石 逊

（河北省地矿局第九地质大队，河北 邢台 054000）

1 孔塌概述

孔塌是指地质钻探施工钻开地层后，地层受到地应力等各种因素影响，孔壁岩石塌落进入到钻孔中，导致钻孔局部孔段被埋堵的现象。实际操作过程中，一般可见到两种情况，一种情况是孔壁少量的岩石塌陷，钻探过程中钻具起下过程中可能会轻微遇阻，但并不会影响正常的钻探施工，这类情况在钻探过程中极为常见[1]。另一种情况是孔壁岩石大量塌陷，造成几十甚至上百米孔段的埋堵，影响钻探施工，孔内钻具严重受阻，不能正常起下活动，这便是孔塌。

孔塌时可观察到多种现象，最先出现的便是孔内上返岩屑的变化，这表现在孔内返回岩屑的岩性、数量和尺寸上，岩性会出现不是正在施工层位的岩屑，岩屑数量有明显增加，岩屑的尺寸也相对增大，这种变化突出的表现在硬脆型地层中。当孔塌持续进行时，越来越多的坍塌岩屑将会堆积阻滞钻头，会出现憋车、跳车现象，孔内钻具的扭转力矩明显变大。

2 孔塌事故原因

对于地质钻探过程中的孔塌事故可由多种原因造成，其中与岩层性质和结构关系最为密切，其次工艺的成熟与否也严重影响着施工过程是否顺利。因此，为避免孔塌事故的发生必须认真研究影响孔塌的相关因素。

2.1 岩石自身性质因素

沉积岩中可常见到易塌陷的岩石，例如砾岩、砂岩、泥页岩、石灰岩、玄武岩等，这些岩石受到沉积环境、岩石自身矿物组成以及掩埋时间的影响，较容易出现塌陷。以玄武岩而言，在岩浆侵入地层后，由于温度降低，岩浆冷却，体积遇冷收缩，这使得其结构性质发生改变，产生大量裂纹，这些裂纹很难得到较好的填充，故结构相对不稳定；泥页岩中的矿物质对其性质有着重要影响，泥页岩中含有20%～30%的粘土矿物，不同矿物质具有不同的特性，若粘土的主要成分是蒙脱石,蒙脱石吸水膨胀率可到80%，因而此类粘土非常容易吸水膨胀，使得粘土压力增高，导致孔塌发生；除此之外，泥页岩是一种具有孔隙的岩石，在它形成岩石的过程中，受到温度、湿度、压力的影响，使原本粘土中的结合水渗出，成为流动的水，封闭的地层环境使得这些水不能排出，从而在孔隙中形成高压[2]。在钻孔时，由于冲洗液液柱压和地层孔隙压力的差异，会产生相应的变化。除上述岩石外，其他类型的岩石也会因自身特性或受环境因素影响，在地质钻探过程中，有发生孔塌的危险。

2.2 地质物理因素

地球是一个巨大的能量体，受到其内部能量的作用，地壳一直处于运动变化中，这些能量存在于不同部位，同时形成不同的构造应力，当这些构造应力能量较小时，它以潜能的方式存储在岩石中，不会对岩层结构产生影响，但当地质钻探工程进行时，钻头会对岩层产生刺激，使得构造应力超过了岩层本身强度，岩层将会发生断裂，从而发生孔塌。高压油气层也是一种重要的影响因素，高压油气层上部一般为泥页岩，泥页岩相对于高压油气层来说压力较小，当钻探钻入地层后，由于压力差的存在，会使得该部位孔壁发生塌陷。

2.3 冲洗液液柱压力因素

在钻探过程中，冲洗液液柱压力是现场技术人员必须严格控制的一个重要内容，要尽可能使得液柱压力与周围岩层压力达到平衡，两者只有保持平衡，才能保证岩层不会因压力差因素发生坍塌[3]。冲洗液密度高可有效提高对孔壁的支撑力，但是，由于压力差的存在，液柱压力高，周围岩层压力低，液体会从压力高的地点向压力低的地点流动，因而钻孔滤液将会进入地层，使地层的孔隙压力变大，压力增大后使得地层受压塌陷。

2.4 钻孔用料因素

冲洗液是钻孔施工中必须使用的材料，它能起到固结孔壁的作用，但是冲洗液容易与岩层中矿物质发生反应，矿物质会吸水发生膨胀，如上所述，岩层吸水膨胀后将会发生塌陷。同时，由于高温作用，冲洗液与矿物质发生化学反应也会导致孔塌的发生，由于冲洗液是钻探施工中所必需的，因此需要对冲洗液不断调节，对其进行抑制。

2.5 钻具不当因素

钻探工程中使用的钻具组合要规范，特别是螺旋扶正器，它的数目要尽量选取合适，如果数量过多则会影响钻具与孔壁之间的间隙，使间隙变小。当进行钻探时，钻具产生较强的震动，这种震动由于间隙小会直接对孔壁造成高强度的震动，从而使孔壁坍塌，发生孔塌事故。

2.6 其他因素

除上述各种因素外，孔壁的质量较差也是形成孔塌的重要原因，孔壁质量差可能会导致岩石的集中脱落，发生孔塌。钻进过程中，未能对钻具进行较好控制，就可能会出现孔斜问题，这将会容易发生孔塌事故。

3 孔塌事故的预防措施

为避免事故的发生，要做到防患于未然，弄清楚孔塌事故可能发生的原因，还要根据原因找出相应的预防策略，注意结合实际，做到理论与实际的结合。对于可控制的因素尽量做到安全控制，对于不可控因素，例如岩层性质，要做到选择最优方案，以此来预防孔塌事故。

3.1 选择合适的冲洗液密度

对于施工来说，冲洗液密度是一个至关重要的因素，应尽可能地对其进行控制。钻进过程中，为保持岩层的稳定，需要依靠冲洗液所产生的压力与孔壁压力保持均衡，两者压力不宜相差过大，因此需要科学准确地掌握孔壁的岩层压力，再计算使用的冲洗液密度，以确保两者压力相同，不会产生压力差。由于岩层中矿物质含量较高，可基于此种特点，在冲洗液中加入适当的矿物质，提高冲洗液矿物质含量，使岩层中矿物质含量与冲洗液中矿物质含量相当，这可有效降低孔壁处岩层的含水量和孔隙压力，增强泥页岩的强度，从而维持孔壁的稳定性。

3.2 保持冲洗液液柱压力

要始终保持孔内冲洗液的数量，若冲洗液数量减少，则会导致压力降低，发生孔塌事故。因此要时刻注意孔内冲洗液的数量[4]。在起钻时，需要连续或定时向孔内注入冲洗液，保持孔口液面在一定高度；在停工时，也需要注意孔口液面，因为此时受渗透压影响，液面会有降低，所以要尽可能地观察孔内液面，保持冲洗液的压力。

3.3 控制钻探工期时间

冲洗液对岩层具有渗透性，这种渗透性持续存在，孔塌的发生也是一个渐进的过程。在钻探前期，冲洗液的渗透性较大，施工人员对液面的观察也较为注意，故虽渗透性较大，但孔内冲洗液也能得到及时补充，在钻探中后期，渗透性依旧存在，但坍塌现象会逐渐消失，这种孔塌现象是一种周期性现象。为了避免这种坍塌事故，可使工程控制在一个周期内，这将有效减少孔塌事故的发生频率。

3.4 针对地质性质进行预防

地质状况是大自然长期作用的结果，钻探人员改变不了地质情况，但可以针对地质情况选择应对的方法。由于岩石吸水膨胀的机理，可提高滤液粘度，降低泥饼的渗透率，高粘度的滤液可减少侵入地层，保持地层的相对稳固。由于长期的地质变化，地层具有裂缝，裂缝的存在使得岩层不稳定，针对这个问题，可采取高科技纳米技术对裂缝和孔隙进行填充。

3.5 预防地质灾害

在施工过程中，可能会遇到一些特殊情况，比如不易察觉的地震。微小的地震在地表不易察觉，但是在深部能量及振幅却是比较大的，当这些小地震发生时，深部岩层受到较大震动就会发生塌陷。因此，要对该作业地面进行地震探测，准备好地震探测仪，当探测到有微小地震时，要立即停止作业，以免发生事故。

3.6 规范机械操作

工程技术人员要严格地进行机械操作，注意开泵不要过快，下钻力度要适中，减小钻头对岩层的冲击力，提高钻孔速度，缩短工程周期，以此来预防孔塌事故。

4 结语

孔塌事故是地质钻探过程中最为常见的问题，本文已经分析了关于孔塌的原因，并提出一些解决孔塌的措施，但是，还存在着许多还未能解决问题，需要一代又一代的工程技术人员不断分析、解决。