周武卫 陈宏
西安地质矿产勘查开发院有限公司，陕西西安 710100
摘要：现如今，随着科学技术的发展，我国矿井钻探工程得到了快速的发展。然而，其成本高和受地质环境因素影响大，一旦工艺工法应用不当，会发生较大的事故，特别是井塌事故，轻则延误工期，重则造成废井。为此，要对井塌事故造成的原因进行分析并研究预防策略，从而减少地质钻探工程中的井塌事故。
关键词：地质；钻探工程；井塌事故；原因分析；预防策略
1.井下钻探作业特点
井下作业的工序繁多、流程复杂，在每一个的实施阶段，都可能会出现一定的安全风险，主要是由于井下环境比较恶劣，再加上操作不当、设备故障等，都可能会引起严重的安全事故。在生产中，井下作业并不具有独立性，而是与地面作业紧密联系的，这种复杂性就使得井下作业存在以下突出特征：（1）作业环境的恶劣性。井下的地质地形、水文等情况都可能会对正常的作业产生一定的影响，在实际的井下作业开始之前，就需要做好前期的勘察工作，根据勘察结果来进行井下作业方案的制定。（2）作业地点的广泛性。井下作业中，虽然环境条件比较恶劣，但其作业环境却是非常开阔的，为达到相应的作业要求，企业需要配备相应的设备、人员等，并制定完善的操作内容与规定。（3）作业时间的长期性。项目的规模较大，其在井下作业的开展过程中，往往会耗费非常长的时间。
2.井塌事故原因分析
2.1地质因素
（1）矿物质的化学作用。一是泥页岩中的矿物质作用。泥页岩中含有大量的粘土矿物，如在新疆昌吉硫磺沟四矿区井田钻孔施工中，蒙脱石矿、伊利石矿、高岭石矿、绿泥石矿，方解石矿等矿物质吸水后会发生膨胀，进而产生压力导致超过了井壁板结强度，就会发生坍塌[1]。其中蒙脱石矿的吸水膨胀率达到90%以上，其他矿物质也同样具有很大的膨胀率。由此可见，当土层中含有的矿物质含量多，尤其是吸水膨胀的矿物质含量越高，如果不加以抑制，就越有可能发生坍塌。二是可溶性盐的作用。页岩中如果含有大量的可溶性盐，可能会在钻井液中溶解，从而使得页岩支撑力减弱，进而造成井塌。（2）地质物理作用。一是地层水平应力的作用。地质年代越发久远，其内部的地质结构越难以预测，各种方向的造山运动，岩体矿物转化等，都会造成某一点受到多个方向应力，一旦钻头通过该处地层时，应力释放突破井壁的固结稳定应力，就会发生井塌。二是地层的构造状态因素。由于地下构造发生运动，局部会发生板块褶皱、断裂，上升或下降，导致了地层倾斜，稳定性变差，各部位粘土的粘性、板结速度均不同，钻井过程中，对井壁的侧向力从各个方向施加不同。三是高压油气层的影响。例如，在新疆天山东部哈密野马泉一带，矿区地层受造山构造运动影响较大，钻穿这样的成岩层后，应力释放所产生的掉块垮塌明显。砂岩油气层压力较大，钻探深入后，破坏地层交界面结构，有可能在地层交界处的井壁位置出现崩塌。如在新疆轮台阳霞卫东冲沟矿区钻孔施工中，常要应对这种情况的垮塌。四是地层的侧压力及温度因素。地层天然存在侧压力，当地层越深入压力越大，另外，温度对于压力的影响也非常大，超过3千至5千米，温度还可能对蒙脱石矿等矿物质进行转化，造成压力变化。这些都会造成井壁侧向力的变化。一旦超过侧壁板结应力，都会发生矿井坍塌。
2.2工艺因素分析
（1）钻井用料方面的影响。钻井液有着固结井壁的作用，是钻探中必不可少的材料。但钻井液也存在与岩壁中矿物质发生物理及化学作用，反过来发生井塌问题。这是因为前面讲过的岩层中矿物质本身具有吸水膨胀的因素，以及高温作用下钻井液与岩层中矿物质也会发生化学作用所造成，这只能通过对钻井液的不断调节进行抑制而无法有效消除。（2）钻具及控制的影响。一是钻具的组合不规范。例如，螺旋扶正器过多而钻铤直径过大，造成钻具与井壁之间的间隙过小，当向下钻进时，产生波动压力，震荡作用下导致井壁失稳，发生井塌事故。
二是钻具碰撞井壁引起的井塌问题。在钻具卸扣、钻进回转转速过快都会发生碰撞，造成井塌。三是井壁质量不佳，角变化率大，这会造成钻进过程中，应力过于集中，导致页岩集中剥落。四是井斜问题，在钻进过程中，控制不好会发生井斜等问题，同样会造成井壁失稳坍塌。
3.井塌事故预防策略
3.1提升作业人员的安全意识
生产人员是井下作业的主力军，要想从根本上减少危险事故发生的几率，就应该提升作业人员的思想意识，让他们充分地意识到不规范作业可能造成的恶劣影响，将会给自己和企业造成无法挽回的伤害。第一，进行广泛的宣传工作，在潜移默化间提高员工们的思想意识。例如，在企业的公告板上张贴安全作业宣传公告、绘制以“井下安全作业”为主题的宣传画；定期分发安全规范操作的宣传手册和资料等；举行座谈会，管理者从企业的经营发展和员工的安全这两个角度进行探究，使大家明确安全生产的重要性；在企业的微信公众号和网站中设置井下安全作业模块，每天发布与井下作业相关的时事政治以及作业贴士，让工作人员们能够随时随地的获取到最新的资讯。第二，有针对性地优化工作人员的意识。要采取因材施教的模式，管理者与员工们进行深切地交流，明确他们的想法，从而找到问题的突破口。例如，部分资历较深的员工，他们习惯突破规章制度的束缚进行井下作业。但是这种情况是较为危险的，很容易导致严重的安全事故。企业的管理者应该与工作人员进行积极地交流，认真地倾听他们的想法，尊重他们的表达，然后向他们介绍新的理念和操作规范，提升他们的认识水平，加强对规范操作的重视度。第三，井下作业企业应该由上至下进行改革，从管理者出发不断提升自身的意识水平，对基层工作人员进行有效指导，在作业中要把安全放在首位，在保障安全的前提下进行生产工作。
3.2建立风险评估机制
由于井下作业中的安全风险非常大，如果要实现安全生产标准化的目标，在企业内部，就需要根据安全风险的类型、作业经验，来建立完善的风险评估机制，充分用这一机制来进行安全风险评估，根据风险评估机制所获得的风险类型、风险大小，来制定更为有效的安全防范策略[2]。井下作业环境处于不断的变化之中，这就要求在开展安全风险评估的过程中，同样要遵循动态化的原则，用完善的安全风险评估机制，来保障风险等级的科学性、合理性，从源头上预防和控制风险。风险评估机制下，企业内部的各个部门都能够充分协调起来，充分保障安全管理工作的有序进行，建立完善的安全风险应急机制，使得在突发事故发生的第一时间可以快速处理问题。
3.3针对地质性质的预防措施
对于泥页岩中吸水膨胀率较大矿物质情况，在前面已经讲过其作用机理。要选择合适的方法，一是要提高滤液的粘度，降低HTHO和泥饼的渗透率，减少滤液侵入地层；二是封堵地层的层间裂缝，防止滤液侵入地层。对于泥页岩中脆性较大的情况，其岩层存在微孔和裂隙。在钻具侵入地层后，钻井液会顺着微孔和裂隙侵入岩层，进而使得岩层易于滑动，同时增大了岩层的压力，产生井塌的危险。为此，一方面可以采取纳米级刚性粒子和变形粒子相互配合对脆性页岩层的微孔、缝隙进行封堵，降低钻井液渗入量。另一方面，合理维持和增加钻井液密度，维持压力，使得钻井液压力略大于岩层压力。
4.结束语
总而言之，造成井塌事故的原因主要是地质环境的客观因素和工艺工法的不合理导致，通过深入了解地质变化对井眼的作用机理以及工艺工法中的缺陷，可以更好地针对问题进行改进。并且需要采取针对性的方法进行预防。
参考文献
[1]林浩.地质钻探工程项目的风险控制探析[J].中国金属通报,2019(08):199-200.
[2]张星.浅析地质钻探工程中井塌事故的原因[J].世界有色金属,2019(06):219+221.