向应力，一旦钻头通过该处地层时，应力释放突破井壁的固结稳定应力，就会发生井塌。二是地层的构造状态因素。由于地下构造发生运动，局部会发生板块褶皱、断裂，上升或下降，导致了地层倾斜，稳定性变差，各部位粘土的粘性、板结速度均不同，钻井过程中，对井壁的侧向力从各个方向施加不同。三是高压油气层的影响。例如，在新疆天山东部哈密野马泉一带，矿区地层受造山构造运动影响较大，钻穿这样的成岩层后，应力释放所产生的掉块垮塌明显。砂岩油气层压力较大，钻探深入后，破坏地层交界面结构，有可能在地层交界处的井壁位置出现崩塌。如在新疆轮台阳霞卫东冲沟矿区钻孔施工中，常要应对这种情况的垮塌。四是地层的侧压力及温度因素。地层天然存在侧压力，当地层越深入压力越大，另外，温度对于压力的影响也非常大，超过3 千至5 千米，温度还可能对蒙脱石矿等矿物质进行转化，造成压力变化。这些都会造成井壁侧向力的变化。一旦超过侧壁板结应力，都会发生矿井坍塌。

2.2 工艺因素分析

尽管水文地质复杂，但也存在对应的工艺方法进行应对，所以往往发生井塌事故，工艺因素就成了主要原因。工艺因素主要包括地质钻探用料、钻具及控制方面的影响。

（1）钻井用料方面的影响。钻井液有着固结井壁的作用，是钻探中必不可少的材料。但钻井液也存在与岩壁中矿物质发生物理及化学作用，反过来发生井塌问题。这是因为前面讲过的岩层中矿物质本身具有吸水膨胀的因素，以及高温作用下钻井液与岩层中矿物质也会发生化学作用所造成，这只能通过对钻井液的不断调节进行抑制而无法有效消除。

（2）钻具及控制的影响。一是钻具的组合不规范。例如，螺旋扶正器过多而钻铤直径过大，造成钻具与井壁之间的间隙过小，当向下钻进时，产生波动压力，震荡作用下导致井壁失稳，发生井塌事故。二是钻具碰撞井壁引起的井塌问题。在钻具卸扣、钻进回转转速过快都会发生碰撞，造成井塌。三是井壁质量不佳，角变化率大，这会造成钻进过程中，应力过于集中，导致页岩集中剥落。四是井斜问题，在钻进过程中，控制不好会发生井斜等问题，同样会造成井壁失稳坍塌。

3 井塌事故预防策略

3.1 合理的钻井液密度

维持钻进过程中井壁的稳定，最基本的就是要保证在钻进过程中有足够的横向力支撑地层，防止地层坍塌。在钻进过程中压力主要依靠钻井液来形成，例如新疆巴里坤三塘湖汉水泉矿田普查钻孔钻遇深部1#脆碎矿组，如果钻井液密度低于1.06g/cm2以下，矿层极易发生塌垮。因此，最基本的预防方式，就是要维持钻井液的密度，让其密度大于地层中井壁出露的物质密度，从而避免井壁坍塌问题。因此，要测定井壁处岩层的压力，改变对应的钻井液密度，形成足够的支撑力。这也是钻井液最基本的原理应用。

3.2 合理的钻探工期控制

钻井液对井壁的支撑作用有一定的渗透性和吸收性，这在前面的原因分析中已讲述。但在作用过程中，当垮塌发生前，钻井液的压力会小于岩层压力造成垮塌，但在调整了钻井液压力后，垮塌并不会完全停止，而会逐渐与钻井液达到平衡并形成坚固的岩壁护层，垮塌现象逐渐消失。因此，实际上井塌在一定时间内具有周期性，为了避免井塌事故，尽量在一个井塌周期内完成钻探工作也是一种避免发生井塌事故的办法。

3.3 针对地质性质的预防措施

对于泥页岩中吸水膨胀率较大矿物质情况，在前面已经讲过其作用机理。要选择合适的方法，一是要提高滤液的粘度，降低HTHO 和泥饼的渗透率，减少滤液侵入地层；二是封堵地层的层间裂缝，防止滤液侵入地层。对于泥页岩中脆性较大的情况，其岩层存在微孔和裂隙。在钻具侵入地层后，钻井液会顺着微孔和裂隙侵入岩层，进而使得岩层易于滑动，同时增大了岩层的压力，产生井塌的危险。为此，一方面可以采取纳米级刚性粒子和变形粒子相互配合对脆性页岩层的微孔、缝隙进行封堵，降低钻井液渗入量。另一方面，合理维持和增加钻井液密度，维持压力，使得钻井液压力略大于岩层压力。一般可以两种方法同时使用。