地质钻探工程中井塌事故的原因分析及预防策略

付连栋

摘  要：钻探技术在地质研究、矿物勘探、地质工程和地球外行星地质研究中具有最重要的技术应用，对于大型工程基础、隧道、地质灾害预防等具有重要的技术参考意义。因此，地质钻探技术已成为支持国家基础设施发展和经济建设的最重要的基本应用技术。

关键词：地质钻探;井塌;原因分析;预防策略;

引言  地质钻探是直接获取地下物理信息的唯一技术手段。这是一种基本的多学科验证方法，具有很高的应用价值。然而，其成本很高，受地质和环境因素的影响很大。如果处理方法不正确，将发生重大事故，尤其是坍塌事故，从施工延误到废弃井。因此，在地质钻探工程中，有必要分析坍塌的原因，研究减少坍塌的预防措施。

一、井塌的概述

1.井喷的概念。在地质上，当森林深入地渗入土壤时，钻洞壁的岩石和土壤会坍塌，落入钻井液中，在局部形成钻洞，并扩大钻洞直径，即所谓的钻洞塌陷。在实际钻探过程中，少量的岩土和钻探壁坍塌成钻井液并不少见，这可能会造成轻微的堵塞和停滞，但这对夫妇没有影响，始终可以正常钻探。这种情况一般不被视为井喷事故。因此，只有当钻井工具在钻井中的移动受到严重阻碍时，才能称之为井喷。

2.井喷现象。 特别是振动筛返回的岩石碎片突然显着增加，岩石碎片变大，吸湿器减少，特别是在岩石质量的某些断裂地层中，这种变化更加明显。当钻孔工具下降时发生孔折缝时，下降的钻孔工具会因钻头落入钻孔、缩小或堵塞钻孔而产生较大的阻力。在连续的钻洞塌陷过程中，必须锁定转台才能停止钻孔，否则，由于钻头积聚所造成的重力影响，钻孔工具可能会反转，并且在钻具隆起时强度会增加，这可能会导致坍塌。

二、井塌事故原因的分析

1.地质因素。（1）矿物的化学作用。一个是页岩中的矿物。页岩里有很多粘土矿物例如，在某矿区的钻井施工中，蒙脱土、伊利石、高岭土、氯气、石灰石等矿物吸水后会膨胀，然后压力会超过钻洞壁的硬化强度，导致坍塌。其中蒙脱石的膨胀率达到90%以上，其他矿物的膨胀率也很高。可以看出，如果土壤中的矿物含量较高，特别是吸收水而膨胀的矿物含量较高，如果不加以保留，则更有可能崩溃。第二，这是可溶性盐的功能。页岩若含有大量可溶性盐，可溶解于钻井液中，会削弱页岩的支撑力，导致井壁坍塌。（2）地球物理行动。首先，水平约束对层次的影响。地质年龄越长，预测其内部地质结构就越困难。不同方向的造山术，岩体矿物的改造等，会在多个方向造成一定的压力。当孔穿过此策略时，释放的约束将穿过孔壁的固定约束，并且孔将发生崩溃。第二，它是地层的结构状态因子。由于地下结构的移动、局部板的弯曲、断裂、上升或下降，导致不同部位粘土倾斜、稳定性差、粘度和硬化速度不同，并对不同方向的钻孔壁施加不同的横向力。

2.工艺分析。尽管水文地质很复杂，但也有相应的技术方法来处理这些问题，因此经常发生塌方事故，技术因素成为主要原因。技术因素主要包括地质钻探材料、钻探工具和控制的影响。（1）钻孔材料的影响。钻井液具有加固钻井壁的功能，是钻井液中必不可少的材料。但是，钻井液也与岩壁矿物发生物理化学相互作用，进而导致井壁坍塌。 （2）钻井和控制工具的影响。首先，钻具组合没有标准化，例如螺旋离心机过多，钻具直径过大，使得钻具与钻具壁之间的间隙太小。向下钻时会产生波动压力，导致钻壁不稳定，并在振动作用下导致钻孔坍塌事故。第二，钻孔工具与钻孔壁碰撞导致钻孔坍塌。当钻孔工具倾斜且钻孔旋转速度太快时，会发生碰撞，从而导致钻孔塌陷。第三，钻孔壁质量差，角度变化率高，会导致钻削过程中应力过度集中，导致页岩集中结块。这就是四井分流的问题。在钻井过程中，如果不加以适当控制，就会出现井眼偏差和其他问题，也会导致井壁不稳定和坍塌。

三、井塌的预防策略

1.合理有效密度。井壁失稳的本质是井壁的力学失稳。影响力学的主要因素是钻井液为维持地层压力而形成的液柱压力。当井壁周围岩石的切向应力和径向应力之差达到一定值时，就会形成剪切破坏，从而导致井壁坍塌。此时钻井液柱的压力称为井眼坍塌压力。当p泥< p崩时，井壁岩石必然会逐渐落入井内。当P泥 ≥P崩时，井壁会保持稳定，对应的钻井液密度称为防塌钻井液密度。因此，保持井壁稳定的技术关键是准确掌握P崩，从而科学确定所用钻井液的密度，使其P泥浆作用于井壁，有效平衡P崩。

2.井塌的周期性。经常发生严重崩的时候，虽然会调整性能让P泥> P崩，但是崩并不会马上停止。只有当钻孔几何形状达到一定程度时，钻孔中的应力才会形成新的应力平衡，坍塌现象才会消失。但是经过一段时间的浸泡，P崩继续上升，当P泥小于P崩时，又会出现新一轮的崩。因此，避免坍塌的最佳方法是在坍塌周期内完井。

3.预防水敏感型血吸虫病。肉质页岩具有较强的亲水性。污泥中的粘土和盐含量越高，吸收水就越容易。乙基和氯气含量越高，页岩就越容易吸水、开裂和脱落，这是页岩钻井壁坍塌的物理原因。通过优化钻井液类型，通过物理化学方法抑制地层水合：（1）提高钻井液抑制;（2）采用物理化学方法堵塞地层的锂和断裂，防止钻井液泄漏进入地层;（3）提高滤嘴的性能，使其尽可能符合地层;（4）提高滤料粘度，降低HTHP和污泥饼的渗透性，尽量减少钻井液进入地层的滤料量。

4.脆性页岩的预防。硬脆性泥岩富含层理微裂缝和孔隙。在硬脆性泥页岩地层钻井时，钻井液和滤液在钻井液柱压力和地层压力的压差作用下会渗透到裂缝中，使裂缝张开，大大减小裂缝面之间的摩擦，增加P崩。当发生井塌时，需要增加钻井液密度以增加P泥。密度越高，压差越大，进入裂缝的钻井液和滤液越多，P崩上升越大。从而导致密度增加和密度崩溃的严重现象。只有硬页岩裂缝完全闭合，P泥浆才能起到平衡P崩、穩定井壁的作用，提高密度才是有效的。因此，为了平衡P崩，首先需要进行有效的封堵。利用纳米级刚性离子桥接硬脆性泥岩微裂缝，再填充可变形的封闭离子，可以有效封堵微裂缝，降低坍塌压力的增加，维持合理的钻井液密度，实现钻井液柱压力与坍塌压力的平衡。

四、结语

总之，井喷事故的原因主要是地质环境客观因素和不合理的技术方法造成的。通过深入了解地质变化对钻井的作用机制和技术方法的缺陷， 应掌握最基本的钻井流体密度调整和施工期控制方法，以防止井喷事故，并根据不同的吸水量和岩层的脆弱性采取有针对性的预防措施。

参考文献：

[1]张浩.地质钻探工程项目的风险控制探析.2020.

[2]杨星星.浅析地质钻探工程中井塌事故的原因分析及预防策略.2019.