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(duì)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(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展和經(jīng)濟(jì)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(yàn)證方法，具有很高的應(yīng)用價(jià)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(shí)，鉆洞壁的巖石和土壤會(huì)坍塌，落入鉆井液中，在局部形成鉆洞，并擴(kuò)大鉆洞直徑，即所謂的鉆洞塌陷。在實(shí)際鉆探過(guò)程中，少量的巖土和鉆探壁坍塌成鉆井液并不少見(jiàn)，這可能會(huì)造成輕微的堵塞和停滯，但這對(duì)夫婦沒(méi)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(dòng)受到嚴(yán)重阻礙時(shí)，才能稱之為井噴。

2.井噴現(xiàn)象。 特別是振動(dòng)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(shí)發(fā)生孔折縫時(shí)，下降的鉆孔工具會(huì)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(guò)程中，必須鎖定轉(zhuǎn)臺(tái)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(huì)反轉(zhuǎn)，并且在鉆具隆起時(shí)強(qiáng)度會(huì)增加，這可能會(huì)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(gè)是頁(yè)巖中的礦物。頁(yè)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(huì)膨脹，然后壓力會(huì)超過(guò)鉆洞壁的硬化強(qiáng)度，導(dǎo)致坍塌。其中蒙脫石的膨脹率達(dá)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(yè)巖若含有大量可溶性鹽，可溶解于鉆井液中，會(huì)削弱頁(yè)巖的支撐力，導(dǎo)致井壁坍塌。（2）地球物理行動(dòng)。首先，水平約束對(duì)層次的影響。地質(zhì)年齡越長(zhǎng)，預(yù)測(cè)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(huì)在多個(gè)方向造成一定的壓力。當(dāng)孔穿過(guò)此策略時(shí)，釋放的約束將穿過(guò)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(dòng)、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(duì)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(lái)處理這些問(wèn)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(jìn)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(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，例如螺旋離心機(jī)過(guò)多，鉆具直徑過(guò)大，使得鉆具與鉆具壁之間的間隙太小。向下鉆時(shí)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)壓力，導(dǎo)致鉆壁不穩(wěn)定，并在振動(dòng)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(shí)，會(huì)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(huì)導(dǎo)致鉆削過(guò)程中應(yīng)力過(guò)度集中，導(dǎo)致頁(yè)巖集中結(jié)塊。這就是四井分流的問(wèn)題。在鉆井過(guò)程中，如果不加以適當(dāng)控制，就會(huì)出現(xiàn)井眼偏差和其他問(wèn)題，也會(huì)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?chē)鷰r石的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力之差達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)形成剪切破壞，從而導(dǎo)致井壁坍塌。此時(shí)鉆井液柱的壓力稱為井眼坍塌壓力。當(dāng)p泥< p崩時(shí)，井壁巖石必然會(huì)逐漸落入井內(nèi)。當(dāng)P泥 ≥P崩時(shí)，井壁會(huì)保持穩(wěn)定，對(duì)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(shí)候，雖然會(huì)調(diào)整性能讓P泥> P崩，但是崩并不會(huì)馬上停止。只有當(dāng)鉆孔幾何形狀達(dá)到一定程度時(shí)，鉆孔中的應(yīng)力才會(huì)形成新的應(yīng)力平衡，坍塌現(xiàn)象才會(huì)消失。但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的浸泡，P崩繼續(xù)上升，當(dāng)P泥小于P崩時(shí)，又會(huì)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(chóng)病。肉質(zhì)頁(yè)巖具有較強(qiáng)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(yè)巖就越容易吸水、開(kāi)裂和脫落，這是頁(yè)巖鉆井壁坍塌的物理原因。通過(guò)優(yōu)化鉆井液類(lèi)型，通過(guò)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(jìn)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(jìn)入地層的濾料量。

4.脆性頁(yè)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(yè)巖地層鉆井時(shí)，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(huì)滲透到裂縫中，使裂縫張開(kāi)，大大減小裂縫面之間的摩擦，增加P崩。當(dāng)發(fā)生井塌時(shí)，需要增加鉆井液密度以增加P泥。密度越高，壓差越大，進(jìn)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(yè)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(jìn)行有效的封堵。利用納米級(jí)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(shí)現(xiàn)鉆井液柱壓力與坍塌壓力的平衡。

四、結(jié)語(yǔ)

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(guò)深入了解地質(zhì)變化對(duì)鉆井的作用機(jī)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(duì)性的預(yù)防措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]張浩.地質(zhì)鉆探工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)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.