复杂地层深孔钻探孔内事故处理与预防研究分析

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复杂地层深孔钻探孔内事故处理与预防研究分析
刘虹志
四川省能源地质调查研究所，四川　成都　６１００００
摘 要：
随着对矿产资源需求的增加，矿产资源勘探逐渐向更深更复杂的地层发展。

复杂地层深部钻探存在许多难点，孔内事故预处理是其中的重要关键技术之一，为降低深孔钻探孔内事故发生率，在施工过程中做好事故预防，本文分析常见深孔孔内事故特点，针对坍塌卡钻、压差／粘吸卡钻和缩径卡钻三种情况进行了形成原因、卡点原因及事故处理应对措施，重点分析了井漏和坍塌两重孔内事故，以及孔内事故的预防措施。

关键词：
复杂地层；深部钻探；孔内事故；处理预防中图分类号：Ｐ６３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２４）０２－０２２３－３Research and Analysis on accident treatment and Prevention of Deep-hole drilling in complex formation
LIU Hong-zhi
Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｕｒｖｅｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００００，Ｃｈｉｎａ
Abstract:　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｄｅｍａｎｄ　ｆｏｒ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，　ｍｉｎｅｒａｌ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｏ　
ｄｅｅｐｅｒ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｔｒａｔａ．　Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｔｒａｔａ，　ａｎｄ　ｉｎ－ｈｏｌｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｉｎ　ｄｅｅｐ－ｈｏｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｄｅｅｐ－ｈｏｌｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ，　ａｎｄ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，　ｓｔｉｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｃａｓｅｓ　ｏｆ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ｓｔｉｃｋｉｎｇ，　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　／　ｓｕｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉａｍｅｔｅｒ－ｓｈｒｉｎｋｉｎｇ　ｓｔｉｃｋｉｎｇ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｏｃｕｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｈｏｌｅｓ　ｏｆ　ｗｅｌｌ　ｌｅａｋａｇｅ　ａｎｄ　ｃｏｌｌａｐｓｅ，　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ．
Keywords: Ｃｏｍｐｌｅｘ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ；　ｄｅｅｐ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；　ｉｎ－ｈｏｌｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔ；　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ
收稿日期：
２０２３－１１作者简介：
刘虹志，男，生于１９９０年，四川遂宁人，本科，工程师，研究方向：岩土钻掘工程（钻探工程）。

复杂地层深孔钻探中孔内事故预处理是钻探施工的一项关键技术，为降低钻探施工成本和孔内事故发生率，根据具体的地层特点，应在施工过程中针对性的做好事故预防[1，2]。

深部地质条件的复杂性，矿区地层变化多样以及钻进工艺的变化，井内事故基本无法做到完全避免，所以要求在施工前做好孔内事故处理技术储备。

深部复杂地层钻进深孔，事故发生原因更复杂，在钻进过程中一旦发生事故，事故处理技术难度更大、成本更高，所以需要格外关注每个探孔的事故预防和处理技术[3，4]。

本文对相关问题进行了分析和研究，以期为实践提供参考和借鉴。

1 深孔孔内事故特点分析
深孔钻探由于地质条件更为复杂，钻井深度更大，这就造成深孔钻进时钻探设备所承载的负荷更接近于额定值，虽然设备额定值与极限值之间留有安全余地，但出现钻井事故时，极容易造成设备超负荷引起机械故障，所以深孔钻进操作要求操作人员施工时必须全神贯注。

孔内情况趋于复杂往往是出现事故的先导，操作时应仔细观察钻进过程中的各种现象，并找出其中规律。

当发生孔内事故后，首先要根据事故表现，精准判断事故类型和引起
原因，然后及时作出应对，以免产生连锁反应[5]。

为预防复
杂地层深孔钻探事故的发生，要求在钻探操作时做到：（1）禁止钻柱震动时持续钻进，在钻进时可在动力头滑轨表面润滑，在钻杆外壁涂抹专用钻杆润滑脂，在泥浆中加入润滑减阻剂，以此预防钻柱产生共振力。

一旦钻柱出现共振现象，需要及时采取措施破坏共振条件来消除共振力；（2）钻进过程如果发现孔径缩小，泥浆循环不畅，岩粉容易沉淀的情况，需要马上起钻检查钻具、钻头情况并分析原因；（3）每次提升钻头后，返回时应检查孔底是否干净，倘若底部残留有过多的岩粉沉淀、掉块，可能造成进尺不顺，甚至引发孔内事故。

2 卡钻事故研究
作为钻探施工中常见的孔内事故，卡钻形成原因多种多样，这里主要分析坍塌卡钻、压差/粘吸卡钻和缩径卡钻三
种情况[6]。

2.1 卡钻原因
在深部地层破碎、断层带钻进时，由于钻孔泥浆设计参数不正确或者性能不符合设计要求，导致钻井液护壁性能达不到平衡该处坍塌压力，进而发生井壁坍塌造成埋钻。

在易吸水易膨胀的页岩、泥岩等地，由于起钻未及时灌注钻井液和地层浸泡时间过长，也会使得井壁出现坍塌而造成卡钻。

通过大量的钻探工程资料研究得出坍塌卡钻的主要原因有：泥浆冲洗液无法平衡地层压力；破碎地层产生井漏引起上
部地层孔壁坍塌；起钻时与井壁形成活塞的抽吸作用引起坍塌。

当发生坍塌卡钻时，会出现上提下放有卡阻现象，扭
矩异常增大，泵压上升甚至憋泵。

当钻井液密度过高造成孔内压差太大，泥饼对钻具粘附力增加，导致钻具虽然泵压正常但是无法转动和上下活动时出现压差/粘吸卡钻。

这种卡钻事故发生的通常情况为：泥浆冲洗液受到岩粉污染，或者泥浆冲洗液性能不好造成扭矩增大；孔内出现故障，钻具断落或者没有及时取出钻具，让钻具长时间停留在井内，造成粘吸卡钻；孔底冲洗不彻底，以及井壁泥饼厚且粘滞系数高，导致粘吸卡钻。

粘吸卡钻事故主要特征是：钻柱上提下放有卡阻现象，扭矩大，停车后有反转现象；孔底干净，没有岩粉沉淀及坍塌；泵压正常，泥浆冲洗液循环正常。

缩径卡钻是指小井径卡钻，无论何种原因，钻头通过的井段，其直径小于钻头直径，均可造成卡钻。

缩径卡钻也是钻井工程中常见的事故，处理起来一般比坍塌卡钻容易一些，但比粘吸卡钻要困难得多。

缩径卡钻经常在渗透性孔隙度良好的孔段和膨胀性地层（砂砾岩、盐岩、泥页岩和深部石膏层）发生。

钻井液性能不好，失水大，胶状疏松的泥饼很容易在孔壁形成。

当泵量小，钻井液上返速度低时，泥饼上面极易沉淀较多的加重剂及粘土颗粒岩屑，致使孔径缩小。

钻遇水敏性地层，孔壁地层膨胀导致孔径缩小。

2.2卡点计算
钻探施工出现卡钻事故时，快速准确判断卡钻位置是判定事故类型并采取应对措施的前提。

卡点计算在大口径石油钻探中已经被广泛使用，但因为钻孔偏移和孔内摩擦等原因，在小口径勘探领域并没有得到普遍使用。

近年来，先进全液压钻机的使用，使得勘探钻探卡点计算的现场操作成为可能。

卡点计算的数学模型理论基础是胡克定律，根据钻探工艺、工况环境、材料标准决定公式中的运算参数，在钻探领域的使用可以提高卡钻事故的处理效率。

均匀材料情况下，根据胡克定律，卡点深度计算公式为：
（1）式中：H为钻柱最上一个卡点的深度；k为计算系数，不同壁厚和尺寸的钻具有不同的取值；ΔL为未被卡住部分连续上提时的平均伸长（cm）；ΔP为钻具未被卡住部分连续上提的平均拉力（kN）。

（2）式中：E为钢材弹性模量，F为管柱截面积（cm2）。

在现场采集拉伸量和提升力数据后，就能计算出单一管柱卡点位置，但由于孔内摩擦影响相对较大，钻探口径和孔壁间隙较小，同时轨迹偏移或者斜孔钻探现象比较普遍，对计算结果的准确度有比较大的影响，在实际应用中，对卡点计算模型进行修正为：
（3）式中：k1为钻孔摩擦角修正系数；k2为钻孔倾斜角修正系数。

这两个系数由钻探工程师凭现场经验或者测试确定。

3 井漏与坍塌事故研究
3.1井漏
深孔钻探过程中一旦发生井漏，应立即采取措施堵漏，不然很容易造成连锁的孔内事故。

常见的井漏可以分为三类：
（1）渗透性井漏：一般漏失量较小，漏失速度慢，多发生在砂砾岩、砂岩等渗透性良好的地层。

通过调整泥浆性能后，减小排量循环或提起钻柱静置一段时间就能解决该问题。

（2）裂隙性井漏：分为因孔内压力不平衡使得结合力较弱的层面人为产生的裂缝，以及因构造活动对岩石破坏造成的天然裂缝。

可以在循环泥浆中加入堵漏材料处理。

（3）溶洞性井漏：钻遇溶洞通常冲洗液漏失速度极快，常常有进无出，多是岩溶作用引起碳酸盐地层中形成孔洞，可以在泥浆中加入缓凝剂和速凝剂调节水泥凝结硬化速度，从而增加水泥堵漏效果。

在复杂地层深孔钻探预防井漏的技术措施有：使用钻井液液面报警装置，时刻注意钻井液流量变化；采用低粘度、低密度的钻井液，减小钻井液循环当量密度和钻井液静液柱压力；为降低因瞬时压力引起的诱导漏失，应控制钻柱下钻速度、先开转盘后开泵以及采取分段循环的方式。

当深层钻探发现井漏事故已经发生以后，针对具体情况采取的技术措施有：
①倘若井漏属于渗漏或小漏失，可以利用泡花楠类随钻堵漏剂或者单项压力封堵剂随钻堵漏；倘若堵漏效果没有达到理想预期，可以采取在水泥浆中添加核桃壳、云母片、改性锯末等惰性堵漏材料，面积不大的小溶洞可以用水泥封堵，倘若太大的溶洞进行堵漏已经没有意义，应该采取顶漏钻进的应对措施。

②倘若井漏属于小裂缝部分漏水，可采用在水泥浆内加入3%~5%的水玻璃溶液随钻堵漏，堵漏形式为钻柱钻进的同时进行堵漏。

③如果破碎带地层裂隙长而大，孔壁出现探头石、掉块等不稳定现象，随钻堵漏已经失效，可以采用快凝快硬的双快水泥或者快干早强水泥，将其添加入钻井液挤入岩层裂隙中进行堵漏，这样还可以起到钻孔护壁的效果，裂隙堵漏成功后，可对钻孔进行试压试验，以检验其稳定性。

④倘若地层不稳定导致地应力坍塌或者断层破碎带形成弧形孔段，要清理钻孔内异物，然后采取分段注入水泥以形成桥塞，重新塑造孔壁，为防止偏离原孔，需要根据围岩强度把握清理水泥塞的时机。

⑤如若经过岩溶底层遇到大量坍塌后的暗河、空洞等现
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象，过大的空间无法形成临时封闭井段，可以通过在比空洞略长的管上套上尼龙袋，通过该管在尼龙袋中注入水泥，形成桥接空洞上下的袋式桥梁，待水泥硬化后，在其中钻孔进入空洞下部地层。

3.2孔内垮塌
破碎带或地层应力引起的掉块、坍塌，以及水敏性地层引起的孔壁坍塌是孔内坍塌失稳的主要原因。

当地层被钻具钻开后，积蓄在地层的地应力在钻孔中被集中释放，如果钻探孔内冲洗液液柱压力不能平衡地应力，塑性地层钻孔内将产生塑性变形出现孔内缩径，脆性地层将会发生孔径扩大、坍塌掉块。

深部钻探孔内垮塌主要原因有以下几种：（1）钻探操作错误或钻探工艺不恰当。

如钻柱对孔壁的严重机械碰撞改变了井壁稳定性，冲洗液流量过大造成孔壁侵蚀，孔内液柱压力积蓄过大形成巨大瞬时应力等造成孔内垮塌。

（2）物理—化学原因影响。

某些软弱岩层因为水化作用，形成改变该岩层物理性质的膨胀压力，使得岩层强度变低，或者造成孔隙压力增大，地层压力不均匀容易导致井塌。

（3）岩石受地质构造影响和岩石孔隙压力异常。

钻探改变地层结构后，补充的钻井液无法弥补损失的地应力，导致应力不平衡，进而引发孔内坍塌。

预防孔壁坍塌的技术措施：①调整钻井液性能，提高抑制性，在钻达水敏性地层时保证钻井液失水小。

②调整钻井液保持低切力、适当粘度，以防钻探到达破碎带或容易发生应力坍塌地层发生事故。

③钻进过程中，时刻关注振动筛反应情况，根据反馈及时发现井塌。

④密切注意控制起钻速度和起钻时勤灌钻井液，防止抽吸及压力不平衡导致破碎带和易应力坍塌地层钻进时引起垮塌。

孔壁坍塌发生后可采取的应对技术措施：①如掉块有水化现象，是水敏性垮塌，应调整钻井液中配比，提高综合防塌能力及钻井液抑制性。

②如果在钻进过程，在振动筛上发现有孔壁掉块，应根据掉块的物理化学性质分析掉块原因，从而针对性的采取应对措施。

③如果掉块棱角分明，极有可能是应力型孔壁失稳，应根据振动筛反屑情况，确定产生坍塌处的地层压力，及时调整钻井液密度来平衡地层坍塌压力，特殊情况如有必要可采取水泥桥堵或化学固壁技术。

4 孔内事故预防分析
4.1压力预测
深部钻探地质结构多样并且地层压力变化复杂，地层压力往往是导致钻孔情况复杂化的关键因素，科学合理的预知地层压力情况，是钻探施工中事故防范和泥浆设计的重要手段，可以极大的解决深孔钻探各种复杂问题。

传统的地层应力测试技术采用的是水压致裂地层压力测量，随着钻探深度的增加和地质条件的复杂，可以采用更为先进的声波时差探测进行地层压力探测。

4.2护壁
护壁主要分析泥浆护壁和套管护壁两种情况：
（1）泥浆护壁：均匀稳定的地层，采用无固相冲洗液，对钻孔进行润滑减阻并冷却钻头；溶洞发育的碳酸盐地层，顶漏钻进，穿过溶洞层后下套管护壁；稳定性极差的缩径层，控制泥皮厚度和泥浆失水量，必要时泥浆做增粘、加重处理以实现钻孔内部液柱压力平稳，进而实现平衡钻进；裂隙发育层，采用优质水泥护壁堵漏，要能保证钻探正常通过该地质层。

（2）套管护壁：检查拧紧套管螺丝，防止脱扣；在下井套管外表面涂抹润滑油，方便钻具起拔；严格封闭井口，上好护管，套上胶板，用纱布塞住两层套管之间的空隙，以防止套管与套管之间、井壁与套管之间进入泥砂阻碍起拔；将套管鞋接在套管下端并封实。

4.3缩径地层钻进操作
进入缩径地层后的钻进措施：降低钻压、扭矩、钻速、泵压等钻进参数，为确保钻具扭矩在抗扭强度的50%以内，将钻速调整小，并随着钻进深度增加逐渐降低；每30min 记录一次参数，及时上报异常情况，紧急情况时，当班班长有权决定起钻；在进行内管打捞过程中，为防止粘卡钻具要缓慢转动，每次转动5圈以上，间隔活动时间不高于3min。

每钻进50m，应当短起下放钻具；每钻进100m必须进行钻井测斜，测斜时将钻头提离钻孔井底10m以上，在进行以上活动时不应长时间保持钻具静止不活动。

进入缩径地层后的起钻措施：起钻时必须连续灌浆以保证钻孔内泥浆液面高度，为稳定孔壁需保持钻孔内压力平衡，在裸孔阶段起钻需保持匀速，一旦出现卡钻，应记录遇卡划眼位置，开泵倒划，不能盲目上提；钻具起拔到套管根部附近，要将钻具缓慢上提进入套管。

5 结论
复杂地层深孔钻探由于地质情况的复杂性，孔内应力不平衡，容易形成坍塌卡钻、压差/粘吸卡钻和缩径卡钻，可采用修正的胡克定律进行卡点计算，然后采取针对性的应对措施。

常见事故中井漏包括渗透性井漏、裂隙性井漏和溶洞性井漏，孔内垮塌通常由钻孔压力不平衡、物理或化学原因引起以及钻探工艺不恰当引起。

针对不同的事故现象，可根据产生原因采取针对性的措施进行应对和预防。

[1] 刘文雅,王大伟.地质深孔钻探技术与管理探讨分析[J].冶金管
理.2021(13):78-79.
[2] 郭孟林.鸡笼山矿区深孔岩心钻探技术应用探讨[J].世界有色金
属.2019(08):285-286.
[3] 李志敏.复杂地层深孔钻探泥浆护壁技术探讨与实践[J].中国石油和化
工标准与质量.2018,38(24):187-188.
[4] 向文斌,夏东,周鹏,等.深孔岩心钻探中相关问题分析[J].资源信息
与工程.2018,33(04):15-16.
[5] 李永强,向文斌.煤矿地质钻探技术的应用探讨[J].资源信息与工
程.2018,33(05):54-55.
[6] 朱金军.陕西凤县白杨沟矿区复杂地层深孔钻探技术研究[J].西部探矿
工程.2018,30(02):86-88.
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