談石油鉆井工程事故預警研究

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摘要：鉆井工程是一個涉及多個方面的系統(tǒng)工程，鉆井作業(yè)預警是關(guān)乎鉆井安全的重要保障。歸納了目前鉆井作業(yè)中常見鉆井事故的分類，將鉆井事故分為兩個大類并對每個大類鉆井事故進行了詳細描述；梳理了目前在預測鉆井事故方面常用的方法和理論，分析了各類鉆井事故預警原理或方法的優(yōu)點和不足，指出未來促進鉆井事故預警技術(shù)進展的關(guān)鍵在于隨鉆錄井測試設(shè)備的更新和進步，以及預測鉆井事故相關(guān)理論或多參數(shù)融合技術(shù)的進步。

關(guān)鍵詞：石油鉆井；鉆井事故；預警技術(shù)；研究進展

石油鉆井一直以來都是投資巨大、風險很大的復雜地下工程。大量不確定的、模糊的、隨機的以及不可控的影響因素伴隨著鉆井過程。石油鉆井的安全和優(yōu)化都是石油鉆探工程研究的重要問題，同時也是錄井作業(yè)中工程錄井的重要內(nèi)容。由于地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、鉆井工藝、鉆井設(shè)備及井眼環(huán)境等多種原因都可能引發(fā)鉆井事故，使鉆井安全受到嚴重威脅，所以，應(yīng)對鉆井狀態(tài)進行適時監(jiān)測。準確地對鉆井事故進行預報，可以保障鉆井作業(yè)的安全，降低鉆井作業(yè)的成本和提高鉆井作業(yè)的效益。本文首先總結(jié)了石油鉆井中存在各種鉆井事故形式，并對鉆井事故進行了分類劃分；其次對鉆井工程的事故預警技術(shù)發(fā)展歷程進行了階段回顧，并進行了對比分析；最后對鉆井工程預警技術(shù)進行了展望。

1常見的鉆井作業(yè)事故

1.1鉆井井眼事故

石油鉆井形成井眼的過程中特別是在鉆進數(shù)百米以后，在破碎地層巖石形成井眼鉆遇油氣儲層時，井眼本身會出現(xiàn)一些問題導致鉆井無法按預定正常進行。最常見的就是井涌、溢流的問題，鉆進過程中當?shù)貙訅毫Υ笥诰足@井液柱壓力時，地層空隙中的油氣水就會進入井底環(huán)空，跟隨環(huán)空鉆井液返回地面，出現(xiàn)出口流量大于入口流量的現(xiàn)象稱為溢流。如果溢流沒有被有效控制，鉆井液出口流量會繼續(xù)加劇，呈現(xiàn)涌出的狀態(tài)稱為井涌，若井涌仍然沒有得到有效的控制，出口流量再繼續(xù)加劇，呈現(xiàn)噴出的狀態(tài)稱為井噴，井噴是鉆井過程中十分嚴重的事故，如果井噴再無法控制最終會導致井噴失控，最終導致巨大的財產(chǎn)和人身安全損失。井漏、井眼坍塌和縮徑也比較常見，井漏是與溢流井涌相反的過程，當鉆井過程中大量鉆井液流入地層引發(fā)鉆井液大量損耗稱為井漏。如果對井漏的處理不及時，井漏程度加劇會引起井眼垮塌、卡鉆等事故，要是井漏位置上部有油氣層還可能會引起井噴事故。當鉆遇頁巖、黏土地層時，由于遇水這些地層會發(fā)生體積膨脹，如若當時鉆井泥漿密度小，進而導致井眼內(nèi)液柱壓力小于井眼壁上的徑向應(yīng)力，進而發(fā)生井眼縮徑，這時起下鉆發(fā)生困難，嚴重時會導致卡鉆。

1.2鉆井鉆具事故

鉆井鉆進過程實則是隨著鉆頭逐漸破碎巖石的進尺過程，在這個進尺過程中，數(shù)百米或者幾千米的鉆柱在井眼里面承受著軸向、徑向以及管柱切線方向的各種力。隨著鉆進參數(shù)不斷地變化導致鉆柱受力不均勻，進而會引起鉆柱振動，這樣就會出現(xiàn)鉆柱疲勞失效，最終引發(fā)鉆具事故的發(fā)生。

1.2.1鉆具刺漏與斷折鉆井過程中經(jīng)常有鉆具刺漏的現(xiàn)象，鉆具刺漏主要是由于鉆具已經(jīng)陳舊還繼續(xù)使用，鉆具在高含硫區(qū)受到的腐蝕較大，以及鉆井過程中鉆井泵泵壓過高等，這些都會導致鉆具發(fā)生刺漏。一般來說較輕的刺漏，起鉆時簡單處理就不會引起嚴重的后果，而嚴重的刺漏會引起鉆井液不能正常循環(huán)的干鉆，可能引起牙輪掉落、卡鉆等事故。如若沒有及時發(fā)現(xiàn)鉆井刺漏，在鉆具刺漏處很可能發(fā)生鉆具斷裂落井。而鉆具的折斷還往往發(fā)生在起鉆遇阻時野蠻性質(zhì)的提拉鉆具操作，或者發(fā)生溜鉆或頓鉆時扭矩急劇上升導致鉆具的折斷。這樣就需要進行鉆具打撈，嚴重影響建井的周期，如果打撈失敗則會導致井眼報廢。

1.2.2鉆頭事故鉆井鉆頭事故一般指都是發(fā)生在鉆頭部位的鉆井事故。比如鉆頭的牙輪掉落以及鉆頭牙齒的脫落是經(jīng)常遇到的，這主要是在鉆頭破碎硬度較高的巖石時，受力不均勻或者長期磨損的導致。掉水眼和堵水眼也比較常見。掉水眼一般是由于水眼安裝的不到位，鉆井液會沿著水眼周邊刺出最終導致水眼掉落，這時泵壓會下降很快直接影響水力學作用；堵水眼主要是由于在鉆井過程中，被鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎的巖屑，特別是較大顆粒的巖屑很容易將水眼堵塞，導致鉆井液不能正常噴出，使得鉆井液循環(huán)被破壞，影響了整個鉆井的過程。還有鉆頭的壽終，因為鉆頭承載著直接破碎井底巖石的任務(wù)，其為鉆具中最為嚴重的磨損部分。當鉆頭被磨損到一定程度時，其破巖能力基本消失，一般會出現(xiàn)跳鉆現(xiàn)象且鉆時增加，在上返巖屑中大多含有細小的鐵屑，這說明鉆頭已經(jīng)壽終要及時更換。

1.2.3卡鉆卡鉆是指在鉆井進程中，由于鉆柱在起下鉆的過程中失去了自由活動，即鉆井管柱不能上下活動也不能轉(zhuǎn)動，在井眼的某一井段遇到阻礙的鉆井事故?？ㄣ@的類型有多種，這主要是由于造成卡鉆的原因不同。常見的卡鉆的類型主要有：縮徑卡鉆、砂橋卡鉆、落物卡鉆、黏吸卡鉆、泥包卡鉆、鍵槽卡鉆、干鉆卡鉆和坍塌卡鉆等?？ㄣ@在起鉆、下鉆和鉆進的三個過程中均有發(fā)生，由于導致各種卡鉆的原因不同，對應(yīng)的解決方案也不同，所以當發(fā)生卡鉆事故以后，首要任務(wù)就是先要弄清楚卡鉆的原因和性質(zhì)，通過研究各種征兆和反映獲得綜合的信息推斷出真正的卡鉆原因，再去對應(yīng)的解卡。

1.2.4溜鉆和頓鉆溜鉆一般是指司鉆不均勻送鉆導致鉆壓在鉆頭上變化太大，當鉆壓突然增大超過上限，會使得鉆具被壓縮井深增加的現(xiàn)象。頓鉆則是鉆柱上提的過程中，剎把沒有控制好導致鉆具自由下落，引起鉆壓增大造成鉆具壓縮井深增加的現(xiàn)象。不難發(fā)現(xiàn)溜鉆和頓鉆都存在鉆壓突然增大、鉆時加快和井深出現(xiàn)跳進的現(xiàn)象，而溜鉆有扭矩突然變大的現(xiàn)象，頓鉆則沒有。

2鉆井事故預警進展

2.1早期的人為經(jīng)驗預警

二十世紀八十年代之前，鉆井技術(shù)人員可以通過傳感器采集來的數(shù)據(jù)進行人工判斷鉆井預警，通過主觀判斷分析整個鉆井過程是否有鉆井事故正在發(fā)生或者將要發(fā)生。這需要鉆井技術(shù)人員不僅經(jīng)驗要豐富，并且責任心也得足夠強，但是無論怎樣畢竟人的精力和經(jīng)驗都是有限的。到了二十一世紀初，鉆井工程預警實現(xiàn)了應(yīng)用軟件設(shè)置門限閾值進行的預報，但是由于門限參數(shù)設(shè)置依然受到鉆井技術(shù)人員的主觀性影響，關(guān)鍵點間接的又回到了鉆井現(xiàn)場專家的經(jīng)驗和責任心上。

2.2各種智能預警蓬勃發(fā)展

2.2.1單一某鉆井事故的預警研究鑒于整個鉆井系統(tǒng)的事故預警較為復雜，或者很多學者為了更好地在某一種鉆井事故的預警上取得更滿意的效果，僅對上述鉆井事故中的某一事故進行了充分研究。在井涌事故預警方面：孫合輝等基于錄井參數(shù)應(yīng)用貝葉斯公式進行了井涌的研究，張正等也應(yīng)用貝葉斯公式進行了有關(guān)井涌的研究。井涌預警的貝葉斯模型兼容現(xiàn)場設(shè)備好，預警效率高誤警率低，還有待進一步完善。還有學者基于模糊專家系統(tǒng)對鉆井溢流進行了預警研究，其智能預警實現(xiàn)準確、快速，應(yīng)用較好，可以滿足現(xiàn)場的需求。在井漏事故預警方面：劉彪等應(yīng)用支持向量機SVM的SVR支持向量回歸算法建立了預測井漏的預警模型，實現(xiàn)了對鉆井井漏的定性和定量預測，其精度高預測效果較好。也有學者借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)的井漏預警模型，對井漏的預測成功率很好，對井漏的嚴重程度也給出了預測。還有學者借助核主元分析理論，針對井漏數(shù)據(jù)，建立了多個井漏預警的核主元分析模型，實現(xiàn)了對井漏的靈敏判斷。在卡鉆事故預警方面：朱丹等建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卡鉆預測模型，通過對模型的訓練得到了合適的卡鉆預測模型，預算誤差可以接受。還有些學者提出了一種基于時間序列研究鉆井卡鉆預測方法，并通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)數(shù)值模擬的仿真對比，可以實現(xiàn)對鉆井卡鉆的提前預警。

2.2.2多種鉆井事故的綜合預警研究石油鉆井過程十分復雜，在打鉆形成井眼的過程中可能出現(xiàn)多種鉆井事故，很多學者和技術(shù)人員針對鉆井系統(tǒng)綜合地進行了鉆井事故的預警研究。張正選等將模糊理論、專家系統(tǒng)應(yīng)用在鉆井事故預警系統(tǒng)之中，構(gòu)建了事故模型知識庫，具備一定的靈活性和適應(yīng)性，預測結(jié)果顯示較為理想，為鉆井事故預測奠定了基礎(chǔ)。也有學者進行了基于向量機SVM技術(shù)建立了鉆井事故預測模型，該方法具有使用少量樣本實現(xiàn)高效準確的性能，特別是針對鉆井事故的非線性復雜問題。還有一些學者應(yīng)用研究小樣本和不確定信息的灰色聚類原理，對鉆井作業(yè)安全問題進行了評價和預測，取得了一些成果。

2.3各種智能預警存在的問題

對于鉆井作業(yè)的智能預警，不管是考慮某一具體的鉆井事故還是各項綜合事故，基本都是基于模糊數(shù)學、支持向量機、專家系統(tǒng)、灰色聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等原理或方法進行的，那么對于目前這些方法或原理的實際應(yīng)用還存在如下問題。應(yīng)用模糊數(shù)學進行鉆井事故預測的問題主要是：雖然模糊數(shù)學可以模擬人類的推理過程，但由于鉆井參數(shù)過多，在模糊推理過程中會發(fā)生維數(shù)災難問題，預警系統(tǒng)實時性會被嚴重影響，并且誤差大小的理論還有待進入深入研究。支持向量機學習性能的強弱主要由關(guān)鍵參數(shù)如何在算法中的選取來決定，并且對于鉆井過程中的多變目標函數(shù)的適應(yīng)性還要深入研究?；疑垲惤⒌你@井安全評價模型的應(yīng)用較為良好，但由于鉆井事故預警模型十分復雜，GM模型的適應(yīng)性方面與背景值問題上還有待進一步研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在鉆井事故預警方面多年來的應(yīng)用逐步取得了較好的效果，但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在局部最小、實時性和準確性不良等問題，還存在訓練樣本不易獲得以及決策函數(shù)不易確定，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在鉆井預警方面的應(yīng)用還受著一定的限制。

3鉆井事故預警總結(jié)與展望

鉆井工程是一項涉及多個領(lǐng)域復雜而又長期的項目，針對鉆井作業(yè)中可能出現(xiàn)的各種事故如何快速而又準確的預測，一直以來就是鉆井專業(yè)技術(shù)人員關(guān)注和研究問題。特別是目前鉆井向著大位移井、水平井、超深井的方向前進，那么鉆井過程中出現(xiàn)事故的可能性也在增加，所以建立一套功能完善先進的鉆井事故預警系統(tǒng)十分重要。未來隨著鉆井設(shè)備的進步、傳感器技術(shù)的進步、井下傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)的進步以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的進步，綜合起來能將各種鉆井參數(shù)快速高效地傳給鉆井技術(shù)人員，現(xiàn)場技術(shù)人員能夠根據(jù)實時的監(jiān)測參數(shù)更好地分析判斷鉆井進展狀況，預測鉆井事故發(fā)生的概率。鉆井事故預測的各種理論融合技術(shù)是未來提高鉆井事故預警的重要方向，也就是將模糊數(shù)學、支持向量機、灰色聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等原理之間或與其他數(shù)理統(tǒng)計方法及計算機科學等融合或組合，進行進一步鉆井事故預警的研究。隨著鉆井事故智能預警技術(shù)的發(fā)展，鉆進事故模型的適應(yīng)程度、事故模型預測精度的提高以及模型算法的穩(wěn)定性等方面，都能在多種理論融合技術(shù)的優(yōu)勢中展現(xiàn)出來。

參考文獻

[1]張正選.鉆井工程異常預警方法研究[D].成都：西南石油大學，2014.

作者：趙志明 鄧慧靜 劉斌 單位：盤錦職業(yè)技術(shù)學院