非开挖施工:塌孔的原因、预防和处理
塌孔是目前非开挖施工中Z常见的事故。如果施工过程中泥浆的粘度和密度增加；钻屑和含砂量增加；扭矩和剪切力增加；拖钻杆回堵现象，说明钻孔孔壁不稳定。进而会导致孔壁坍塌，被拖管线锁死，工程施工失败。
1.井塌原因
1.1地质因素
非开挖施工的地层主要在第四纪沉积物中，是地壳中的岩石在风、地表水、湖泊、海洋等地质作用下风化形成的松散沉积物。砂层、杂填土层、砾石层、淤泥等地层为不稳定地层。当泥浆压力不能平衡地层压力时，就会发生井塌。
当用钻具钻开土层时，会产生孔壁挤压产生的应力与泥浆液柱压力之间的压差。当压差大于岩土的屈服强度时，就会发生剥落、脱落、坍塌，在泥浆浸泡下更为严重。
当钻孔所在地层中存在泥页岩时，由于其独特的层状特征和高粘土含量，泥页岩的水化一方面会降低力学强度，另一方面会因水化膨胀压力诱发或加剧孔壁上的应力不平衡，泥页岩的水化膨胀开裂造成塌孔。
1.2物理因素
扩孔速度过快，泥浆泵压力过高，钻孔内泥浆液柱压力突然变大；导向孔曲率半径太小，钻杆或扩孔器旋转挤压孔壁，带动泥浆冲蚀孔壁；导向孔上方地层漏失，地层压力释放，孔内泥浆液柱压力降低，造成井塌。
泥浆流体流动，长时间浸泡侵蚀孔壁，降低了土层的粘聚力和内摩擦角。内摩擦角在力学上可以理解为斜面上块体的临界自稳角，块体在此角内是稳定的；超过这个角度，木块就会滑动。R=c+tanp，即摩尔剪切理论，其中C为内聚力，P为内摩擦角，R为摩擦力。
2.防止井塌和泥浆选择
2.1防止塌孔
防止塌孔的措施首先要满足两个条件:泥柱压力=岩土孔隙压力；尽量减少水渗入岩土或孔壁周围渗水。
地质因素导致塌孔的预防措施有:
(1)提高泥浆密度，增加泥浆柱压力，平衡地层压力；
(2)使用动塑比大的泥浆保护孔壁。在钻井液技术中，动切力与塑性粘度的比值(简称动塑比)常用来表示剪切稀释的强度。动塑比越大，剪切稀释越强。为了在高剪切速率下有效破碎岩石并在低剪切速率下有效携带岩屑，要求钻井液具有高的动塑比。一般情况下，动塑比控制在0.36~0.48Pa/mPs为宜。
物理因素导致井塌的预防措施有:
(1)避免开泵过快，尽可能保持钻杆在恒张力下工作，避免液柱压力突然变大和钻具对孔壁的剧烈冲击；
(2)根据地下障碍物分布情况，做好钻孔轨迹设计和扩孔程序，避免导向孔曲率过大导致钻具旋转挤压孔壁；
(3)合理控制泥浆的密度和流变性，使泥浆具有一定的液柱压力，并使泥浆保持较低的返速，呈平流状态。钻井中的泥浆流型有三种，即絮凝流、层流和平流。层流具有环空段速度分布不均匀、钻杆与孔壁之间中速快慢速慢的特点，不利于携带泥屑，但有利于孔壁的稳定。絮体流动时，泥浆流速均匀，孔净化良好但孔壁被冲刷，不利于孔壁形成泥皮。平板流兼有絮凝流和层流的优点，克服了它们各自的缺点。实现平板流的途径是使层流中间部分的速度相等，即剪切率为零；
(4)提高钻井速度，减少泥浆浸泡和冲刷时间，保持泥浆性能均匀稳定，严禁泥浆性能发生较大变化。
2.2泥浆选择
配制泥浆时，要适当减少失水，减少渗入孔壁的水，适当增加泥浆滤液的粘度，pH值控制在8.5-9.5之间。
根据页岩易水化、膨胀、分散、低失水、高矿化度泥浆的特点，可选用石膏泥浆和钾基泥浆。高矿化度泥浆包括氯化钠泥浆和氯化钙泥浆，两者都属于控制性泥浆，能显著控制泥页岩的水化膨胀，防止坍塌。石膏浆性能稳定，流动性好，300~500mg/L的钙离子浓度可防止泥页岩地层膨胀坍塌。钾基泥浆中的钾离子容易嵌入氧原子的六角环中，可以使结构更加致密，减少粘土的负电荷，从而减弱页岩的水化分散，有效防止塌孔。
3.塌孔处理
井塌不严重时，适当增加泥浆密度，减少失水，小排量循环，使泥浆呈扁平层流或塞流，将塌块和岩屑取出。当塌块尺寸较大时，选择高剪切、高粘度的泥浆，保持泥浆在环空层流状态，适当加大冲洗排量，以便带出大的塌块。
