非開挖施工:塌孔的原因、預(yù)防和處理
塌孔是目前非開挖施工中Z常見的事故。如果施工過程中泥漿的粘度和密度增加；鉆屑和含砂量增加；扭矩和剪切力增加；拖鉆桿回堵現(xiàn)象，說明鉆孔孔壁不穩(wěn)定。進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致孔壁坍塌，被拖管線鎖死，工程施工失敗。
1.井塌原因
1.1地質(zhì)因素
非開挖施工的地層主要在第四紀(jì)沉積物中，是地殼中的巖石在風(fēng)、地表水、湖泊、海洋等地質(zhì)作用下風(fēng)化形成的松散沉積物。砂層、雜填土層、礫石層、淤泥等地層為不穩(wěn)定地層。當(dāng)泥漿壓力不能平衡地層壓力時(shí)，就會(huì)發(fā)生井塌。
當(dāng)用鉆具鉆開土層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生孔壁擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力與泥漿液柱壓力之間的壓差。當(dāng)壓差大于巖土的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生剝落、脫落、坍塌，在泥漿浸泡下更為嚴(yán)重。
當(dāng)鉆孔所在地層中存在泥頁巖時(shí)，由于其獨(dú)特的層狀特征和高粘土含量，泥頁巖的水化一方面會(huì)降低力學(xué)強(qiáng)度，另一方面會(huì)因水化膨脹壓力誘發(fā)或加劇孔壁上的應(yīng)力不平衡，泥頁巖的水化膨脹開裂造成塌孔。
1.2物理因素
擴(kuò)孔速度過快，泥漿泵壓力過高，鉆孔內(nèi)泥漿液柱壓力突然變大；導(dǎo)向孔曲率半徑太小，鉆桿或擴(kuò)孔器旋轉(zhuǎn)擠壓孔壁，帶動(dòng)泥漿沖蝕孔壁；導(dǎo)向孔上方地層漏失，地層壓力釋放，孔內(nèi)泥漿液柱壓力降低，造成井塌。
泥漿流體流動(dòng)，長時(shí)間浸泡侵蝕孔壁，降低了土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角在力學(xué)上可以理解為斜面上塊體的臨界自穩(wěn)角，塊體在此角內(nèi)是穩(wěn)定的；超過這個(gè)角度，木塊就會(huì)滑動(dòng)。R=c+tanp，即摩爾剪切理論，其中C為內(nèi)聚力，P為內(nèi)摩擦角，R為摩擦力。
2.防止井塌和泥漿選擇
2.1防止塌孔
防止塌孔的措施首先要滿足兩個(gè)條件:泥柱壓力=巖土孔隙壓力；盡量減少水滲入巖土或孔壁周圍滲水。
地質(zhì)因素導(dǎo)致塌孔的預(yù)防措施有:
(1)提高泥漿密度，增加泥漿柱壓力，平衡地層壓力；
(2)使用動(dòng)塑比大的泥漿保護(hù)孔壁。在鉆井液技術(shù)中，動(dòng)切力與塑性粘度的比值(簡(jiǎn)稱動(dòng)塑比)常用來表示剪切稀釋的強(qiáng)度。動(dòng)塑比越大，剪切稀釋越強(qiáng)。為了在高剪切速率下有效破碎巖石并在低剪切速率下有效攜帶巖屑，要求鉆井液具有高的動(dòng)塑比。一般情況下，動(dòng)塑比控制在0.36~0.48Pa/mPs為宜。
物理因素導(dǎo)致井塌的預(yù)防措施有:
(1)避免開泵過快，盡可能保持鉆桿在恒張力下工作，避免液柱壓力突然變大和鉆具對(duì)孔壁的劇烈沖擊；
(2)根據(jù)地下障礙物分布情況，做好鉆孔軌跡設(shè)計(jì)和擴(kuò)孔程序，避免導(dǎo)向孔曲率過大導(dǎo)致鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓孔壁；
(3)合理控制泥漿的密度和流變性，使泥漿具有一定的液柱壓力，并使泥漿保持較低的返速，呈平流狀態(tài)。鉆井中的泥漿流型有三種，即絮凝流、層流和平流。層流具有環(huán)空段速度分布不均勻、鉆桿與孔壁之間中速快慢速慢的特點(diǎn)，不利于攜帶泥屑，但有利于孔壁的穩(wěn)定。絮體流動(dòng)時(shí)，泥漿流速均勻，孔凈化良好但孔壁被沖刷，不利于孔壁形成泥皮。平板流兼有絮凝流和層流的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自的缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)平板流的途徑是使層流中間部分的速度相等，即剪切率為零；
(4)提高鉆井速度，減少泥漿浸泡和沖刷時(shí)間，保持泥漿性能均勻穩(wěn)定，嚴(yán)禁泥漿性能發(fā)生較大變化。
2.2泥漿選擇
配制泥漿時(shí)，要適當(dāng)減少失水，減少滲入孔壁的水，適當(dāng)增加泥漿濾液的粘度，pH值控制在8.5-9.5之間。
根據(jù)頁巖易水化、膨脹、分散、低失水、高礦化度泥漿的特點(diǎn)，可選用石膏泥漿和鉀基泥漿。高礦化度泥漿包括氯化鈉泥漿和氯化鈣泥漿，兩者都屬于控制性泥漿，能顯著控制泥頁巖的水化膨脹，防止坍塌。石膏漿性能穩(wěn)定，流動(dòng)性好，300~500mg/L的鈣離子濃度可防止泥頁巖地層膨脹坍塌。鉀基泥漿中的鉀離子容易嵌入氧原子的六角環(huán)中，可以使結(jié)構(gòu)更加致密，減少粘土的負(fù)電荷，從而減弱頁巖的水化分散，有效防止塌孔。
3.塌孔處理
井塌不嚴(yán)重時(shí)，適當(dāng)增加泥漿密度，減少失水，小排量循環(huán)，使泥漿呈扁平層流或塞流，將塌塊和巖屑取出。當(dāng)塌塊尺寸較大時(shí)，選擇高剪切、高粘度的泥漿，保持泥漿在環(huán)空層流狀態(tài)，適當(dāng)加大沖洗排量，以便帶出大的塌塊。
