孔壁稳定性的影响因素

3.2.1 地质条件

地质条件是影响所有钻井工程孔壁稳定性的重要因素。地壳不同位置的岩土体都处于受压状态，岩土体在长期的地质作用下处于原始相对平衡和相对稳定状态，然而钻孔的形成破坏了孔壁周围土体的原始应力状态，失去了原始平衡的稳定条件并且部分土体发生应力集中。大多数材料在低应力状态表现为弹性变形，当应力增加时，则会产生塑性流动或屈服现象，如脆性材料会在某种不明显的屈服状态下自某一点达到极限应力值并发生破坏。在外围土压力作用下，孔壁岩土体具有向孔内移动的趋势，如果土体内部应力状态发生变化超过了其岩土强度的极限应力值，该趋势将转变为缩径或孔壁坍塌。相反，如果孔内的泥浆压力过大，并且使得土体内部应力状态变化超过了土体强度的极限应力值，该趋势会转变为土体发生剪切破坏而被压裂。岩土层的地质成因、构造类型和受力特征不同，对钻孔稳定性产生的复杂情况和程度也不一样。

岩土层中的大孔隙、裂隙和溶隙，特别是裂隙和溶隙给钻进工作带来较多困难，情况也更为复杂，如节理、破碎地层、各种溶洞或互相串通的裂隙等，都会导致钻井液不同程度的漏失，这些地层有时会使孔内钻井液漏空，并导致上部土体失稳而坍塌，造成严重的后果。

岩土体的受力特征对孔壁稳定性也有一定的影响。岩土体一般受到地层压力和孔内的泥浆压力，地层压力（formation pressure）是指由于地层在重力作用下的压实作用，地层中孔隙水所承受的压力，又称之为孔隙水压力或孔隙压力。而泥浆压力是指孔内泥浆作用在孔壁的压力。正常压实情况下孔隙水压力与静水压力一致，其大小取决于流体的密度和液柱的垂直高度，凡是偏离静水压力的流体压力即称之为异常地层压力，简称异常压力。孔隙水压力低于静水压力时称为异常低压或欠压，这种现象主要出现于某些致密气层砂岩或遭受较强烈剥蚀的盆地。孔隙流体压力高于静水压力时称为异常高压或超压，其上限为地层破裂压力（相当于最小水平应力），可接近甚至达到上覆地层压力。正常条件下，水平定向钻穿越工程的钻孔内的水柱或泥浆柱压力可以完全平衡地层压力，不会出现涌水或漏失现象，但是在一些存在异常压力的地层中，经常会出现钻孔内钻井液的压力大于或小于地层压力，而引发缩径、坍塌和漏失等现象。此外在设计埋深较浅的管道工程中，地层压力较孔内液柱压力要低，因此也容易出现渗漏或地面冒浆。

地质条件除了直接影响孔壁稳定性外，还会通过钻井液间接影响孔壁稳定性。例如松散的岩土层易被钻井液冲毁，造成渗漏或坍塌埋钻。如果地层的渗透性较好，泥浆在钻孔内失水后还会形成过厚的泥皮而导致缩径。粘土层或某些粘土质页岩、泥岩等会吸水膨胀，造成缩径或坍塌。盐岩层易溶而造成超径，这些都是由于岩土体本身的性质造成的。由此可见，岩土体自身粘结力或胶结程度对岩石的稳定性影响很大。一些胶结强度低、并且粘结力较小的岩土层，如流砂、泥岩、粘土等，在压力作用下容易出现孔壁失稳情况。相反，一些胶结强度高并且粘结力大的岩土层，即使在干孔或空气钻进条件下，也不会出现孔壁失稳，即岩土体自身强度就可以满足孔壁稳定的要求。

水平定向钻穿越的地层适应性与孔壁稳定性有很大的关系。不同性质的岩土体其对工程活动的影响程度也不同，对于水平定向钻来说，地层适应性是指所钻进的地层与现有水平定向钻技术的机具设备、工艺技术的相互适应，并借鉴地质钻探领域的研究成果建议采用岩土层的硬度（或强度）、完整程度和研磨性三因素对地层适应性进行评价。水平定向钻穿越的适应性对孔壁稳定性的影响是指不同岩土层中的成孔、固孔和泥浆漏失方面的难易程度。在表3－1中，将上述的三个关键因素的难易程度分为容易、中、困难三个级别，表中所给出的水平定向钻和地层条件的适应性关系是根据大量的施工案例而总结分析得出的，对于水平定向钻工程施工具有现实的借鉴作用和指导意义。

表3－1 不同地层条件的成孔和固孔难度

粘结性强的土层和硬度较小的完整软岩的成孔和固孔都比较容易，因此其孔壁稳定性较好，钻进速度比较快，工程施工难度低；而对于无粘性或粘性较小的砂类土，成孔较困难，在扩孔过程中孔壁容易失稳，因此成为制约大型水平定向钻穿越工程的技术难题。松散砂层和卵砾石层的松散程度越高，成孔难度更大，甚至会出现无法成孔的情况，这种现象也会出现在强风化的破碎岩层中。对于含坚硬石块或其他障碍物的地层，地层研磨性强，成孔困难，易发生钻头损坏甚至卡钻的严重事故，但是成孔后孔壁稳定，一般不会出现孔壁坍塌的情况。

水平定向钻穿越的地层适应性很大程度上都是由地层条件决定的，现有的设备条件下能否成孔是最直接地判断其地层适应性的依据。如果能够成孔，尽管存在技术上的难度，在现有的技术装备条件下，依然具有可行性。如果不能成孔或成孔极其困难，则必须采用开挖铺设或其他非开挖工法或通过一定的处理技术，否则就不适合选用水平定向钻穿越工艺。能否成孔即能否形成稳定的钻孔，这样就把这一重要问题归结为孔壁稳定性研究。利用水平定向钻穿越技术进行管道铺设，不同地层的稳定性是不同的。随着水平定向钻技术的广泛应用与大力推广，施工中遇到的地层越来越多、越来越复杂，近年来的设备研发能力和工艺方法都同步地得到了提高，地层的适应性也在逐渐地扩宽。但选用水平定向钻技术时，因为不同地层的自然性质、力学性质各异，不同地层条件的施工难易程度差异非常大。

3.2.2 钻井液影响因素

钻井液是钻进过程中孔内使用的循环冲洗介质，也是护孔和固孔的重要措施之一，它对所遇到的地层的水化膨胀和分散具有较强的抑制作用，能清洁井底、携带岩屑、冷却和润滑钻头及钻具；能有利于在孔壁上形成薄而韧、摩擦系数低的泥皮，阻止液体渗入地层，有效地平衡孔壁岩土体的围压用以巩固孔壁，防止孔壁坍塌或压裂。在水平定向钻工程中，钻井液和地下水共同形成液柱压力，其大小与钻井液的容重及埋深相关，钻井液形成的孔壁内压阻止了开挖岩土体向孔内移动，维护孔壁的稳定。然而钻井液的流动也会不同程度地破坏孔壁的稳定，这取决于钻井液在循环时的流速和流态，当流速过高，容易形成紊流（其特点是流速高而不规则，且具有多向性），这样对孔壁的冲刷作用大，不利于孔壁稳定。

在实际工程中钻井液使用不当，也往往不能起到预期作用。例如，在水敏性地层中钻进，使用失水量大的泥浆，会使钻孔壁塌陷或缩径。一旦出现缩径，再转动钻具时，孔壁极易遭到破坏。同时，由于泥浆失水量过大在孔壁上形成很厚的泥皮，当泥皮达到一定的厚度时，泥皮因重力作用从孔壁上脱落失去对孔壁的保护。钻井液对孔壁的维护是依赖于本身静液柱压力，钻井液比重越高，对岩土层的反压力越大。压力过大，则会压裂孔壁导致漏失。此外，如果钻进过程中使用的泵量过大，会造成钻头或扩孔头附近钻井液压力大于周围土体的极限强度而压裂地层造成地面冒浆问题。因此钻井液的性能对孔壁稳定性的影响非常大。

3.2.3 钻孔工艺技术影响

从钻进工艺方面来看，不当的钻进参数或操作可能会导致孔内的压力波动而影响孔壁稳定性，这些因素包括钻进速度、钻井液泵量、环空间隙大小和起拔钻具、开泵停泵等操作。钻进过程中，由某些外力而引起的孔内压力波动叫做压力激动。压力激动是钻进过程中不可避免的现象，是破坏平衡的一个经常性因素，它可以导致漏失、坍塌或压裂等孔壁失稳。钻进速度过大，会使孔内压力瞬间剧增而导致钻孔被压裂，导致严重的压力激动现象。实验资料表明：钻进速度越快，钻具与孔壁间隙愈小，泥浆粘度与切力越大，则压力激动也愈大。钻进时经常要回转钻具、开泵停泵等，这些操作都会造成孔内压力激动，影响孔内压力平衡。因为在钻进时，钻井液由静止到流动或由流动到静止的变化，水泵往复运动的不均匀性所引起的真空抽吸、高压及不均匀流动等，都是造成孔内压力变化的因素。装卸钻杆后重新给进和旋转时，孔内泥浆量减少，也是一种压力激动，也会造成水侵或孔壁坍塌的后果。

由此可见，压力激动是破坏孔壁平衡的经常因素。为了减少压力激动，必须对泥浆的性能进行调整，还要注意钻具的尺寸配合和水泵、装卸钻杆的操作技术。此外，机械设备不良使得机器钻进振动过大；钻进参数选择不当导致钻具受压过重，钻杆扰动大，敲打破坏孔壁；操作人员技术水平欠缺也会导致钻孔弯曲。这些因素都是在孔壁失稳事故中不能不考虑的原因。总之，影响孔壁稳定性的因素较多，情况也比较复杂，所以必须尽量多地收集与工程相关的资料，进行研究调查掌握影响孔壁稳定性的几大相关因素，对孔壁稳定性有初步的了解，通过现有的基础理论来计算孔壁周围的受力状况，分析可能的孔壁失稳状态，减少施工中可能发生的孔内事故。