地质钻探施工中孔塌事故的原因及预防方法

侯向科

（甘肃省地质矿产勘查开发局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741000）

地质钻探工作是相关地质勘察部门发掘煤炭资源和矿产资源以及开展相关的地质科学勘察工作的一项基础性技术，应用该技术不仅可以充分获取地层的实质物质资料，同时也可以分析某区域的地层信息，该技术非常关键。和其他的地质勘探工程对比可知，钻探工作无论是成本耗费还是勘探周期和勘探风险性都比较高。同时，考虑到该工作属于隐蔽地下的工程作业，往往存在一些地质结构比较脆弱和复杂的地层情况，由此增大了勘探风险，稍有不慎就会诱发孔内事故。一旦出现孔内事故之后必然会影响整体的钻井作业流程，延长工程项目周期，也会增加不必要的勘探成本费用。

1 地质钻探孔内事故趋势简析

我国是世界上钻井技术的发祥地，四千多年前就已有“黄帝穿井”之说，而秦代已有开凿井取盐的历史[1]；1835年，四川自贡首次发现了一座高达1001.42米的深水井，这是中国钻井历史上的一座里程碑。到了现代，我国的钻井技术已不能与发达国家相适应，与国外的差距越来越大。中华人民共和国成立以后，近代钻探技术才逐步发展起来，1949年7月，在北京门头沟矿区进行了一次试钻，这是新中国建国以来首次使用的钻井[2]。

地质钻探技术在地质调查、矿产勘查、工程地质勘察、地外行星地质等领域有着重大的应用价值，对工程基础、隧道、地质灾害防治等技术领域的应用都有很大的参考价值。

结合大量的案例进行分析可知，随着地质钻孔深度的不断增加结合应用范围的不断拓宽，一些埋藏较浅的资源越来越少，由此导致地质钻孔的深度数值在不断增加，当前， 多部门针对高原、海上等特殊地区的钻探工作数量增多，该区域通常会产生地质状况相对繁杂以及地应力变化比较显著等特点。举例来说，在高原地区进行钻探的是否，往往会遇到很多低温冻土层，由此增加了钻探孔内事故发生概率。

同时，随着钻孔深度的不断增加以及地层数值的增加，在钻孔的过程中，洞内套管的级数也在不断增加，这样不仅大幅增加了钻探成本费用，同时与日俱增的孔内事故处理费用也让很多单位开始尝试调整钻探方向。

当前，在钻探工程项目之中，孔内钻柱的类型也发生了一定程度的变化，常见的铝合金钻杆以及高钢级钻杆成本费用高昂，一旦发生钻具事故，如果不及时有效处理，很有可能会导致钻杆报废。同时，在当前的钻孔工程项目之中，直径比较小的孔底动力钻数量在的增加在一定程度上增加了孔内事故的处理难度，这类钻具发生事故往往比较难以处理[3]。

由于化学冲洗液用量的增大，使用强度较高的钢管，造成钻杆腐蚀和疲劳加剧，从而提高了钻杆的事故机率。

此外，新的孔内事故处置设备种类的增加，例如导向绕障工具、套管开窗工具、事故探测工具等，使事故处理方法更加丰富，但也存在诸多局限性，在地质钻探特别是小口径岩芯钻探中应用尚需时日。

最后，由于预算限额过低，以及恶性竞争的限制，使得深井钻井成本相对较低，这就使其在进行钻井设计以及作业过程中的安全重视度不够。就当前来说，我国石油钻井工程的安全储备系数相对很高，其施工思想是“以人为本、以安全为先”的原则。而地质钻探就不同了，激烈的市场竞争促使人们愿意冒险，以小博大，孤注一掷。如果遇到比较复杂的地层，就会发生很多意外[4]。

由于没有专业的钻孔事故防治技术规范，各专业的钻孔作业人员管理水平较低，目前井下事故的处理仍以经验为主。有些机台在出现井下意外时，不能果断、正确地处理，反而犹豫不决，没有采取措施，错过了最佳的时间，使原本比较简单的事故变得更加复杂。

2 孔塌概述

孔塌是在钻井作业钻破地层后，由于地层受地应力等多种因素的作用，使孔壁内的岩体坍塌，使部分孔段发生埋塞。在实际工作中，一般有两种情况，一种是孔壁有少量的岩层坍塌，钻机在钻进过程中会遇到一些阻力，但不会对钻井作业造成任何影响，这在钻井中是很普遍的。二是孔壁崩塌，形成数十米、数百米的孔洞，对钻井作业产生阻碍，导致孔塌。

孔塌后，可以观察到许多不同的情况，首先是孔内的上返岩屑的变更，这在很大程度上体现在岩屑的岩性、数量和大小等层面，岩性出现了诸多和施工没有联系的岩屑，岩屑的数量相对很多，岩屑的大小也相应的增加，在硬脆性地层中尤为突出。随着孔塌的继续，崩塌的碎石将会堆积在钻头上，由此导致钻孔中钻具的扭力也会逐渐上升。

3 孔塌事故原因分析

针对地质钻探期间的孔塌事故，在很大程度上受到多因素的影响，在此之中，和岩层性质以及结构的联系较为紧密，其次工艺的成熟与否在很大程度上决定了施工是否顺利。所以，为了防止孔塌事故的出现，此时就要进一步研究孔塌的各方面因素[5]。

3.1 岩石自身性质因素

在沉积岩中常常会产生一系列极易塌陷的岩石，比如说砾岩、砂岩、泥页岩以及玄武岩等等，考虑到沉积环境、岩石自身的矿物成分以及埋藏周期等因素，这就极易产生崩塌问题。对于玄武岩而言，一旦岩浆进入地层，那么因为温度降低，岩浆冷却，体积遇冷紧缩，这就会使得其组织特性出现一定程度改变，出现了许多裂缝，裂缝难以填补，因此结构比较不稳定；泥页岩的矿物含量对其性能有很大的影响，粘土矿物占20%～30%，不同矿物的特征也各不相同，如果以蒙脱石为主，那么它的吸水性和膨胀率可以达到80%，这类黏土很容易吸收水分，从而引起黏土的压力升高，从而引起塌陷；此外，泥质是一种含有微孔的岩体，当其形成时，由于温度、湿度、压力等因素的作用，将原来的黏结水渗透出来，变成了一种流动的水，由于地层的密闭，使其无法排泄，因此在孔隙中产生了压力。在钻井过程中，冲洗液的液柱压力和地层孔压的不同会引起不同的影响。除了以上提到的岩石，其他类型的岩体由于其自身的性质或者遭到周边环境因素的影响，在地质勘探中出现了一系列坍塌的问题[6]。

3.2 地质物理因素

地球是由其自身的能量所驱动的庞大的能源体，地壳常常处在逐步移动以及变动之中，上述能量分布在各个区域，同时产生了多种多样的构造应力，如果上述应力能量很低的时候，它们就会被储存在岩层中，并不会对岩层的结构造成任何影响，但是在钻井过程中，由于钻头的刺激性，导致地层的应力超出了岩层的强度，导致岩层破裂，进而导致孔塌。高压油气层同样是重要因素之一，在高压油气层的上层一般包括泥质页岩，而泥页岩的压力比高压油气层要小，钻进地层后，由于压力差的原因，导致了井壁的坍塌[7]。

3.3 冲洗液液柱压力因素

在钻井过程中，液柱压已经成为施工现场技术工作者务必要把控的一环，以确保液柱压力和周边岩石压力之间的平衡，以确保岩石不会因为压力差而崩塌。高浓度的冲刷液可以有效地增加孔壁的支撑能力，但因为受到压力方面的影响，这就使得液柱压力相对较大，四周岩石压力较小，所以，流体会从较高的位置流向较低的位置。

3.4 钻孔用料因素

在钻孔作业过程中，冲洗液是必要的材料之一，冲洗液具有可以加固孔壁的作用，但目前使用的冲洗液多为化学材料，很容易与岩石中的矿物发生化学反应，矿物吸收水分后膨胀，从而导致岩石在吸收水分后膨胀，从而导致崩塌。同时，在钻井过程中，由于温度因素的影响，冲洗液与矿物间的化学反应也会引起坍塌，而在钻井过程中，冲洗液是必不可少的材料，因此，如果想要有效预防孔塌事故发生，所以必须对冲洗液中的化学成分进行调整，这样可以从根源上预防孔塌事故产生。

3.5 钻具不当因素

在钻井施工中，要求钻具的组合应统一，尤其是螺杆式扶正机，应尽可能地选择适当的螺杆类型，否则会对钻具和孔壁的空隙造成不利的影响。在钻井过程中，钻具的振动很大，由于空隙很小，会引起孔壁的强烈振动，导致孔洞崩塌。

3.6 其他因素

除了以上几个方面之外，孔内的孔洞质量同样是导致孔塌的重要因素，孔内的质量差就会使得大量的岩体剥落，进而引发孔塌。在钻井期间，如果不能很好地控制钻具，很有可能会产生孔倾斜，从而导致井崩。

4 地质钻探孔内复杂情况种类梳理

4.1 钻孔出现漏失或者涌水问题

受到地层压力异常方面的影响，裂隙溶洞发育，使得冲洗液渗漏；或者因为受压地下水流入孔内、涌（喷）孔而使钻井工作无法进行。

4.2 钻孔呈现弯曲态势

因地层、工艺等原因，造成钻井轨道弯曲，使钻井质量达不到要求，或造成钻井回旋阻力增大，钻杆经常断裂，使钻井工作难以进行。

4.3 孔内温度异常

由于地面温度太高，一般的冲洗剂无法使用，或者无法采用传统的钻孔（动力）钻孔工具，会对正常的钻井工作造成影响和干扰。这种现象经常发生在高温岩浆和干热岩层的钻孔、深部地热和超深井中。在地下温度为0℃以下的永冻层、冻土层、极地钻井时，常规钻井中会出现回冻缩径、钻具冻结等复杂条件，从而影响钻井的正常钻井。

4.4 出现钻孔缩径或者扩径现象

在水敏地层中，遇到水膨胀时，容易出现孔眼收缩现象，造成冲洗液循环压力异常上升、“急速攀升的”控内压力可能会使得地层下渗，在情形严峻的时候，还会使其产生卡钻等问题；在水敏、水化、水溶、松散及其他不平稳地层之中，钻进过程中经常出现钻头断裂现象，造成钻柱断裂，在很大程度上引发冲洗液的循环排渣，使得沉渣卡钻、埋钻，威胁到钻井工作的顺利进行。

4.5 钻孔坍塌或者阻滞现象

在水敏地层中松散、破碎及其他不稳定的地层内部，孔壁极易坍塌、落块，在下钻期间极易出现阻塞，使得孔内出现安全隐患，进而威胁到钻井工作地稳步进行。

4.6 孔内沉渣

考虑到孔内岩粉、钻屑相对较多，或者地层流砂、涌砂沉淀在孔底部，会对钻井工作造成不利的影响。

4.7 孔内异物

钻遇非岩性地层中的外来物质，或者是因为钻孔中有孔洞，造成无法正常钻井。

4.8 其他孔内异常

其它繁琐的钻孔环境，比如说地层蠕变、高地应力、溶洞等等，会使钻井工作无法进行。此外，一些非常规复杂地层，比如说，放射性地层、海洋珊瑚礁等，也可归入这一范畴。

5 孔塌事故的预防措施分析

要想防止这种情况，必须从根本上解决问题，从根本上找出问题的根源，并针对问题提出相应的防治对策，并注重实践联系实际，把理论和实践相结合[8]。在能控制的情况下，尽可能地进行安全的控制，而在不能确定的情况下，比如地层的特性，则要采取最佳的措施，防止发生孔洞坍塌。

5.1 选择合适的冲洗液密度

合适的冲洗液浓度是钻进工程施工中的关键，必须尽量控制。在钻井时，为了保证地层的稳定，必须最大限度确保冲刷液和井壁之间的压力平衡，二者之间的压力差不能太大，所以要科学、精确地把握井筒内的岩石压力，然后再控制钻进过程所用的冲洗液的浓度，保证两种介质的压力是一样的，不会出现压差。根据岩石中矿物的高含量，可以通过在冲洗液中添加合适的矿物成分，通过增加洗涤剂中的矿物质，以达到与洗涤剂中矿物含量相近的目的，从而有效地减少了孔壁上的含水率和孔压，增加了泥浆的强度，保持了孔壁的稳定。

5.2 保持冲洗液液柱压力

要实时控制冲孔中的冲洗量，如果冲淋量减少，就会造成压差下降，造成空洞事故。所以要经常留意喷嘴中的冲洗量。在起钻过程中，必须不断地或定时地将冲刷液体喷入孔中，以保证井口液体表面处于某一水平；在停机的时候，还要留意井口的液面，考虑到其受渗透压方面的影响，液面降低，因此要尽最大程度地观察孔内的液面，同时维持冲洗液的压力。

5.3 控制钻探工期

冲洗液对地层的渗透作用是持久的，孔塌的形成是循序渐进的过程。在钻井前期，灌浆渗透率相对较大，施工工作者要密切关注液位，因此虽然渗透率很高，但仍能在第一时间补充灌浆，到中后期，渗透率依然平稳，崩塌现象渐渐消失，这是一个周期现象[9]。

5.4 针对地质性质进行预防

地质条件是千百万年来形成的，不受人为因素干扰而改变，同样也不会因钻探人员的钻进工程而发生改变。但是可以根据具体的地质条件来制定有效的预防孔塌对策。通过对岩体的吸水性和膨胀性等影响因素进行研究，可以使滤液的黏性增大，使泥浆的渗透性降低。考虑到地质方面因素的变化，此时地层出现了一定的裂缝，从而导致了岩体的不稳定。

5.5 预防地质灾害

在地质钻探工程中，极易产生一些地震等条件。小型地震在地面上很难被发现，而在深层，则会产生较大的能量和幅度，因此，在这种小地震的作用下，深层的岩石会因强烈的震动而坍塌。所以，在施工现场要做好地震监测工作，并配备一台地震探测器，一旦发现有轻微的地震，就应立即停止工作，避免意外。

5.6 规范机械操作

施工工作者应该仔细进行机械作业，同时还需要注意在开泵过程中，不能太快，下钻过程中要适度，避免钻头对地层的撞击，加快钻进速率，缩减工程周期，从而防止井塌。

5.7 合理地钻探工期控制

在之前的成因分析中，钻井液对井壁的支撑具有一定的渗透和吸收能力。但是，在崩塌之前，由于钻井液压力比地层压力小，导致崩塌，但随着钻井液压力的调节，崩塌并没有结束，而是会与钻井液逐渐趋于平衡，形成坚实的岩壁保护，崩塌的情况也就慢慢地过去了。因此，在某一时期内，井崩是一种周期性现象，为防止井崩，应尽可能在一个井崩周期内进行钻井作业，以防止井崩事故。

5.8 针对地质性质的预防措施

黏土页岩中的矿物吸水率高，其作用机制在上文中已有论述。选择适当的过滤工艺，首先要增加过滤液的黏度，减小 HTHO和泥浆的渗透性，减少渗透性；同时要对层间裂缝进行封闭，以阻止渗透。在黏土页岩中，易碎时，岩石中会出现细小的孔洞和裂缝。钻具进入地层后，钻井液通过微小的孔隙、裂缝侵入，从而导致岩体容易发生滑移，从而增加了岩石的压力，从而导致井崩。因此，可以采用纳米刚性颗粒与变形颗粒协同作用，封堵脆性页岩层的微孔、缝隙，减少钻井液的渗透。同时，要保持和提高钻井液的浓度，保持压力，使钻井液的压力稍高于地层压力。通常情况下，有两种方式可以同时进行。

6 结语

孔塌是钻井施工中最普遍的问题，文章对孔塌产生的原因进行了分析，并对解决孔塌的对策进行了探讨。