欠*衡钻井过程中的风险分析及对策研

发布于:2021-06-14 17:17:43

欠*衡钻井过程中的风险分析 及对策研究
学生姓名:张红雨 专业班级:安全工程 06-2 班 指导教师:贾星兰
2010 年 6 月 20 日

欠*衡钻井过程中的风险分析及对策研究 摘要
欠*衡钻井技术是 90 年代在国际上迅速发展起来的一项钻井新技术。 在美国,欠*衡钻井技术被称为上游石油工业新技术,已经成为钻井技术 的发展热点。然而,由于其技术及原理的特殊性,导致井喷事故时有发生。 因此,全面探究欠*衡钻井井喷的原因,制定相应的安全改进措施,也是 这项技术的重要组成部分。
针对上述情况,本文以事故树的方式对欠*衡钻井过程中的井喷事故 进行了安全系统分析,主要的工作如下:1.收集资料编辑事故树,通过查 找文献数据,对井喷的原因进行总结分类,根据因果关系,利用 FAULT TREE 编辑以“井喷”为顶事件的事故树。2.对事故树进行了定性定量分析;找 出了井喷事故发生与各基本事件之间的联系;对其中最主要的因素进行了 结构重要度计算。3.针对事故树分析的结果,对欠*衡钻井过程中的关键 技术、操作、管理等环节提出了相应的改进措施。
关键词:欠*衡钻井技术;事故树;安全
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ABSTRACT
Underbalanced drilling technology is a rapid development of new drilling technology in the world in the 1990s. In the United States, underbalanced drilling technology called upstream oil industry has become the new technology, the development of drilling technology. However, due to the particularity of its technology and principle, cause blowout accidents occur frequently. Therefore, exploring underbalanced drilling blowout reasons, formulate corresponding measures to improve the security of this technology, but also the important component.In view of the above situation, based on fault tree of underbalanced drilling process of the safety accidents at the main job of system analysis, are as follows:
1. Data collected by accident TREE edit, search blowout of the literature data, summarize the reason, according to the classification of FAULT TREE, using the causal relationship with "edit" for the event of blowout of accident TREE.
2. The accident tree analysis of the qualitative and quantitative analysis, Find a blowout accidents and the relationship between the basic event, One of the main factors of the structure importance.
3. In the accident tree analysis results of underbalance pressure drilling process, the key technology, operation, management, puts forward the corresponding improvement measure.
Keywords: Underbalanced drilling technology; Fault tree; Safety analysi
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目录
第 1 章 前 言 ................................................... 1
1.1 引言 ...................................................... 1 1.2 欠*衡钻井技术简介........................................ 1
1.2.1 欠*衡钻井的定义...................................... 1 1.2.2 欠*衡钻井的产生...................................... 2 1.2.3 欠*衡钻井分类........................................ 3 1.2.4 欠*衡钻井技术的优缺点 ................................ 4 1.3 欠*衡钻井技术现状及发展 .................................. 9 1.3.1.国外主要钻井技术发展应用情况.......................... 9 1.3.2 中国主要钻井技术发展应用情况 .......................... 9
第 2 章 欠*衡钻井主要风险及原因分析 ........................... 11
2.1 井喷事故后果介绍 ......................................... 11 2.2 欠*衡钻井井喷事故原因分析............................... 11
2.2.1 钻井液的选择失当..................................... 11 2.2.2 钻井操作失当......................................... 13 2.2.3 固井操作失当......................................... 16 2.2.4 未及时检测到井涌..................................... 17 2.2.5 检测到井涌但控制措施不适当........................... 17 2.3 事件的综合影响及门的选择................................. 18
第 3 章 事故树定性分析 ......................................... 20
3.1 建树过程................................................. 20 3.2 事故树定性分析........................................... 32
3.2.1 最小割集............................................. 32
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3.2.2 最小径集............................................. 36 3.2.3 定性分析的意义....................................... 40
第 4 章 事故树定量分析 ......................................... 41
4.1 理论模型................................................. 41 4.2 等效事故树............................................... 42 4.3 事故树定量计算........................................... 44
第 5 章 风险控制改进措施 ....................................... 46
5.1 风险控制必要性........................................... 46 5.2 关键技术的控制........................................... 46
5.2.1 做好欠*衡钻井地质选井工作........................... 46 5.2.2 合理确定欠*衡欠压值................................. 46 5.2.3 相对稳定的井口回压控制技术........................... 47 5.2.4 做好欠*衡完井技术................................... 47 5.3 改进措施................................................. 48 5.3.1 严格贯彻候选井选择方案............................... 48 5.3.2 做好欠*衡钻井计划................................... 48 5.3.3 做好欠*衡钻井井控工作............................... 48 5.3.4 加强钻井队的欠*衡钻井培训........................... 49 5.3.5 做好钻井液的设计工作................................. 49
第 6 章 总结与展望 ............................................. 50
6.1 总结..................................................... 50 6.2 展望..................................................... 51
致 谢 ......................................................... 52
参考文献 ...................................................... 53
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第1章 前 言
1.1 引言
从石油工业发展的趋势来看,常规的钻井方式已经不能满足现代钻 井的需要,欠*衡钻井技术已成为钻井技术发展的热点。该技术有利于 降低油气勘探开发成本,最大限度的保护油气层;有利于中小型油气田、 非常规油气藏、低压低渗油气藏的勘探开发;有利于油田中后期改造挖 掘。因此,欠*衡钻井由于其技术的先进性为勘探、开发带来了广阔的 前景,在油气田开发中发挥着越来越重要的作用。
本论文结合国内外欠*衡钻井实践,以事故树分析的方式对欠*衡 钻井过程中的井喷事故进行了详细深入的分析,内容涉及欠*衡钻井的 定义、发展趋势、工艺、钻井设备、井喷危险因素等诸多方面。本论文 突出理论性与实践性相结合的特点,目的是进一步深入了解欠*衡钻井 技术,并提出个人对于欠*衡钻井井喷事故预防的见解,望使更多的人 对于欠*衡钻井有一个更加深刻的理解。
1.2 欠*衡钻井技术简介
1.2.1 欠*衡钻井的定义
国内外关于欠*衡钻井的定义有很多说法,但最终是反映井筒内压 力与地层孔隙压力之间的关系,其中:
(1)美国石油协会在“钻井用防喷设备”----RP53 草案第十三条定 义为:欠*衡钻井是在钻井过程中允许地层流体流入井内,循环出井, 并在地面加以控制的钻井技术。简称 UBD, 即 Under Balanced Drilling。
(2)加拿大能源储备部定义为:钻井过程中钻井液柱压力低于产层
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压力,若钻井液密度不够低,则在钻井液中冲入气体,允许地层流体进 入井眼,并可将其循环至地面加以控制的钻井技术。
(3)我国有几个进行过欠*衡钻井的油田认为:在钻井过程中钻井 液柱压力低于地层压力,使产层的流体有控制的进入井筒并将其循环至 地面,这一钻井技术称欠*衡钻井。
上述几个国家的定义大致相同,根据定义,可以理解为“欠*衡” 主要是根据钻井过程而言。只要在具备实施欠*衡层段中用一只钻头穿 过,即可顺利实行欠*衡钻井。
1.2.2 欠*衡钻井的产生
欠*衡钻井技术是一项综合技术,是传统的空气、气体钻井技术与 * 15 年发展起来的充气、雾化钻井技术的统称。空压机是欠*衡钻井过 程中提供压缩气体的关键设备。轻便的小空压机首先是在 19 世纪 80 年 代后期采矿业中用来气动打孔。我们不知道第一次用气体钻井技术钻井 是什么时候,但我们知道第一次用轻便的小空压机钻探的石油和天然气 井是在 20 世纪 20 年代。更多的使用气体作为循环钻井液体开始于 20 世纪 50 年代早期。到了 20 世纪 70 年代后期,已经有 10%的深井的钻井 和完井已经采用了气体和空气钻井技术。
充气钻井流体应用于钻井,开始于 20 世纪 30 年代。稳定泡沫技术 应用于油井修井作业开始于 20 世纪 70 年代早期。21 世纪末期,虽然越 来越多的油气田进入衰竭期,但是越来越多的油气井采用了泡沫和充气 钻井液技术。据专家统计:美国大约有三分之一的陆上钻井采用了欠* 衡钻井技术,加拿大大约有 40%。其它统计显示:在美国大约 30%的石油 天然气的钻井和完井采用了欠*衡钻井技术。
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1.2.3 欠*衡钻井分类
欠*衡钻井技术经过几十年的发展,至目前,国外已经发展了空气 钻井、氮气钻井、天然气钻 井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井液钻井、 边喷边钻等多种欠*衡钻井技术。
(1)空气欠*衡钻井技术,是指空气作为循环介质进行欠*衡钻井, 是最早发展的一种欠*衡钻井技术。由于该技术是直接使用大气中的空 气,所以可较大地节约钻井材料费用。
(2)氮气钻井技术,在欠*衡钻井中,氮气能用作钻井液,或作为 钻井液的一种组成成分。主要的优点胜过空气钻井,因氮气和烃气的混 合物不易燃烧,这样,可消除井下着火的可能性。
(3)天然气钻井技术,在天然气钻井中,使用天然气如同使用氮气 或使用空气一样,可用作欠*衡钻井的循环介质。在钻含油气地层时, 使用天气然钻井或防止井下气体混合物着火。然而,不同于氮气或空气, 天然气当它排放到大气中时,一定会形成一种易燃的混合物。这种固有 的较高的地面着火的潜在危险。使用天然气的钻井方法与使用空气或氮 气钻井有一些不同。
(4)雾化钻井技术,在空气钻井过程中,如出现少量的地层水流, 通常作法是将空气钻井转变成雾化钻井。雾化钻井的具体作法是,在压 缩的空气流未注入钻柱之前,向其注入少量的含有起泡剂的水。注入的 这种液体与地层产出的水就会分散成不连续的(独立的)液滴的雾,这 种雾流速度与气流速度相同。
(5)泡沫钻井技术,泡沫可用作钻井的循环流体,泡沫流体为气液 两相构成的乳化液,它具有静液柱压力低、漏失量小、携屑能力强、对 油气层损害小等特点。适用于低压、易漏、水敏性地层、欠*衡泡沫钻 井技术是目前国外应用较为广泛的一项钻井技术。
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(6)充气钻井液钻井技术,虽然充气钻井液很早就用于油气工业, 但是,在 50 年代早期在美国犹他州的 Emery 县才第一次使用充气钻井液 钻井。当时,是使用充气泥浆作为钻井液,主要用途是避免因使用泥浆 钻井时的井漏,而不是特定用于欠*衡钻井,*年来,由于水*井钻井 的迅速发展,为了避免水*钻井中的地层损害,在加拿大、美国及世界 上其他地区,使用充气液体作为钻井液已被用于欠*衡钻井。充气钻井 液的连续相通常为未稠化的液化,如水、盐水、柴油、或原油等,气相 为氮气、空气或其它气体。充气钻井液一般不含有表面活性剂,在井下 具有较高的液体体积分数。使用充气钻井流的井底压力通常高于用雾、 泡沫等其它轻质钻井液的井底压力。充气钻井液的有效密度通常为 4ppg-7ppg (0.48g/cm3-0.48g/cm3)。
(7)边喷边钻技术,随着欠*衡钻井技术的进一步发展成熟及能承 受高压的旋转也喷器引入油田后,发展了使用液体钻井液对高压地层进 行欠*衡钻井技术,这种技术国外称为 Flow Drilling(国内译为边喷 边钻)。严格地讲,欠*衡钻井都是边喷边钻,本部分所介绍的边喷边钻 系指涉及到用液体钻井液进行的欠*衡钻井作业,另外的含意是利用自 然欠*衡状态进行的钻井作业。
1.2.4 欠*衡钻井技术的优缺点
(1)欠*衡钻井的优点 由于欠*衡钻井具有很多优势,越来越多的井采用了该项技术。这 些优点包括:提高机械转速;减少漏失;延长钻头寿命;提高地层评价 效果;减少地层损害;更早的油气产出;海上钻井可以得到更大的油层 井眼和环境保护。 ① 提高机械转速 欠*衡钻井避免了钻头底部对岩石的压持效应。没有压持效应,钻
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头牙齿可以更好的切削井底,并把岩屑带离井底,这样对清洁井底和提 高机械转速都有好处。一个对气体钻井技术的评价显示:在同样的地层 钻进,欠*衡钻井的钻速达到普通泥浆钻井的 10 倍以上。气体和空气钻 井中,120ft/h 的机械转速是很容易达到的。
② 减少漏失 当钻井液钻遇天然裂缝地层或渗透性强的岩石体时,由于井眼压力 过高,钻井液就会进入地层,引起漏失,并且这种过高的压力会在压力 衰竭储层产生裂缝而引起漏失。用传统的方法钻井,因为漏失引起的经 济损失是十分严重的。欠*衡钻井是减少天然裂缝储层和压力衰竭储层 钻井液漏失的一种有效手段。在深井钻井中采用欠*衡钻井技术的其他 优点还有很多,例如:地层空隙压力梯度和地层破裂压力梯度非常接* 时可采用欠*衡钻井技术;采用欠*衡钻井在钻进时可以方便的调节钻 井液当量循环密度。 ③ 延长钻头寿命 欠*衡钻井的钻头使用寿命通常大于过*衡钻井时的钻头使用寿 命,原理就是:钻井液引起的过*衡压力会增强岩石的抗压强度。欠* 衡钻井不存在过*衡钻井中钻井液施加在岩石上的压持效应,因此,在 欠*衡钻井中岩石更容易被钻头牙齿破碎。另外,没有压持效应,钻屑 更容易被钻井液带离井底,减少了钻头牙齿对岩屑的重复研磨。 ④ 减少粘卡 粘卡的发生跟过*衡钻井中在渗透性地层泥饼的形成有关。当设备 的载荷不能将井眼内的钻具或设备引出时我们就认为发生粘卡了。欠* 衡钻井中没有泥饼的形成,所以也不会存在粘卡的问题。 ⑤ 提高地层评价效果 通过直接观察、检测返出的钻井液,欠*衡钻井提供了一种及时监 测发现油气储层的方法,如果采用过*衡钻井这些储层就有可能被错过。
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因为快速返出的钻井液流体中含有岩屑和储层流体,所以欠*衡钻井过 程中更容易精确辨别一定井深处的油气储层。另外,由于采用了欠*衡 钻井技术,减少了钻井流体进入地层,提高了裸眼井段的测井解释效果 和不稳定试井测试的效果。
⑥ 减少地层损害 过*衡钻井过程中,钻井流体(液体和固体颗粒)容易进入渗透性 地层对地层造成损害。钻井液的侵入会改变岩石的润湿特性,降低岩石 的渗透性,堵塞地层孔隙。地层孔隙堵塞的来源可能来自钻井流体等外 来流体的侵入或者本身矿物岩石的膨胀。这些变化降低了油气储层的有 效渗透率。油公司要求采用欠*衡钻井的原因是在钻进过程中欠*衡钻 井可以减少钻井流体对地层的损害。尽管这种钻井技术在某些区域比过 *衡钻井要昂贵的多,但是它减少了对储层增产的要求,节省了增产施 工的费用。 ⑦ 更早的油气产出 通过使用合适的地面设备,在欠*衡钻井过程中,一打开储层就能 采收油气。当继续钻进打开更多的油层时,油气就可以收集起来,有可 能足够支付欠*衡钻井阶段的费用。 ⑧ 环境保护 空气和气体钻井消除了钻井过程中和完井后钻井液对环境的潜在污 染。雾化和泡沫钻井中用到的化学处理剂通常是可生物降解、对环境友 好的,他们不会带来太大的环境问题。当然,欠*衡钻井中产生的地层 流体需要用闭合的地面系统进行处理,从而减少对环境的潜在污染。 (2)欠*衡钻井的局限性 欠*衡钻井具有一些技术上和经济上的局限性。这种局限性包括: 井眼稳定问题,液体侵入问题,定向钻井问题,安全因素,经济上的考 虑。
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① 井眼稳定问题 欠*衡钻井的井筒压力比常规的过*衡钻井要低,这可能会引起井 壁坍塌,且低的井眼压力还可能会引起一些井段的缩径。欠*衡钻井过 程中经常能看到返出很多的页岩岩屑,这些岩屑并不只是钻头切削井底 产生的,而是井壁的坍塌掉块。当钻遇大段水敏性粘土地层时,这种情 况就可能发生。原因是由于吸水作用或脱水作用使得页岩的含水组分变 化,导致了*井眼处额外的岩石应力产生,从而引起井壁失稳,并且突 然地井壁坍塌会引起卡钻。欠*衡钻井过程中使用大排量的干燥空气和 气体作为钻井流体也会对地层松软的井段造成冲蚀。井眼稳定性的要求 一般是欠*衡钻井井筒压力的下限。 ② 液体侵入问题 液体侵入包括水的侵入和油的侵入。我们已经讨论过,在空气气体 钻井中水的侵入会导致泥饼环的产生,泥饼环会不断增大,会引起钻具 被卡。大量水的侵入会使得井底流动压力急速升高并降低了气体流动速 度,导致空气气体的携岩能力降低,如果发现不及时就会进一步引起卡 钻发生。水的侵入通常要求将空气气体钻井转化为雾化或泡沫钻井继续 钻井。另一个水侵引起的问题就是处理侵入的地层水的费用问题。 另一种液体侵入就是油层油的侵入问题。尽管钻进中产出的原油是 有一定好处的,但是他要求有合适的地面设备在一定压力下能够安全处 理最大流量的原油。在绝大多数情况下,有合适的地面设备处理钻进过 程产生的原油,然而如果产生的原油太多而产生的处理能力不够时,就 只好转换为*衡钻井了。 ③ 定向钻井的问题 尽管欠*衡钻井在一些油藏压力不是太低的地区可以使用液体钻井 流体实现,但是绝大多数是采用高压缩率的充气流体,而传统的定向工 具只能在不可压缩流体中才能工作。通过泥浆脉冲遥测的随钻测井(MWD)
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工具在可压缩流体中也不能工作,这是因为 MWD 工具产生的压力脉冲无 法通过可压缩流体往地面传递可检测的波幅信号。在可压缩流体的定向 井中需要用电磁随钻测井工具。传统的定向井下动力马达适用于不可压 缩流体,如果在压缩性流体中使用,他们就会失效。
④ 安全因素 欠*衡钻井施工中几方面的安全因素必须考虑。首先,在空气钻井 中的一定条件下井底会起火或者爆炸。虽然这样的几率很小,但是后果 是严重的,井下钻具结构可能会被融化或炸断。通过使用不可燃气体如 氮气可以避免井下起火,但是费用比*汗蟆Mü杲俣龋褂 雾化或者泡沫流体钻井可以降低井下着火的可能性。 震动和噪音是空气气体钻井的另一个需要考虑的安全因素。震动可 以导致钻具断裂和人员伤害,同时高的噪音也会对人体健康造成损害。 尽管这些问题可以通过使用雾化或泡沫钻井解决,但是这样会降低机械 钻速。 ⑤ 经济上的考虑 虽然许多井可以采用欠*衡钻井,但是出于经济上的考虑,绝大多 数这样的井还是不采用这项技术。主要考虑的因素就是提高钻速和油井 产量带来的效益与处理这些水和油气所消耗的费用的对比情况。在许多 地区,环境保护的要求很严格,水处理的费用很高。提高钻速带来的效 益不能弥补处理这些液体所消耗的费用。欠*衡钻井带来的效益不是总 能补偿钻井费用,特别是那些采用欠*衡钻井后仍旧需要水力压裂的井。 另外,当设计欠*衡钻井项目时还要考虑设备的能力和后勤保障问题。
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1.3 欠*衡钻井技术现状及发展
1.3.1.国外主要钻井技术发展应用情况
欠*衡钻井作业的关键技术包括产生和保持欠*衡条件(有自然和 人工诱导两种基本方法)、井控技术、产出流体的地面处理和电磁随钻测 量技术等。到 2006 年,欠*衡钻井技术的进展主要集中在井控、钻井液、 程序设计、特殊工具等方面。国外已经能成熟运用新一代欠*衡钻井技 术,即在钻进、接单根、换钻头、起下钻等全部作业过程中始终保持井 下循环系统中流体的静水压力小于目标油气层压力,同时欠*衡钻井技 术也越来越多地与水*井多分支井及小井眼钻井技术相结合,有效开发 了一些新老油田,其应用范围日益广泛,美国已将其列为 21 世纪急需的 钻井技术。
国外已经实现了全过程的欠*衡钻井、完井。欠*衡钻井技术发展 有如下几个关键方向:钻井模型分析;更有效的钻井液;更有效的井底 导向系统与马达;有利于新的钻井液的井控与地面分离系统;集成化趋 势。未来欠*衡钻井技术将进一步朝安全、简便和适用的方向发展。这 项技术对于保护油层和提高钻井速度具有重要意义,将广泛用于低压低 渗油田和老油田。
1.3.2 中国主要钻井技术发展应用情况
中国欠*衡钻井技术自进入 21 世纪以来发展较快。到 2006 年末, 已采用该项技术完成 60 余口井,所用设备主要以引进为主。新疆、中原、 大港、胜利等油田引进了一批设备,钻成了一批欠*衡井,具有了一定 的经验。“九五”期间大港油田针对前第三系深层勘探进行了欠*衡钻 井完井技术综合研究,在千米桥潜山和乌马营潜山采用低密度无固相钻
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井液体系实施了欠*衡钻井工艺技术,完井采用射孔完成,成功的发现 了千米桥潜山亿吨级的凝析油气田,揭示了乌马营潜山储油气藏特征。 截止到 2006 年,大港油田已经先后引进了三套主要欠*衡装置,成立了 专业化技术服务队伍,从设备和经验上都具有了很好的基础。在以液体 为介质进行欠*衡钻井施工上,从设计及施工人员的水*、欠*衡装备、 现场施工中井口回压控制等技术上都取得了一定的成功经验,在中国国 内产生了良好的影响。
随着中国欠*衡技术认识的不断加深,该技术开始逐渐被应用于老 油田的开发,今后欠*衡技术在中国的应用范围将逐渐扩大,设备配套 国产化的进程将逐渐加快,实现全过程欠*衡将成为今后中国各油田发 展的目标。
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第 2 章 欠*衡钻井主要风险及原因分析
2.1 井喷事故后果介绍
井喷,是一种地层中流体喷出地面或流入井内其他地层的现象,大多 发生在开采石油天然气的现场。引起井喷的原因有多种:地层压力掌握不 准、泥浆密度偏低、井内泥浆液柱高度降低;起钻抽吸,以及其他不当措 施等。井喷有的是正常现象,但出现井喷事故,天然气喷出后与空气摩擦, 容易发生燃烧,因此非常危险。常见的抢险方法是将密度大的重晶石粉灌 到井里,以增加压力,止住井喷继续发生。
井喷是石油或石油气开采中非常忌讳的意外事故,钻井时要把泥浆注 入井管来*衡地下地层对油气的压力。但是当勘测时对地下压力测试不准 或注入的泥浆密度太低或出现地层压力突然变大等情况时,井管中的油或 气喷出地面或流入井内的其他地层就发生了井喷,井喷往往伴随着有毒气 体的着火,造成对环境和人较大的危害。井喷发生后对其控制的方法叫压 井,压井主要有司钻压井法和工程师压井法,司钻压井法是先把井里的气 或油排出来,再用重泥浆替换原来太轻的泥浆,这种方法需要时间较长, 在加重设备不足的时候时常使用。工程师压井法是在计算好需要泥浆的量 以后一次性打入井管的方法,这种方法较快,但物资上必须有保证。
2.2 欠*衡钻井井喷事故原因分析
2.2.1 钻井液的选择失当
(1)钻井液选择主要依据及影响因素 ① 钻井液与地层流体的相容性
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在欠*衡钻井中,如实现了真正的欠*衡,地层流体中的油水气就会 进入井眼,同循环的钻井液接触,可能出现生成高粘度乳状液、润湿反转、 结垢和沉淀物以及注入介质的氧化作用问题。
1)地层产出水和循环油紊流混合,形成极稠的稳定乳状液,增加了泵 压,导致欠*衡状态破坏,且气体难以分离。另外高黏也破坏了环空流体 的紊流状态。
2)在大多数欠*衡钻井作业中,一般使用表面活性剂来抑制稳定乳状 液的形成。对油基钻井液体系,如果表面活性剂搭配不当,可能导致钻屑 分离不良,钻屑成团或卡钻。而且含有表面活性剂的钻井液漏失到地层, 易引起地层的润湿性转变为亲油性。
3)不相容的地层产出水和水基钻井液滤液混合,生成结垢和混合物。 如果注入气中含有二氧化碳,二氧化碳溶解在产出油和循环油中,在很高 的井底循环压力下就可能产生沥青,出现结垢和沉淀物。
4)欠*衡钻井作业中,如果使用空气、隔膜产生的氮气或柴油机烟道 气作为注入气,也可能发生氧化反应。在高温下钻井液与氧接触,也会产 生沥青和高粘性的污泥。如含氧量超过 5%,就可能发生井下或地面着火, 甚至爆炸。
② 地层产出流体对钻井液的稀释 在任何欠*衡钻井作业中,循环流体会被地层产出的混相流体迅速稀 释,即便使用闪点调控的很好的油基钻井液系也可能受到污染。多数泡沫 钻井液体系与油和地层盐水接触后会迅速稀释,并产生不良反应。应测量 储层中产出的原油苯胺点和浊点,以确定产出油是否会影响到钻井液的重 复使用。另外还要确定产出液与温度较低的循环钻井液接触时,石蜡不会 结晶析出。 ③ 钻井液的粘度 在人工诱导的欠*衡钻井作业中,一般不考虑使用高粘度的钻井液,
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这是因为高粘度的钻井液难以维持充分清洁井眼所需要的紊流,而且难以 控制固相和分离气体。另外泵送高粘度钻井液产生的高摩擦压力也可能导 致钻头处欠*衡状态的丧失。
(2)欠*衡钻井液的关键技术 欠*衡钻井液的技术关键在于基液的选择,而基液的选择应综合考虑 储层、流体、作业和经济因素。 油藏压力。油藏压力越低,钻井液液柱压力越低,欠*衡钻井液选择 的种类越有限。对大位移水*井和深直井,由于摩擦压力降很大,不宜使 用泡沫或粘性更大的基液;对于严重衰竭的地层,则应选择泡沫、气体或 雾钻井液。 钻井液、产出储层流体、注入气、产出气的相容性以及安全问题。 钻井液和储层岩石的相容性。欠*衡压力状态万一丧失,钻井液就会 在过*衡压力下侵入地层。 储层润湿性。通常推荐非润湿性基液,作为一种最大限度的减少钻井 液自发吸入地层的方法。另外,选择精确的循环模式对注气钻井液非常重 要,这是保证欠*衡钻进的关键。合适的循环模式必须根据钻井液流变性、 环空形状、深度、井眼方位和井下条件等条件进行两相流分析并量化。 由此可见,钻井液的选择需要考虑多方面因素的影响。在选择钻井液 时一定要综合考虑,如若钻井液选择失当,将会为井喷事故的发生创造条 件。
2.2.2 钻井操作失当
(1)起钻时灌钻井液不及时 起钻时灌钻井液不及时包括操作上的原因和地质原因两方面。地质原 因主要是因为地质疏松渗透性强。而操作上的原因包括每次灌浆量不足、 灌钻井液闸门没打开、备灌钻井液量不够、灌钻井液管线冻结或堵塞、钻
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井泵故障等。 钻井泵故*ㄒ韵略颍 ① 钻井泵液力端故障 钻井泵的压力一般为钻井液排出的钻井液压力,长期以来,一般钻井
泵输送的洗井液为钻井液,由于净化系统的处理能力与钻井液的配方不同, 当钻井液中含有比较多的固相或含砂较多时,钻井泵在长时间的往复式运 动下,活塞与缸套,凡尔体与凡尔座会发生疲劳和磨损,或其他因质量问 题造成的其他故障,使正在正常运转的钻井泵产生压力波动,进而影响了 正常的钻井生产,特别是现在使用无限随钻仪器以来,压力的波动直接影 响了信号的传输,使地面导向数据难以准确,直接危害到钻井的安全生产。
液力端常见的几种故障: 1)缸套、活塞的损坏与磨损。 缸套与活塞的损坏包括几种情况:一种是正常的磨损,使配合间隙增 大。二是活塞胶碗损坏。 2)凡尔体与凡尔座的损坏。 凡尔体与凡尔座的损坏有几种情况,一是本体密封面刺坏,二是质量 问题造成的扶正块断裂,三是弹簧断裂,四是扶正压板脱落等。 3)凡尔体卡死或异物阻卡 凡尔体卡死原因很多,但现场异物卡死现在也时有发生,比如泥浆净 化不合理,上水管胶皮脱落等。 4)上水管密封不足。 5)空气包压力不足。 ② 钻井泵动力端故障 1)轴承温度偏高 支持轴承座同轴度差。同轴度差导致轴承径向受力不均匀,径向受力 不均匀:一方面造成轴承偏磨;另一方面产生轴向附加力,从而影响齿轮
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的啮合程度。齿轮的啮合状况不好,反过来会加重径向受力不均匀,进而 加重径向偏磨。如果产生轴向附加力合力比较大且方向指向轴一端,会导 致轴沿附加力合力方向窜位,进一步加重轴承的偏磨,人字齿轮啮合状况 恶化。如果不及时发现,排除故障,严重情况会导致轴承烧死、铜支架散 架、滚柱变形 、泵壳体撕裂、人字齿断裂、其损失和后果可想而知。
2)有的轴承因装配质量不过关。轴承与轴配合精度不够,在运转过程 中内轨与轴发生相对运动,出现轴承跑圆、轴轴向窜位,使轴承发热,温 度过高导致轴承失效。
3)润滑油管线不畅通。润滑油变质和太脏,会阻塞油路,引起润滑失 效,破坏润滑效果而使滚动体干磨,导致轴承轨道或滚动体拉伤、剥落。 润滑效果不好,不但加速轴承损坏,也会损失泵功率,降低机械效率。轴 承内外轨道、滚动体剥落、表现出坑点,游隙大都伴随着高温、响声大等 特征,应及时更换。轴承失效是钻井泵最主要的故障。
4)钻井泵响声异常 泥浆中含气量大的因素可以从泥浆检测中得出结论,除此之外就是泥 浆泵本身存在异常。主要原因是十字头或导板间隙大,导致响声异常。磨 损拉伤是指在较短时间内(一般 2-3h)接触面上出现深槽迅速失效的一种 表现形式。从几何形状来看,全磨拉伤发生在导板和十字头整个或 3/4 接 触面上,而偏磨发生在局部,特别是角部。从拉伤深度来看全磨沟槽较深 一般在 2-4mm,粗糙度在 50-100μm,偏磨沟槽一般在 1-2mm,粗糙度在 25μm 左右。在现场应用中,当十字头在曲轴的作用下在导板上*行滑动时,运 动间隙超标和润滑不良,会破坏滑块间的油膜干磨发出巨大声音和大量的 热。严重的拉伤十字头和导板,甚至缸套活塞。所以,调节好十字头和间 隙和提供可靠地润滑效果非常关键。十字头间隙一般在 0.25-0.50mm 范围 内,导板固定螺栓上紧扭矩为 200-270N。m,同时十字头和中心拉杆的同心 度必须小于 0.38mm,保证十字头是在导板上做*行滑动。
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5) 人字齿轮剥落 齿轮齿面上有一些均匀的点蚀是正常的,但是点蚀逐渐扩大,造成齿 轮掉快,就会因为啮合不好发出异常声音,这种异常声音出现有一定规律。 造成齿轮掉块因素是多方面的。主要因素是与齿的材质有关,如果材质不 达标,热处理不达标,就会造成齿轮耐磨性差,冲击强度弱,使用时间不 长就出现齿面磨损成研磨状,继续使用就会齿轮掉块。其次可能是曲轴运 动圆周跳动量大引起的破坏性冲击,齿根处产生较大弯曲应力,再加上几 何形状上存在应力集中,使齿根处产生疲劳裂纹并逐步扩展而断裂。为减 少冲击,可采取选择间隙在 0.30-0.50 范围内的支持轴承。
2.2.3 固井操作失当
固井操作中主要出现的问题就是固井过程中的漏失,在固井操作中漏 失主要分为以下几个类型:
(1)渗透性漏失 许多区块在上部地层存在渗透性漏失的问题,地层 胶结性差,渗透性好,钻进过程中渗漏速度在 1-5m3/h 不等,压差高时渗 透速度加快,固井施工中表现返浆排量减小,水泥反高不够。
(2)产层亏空性漏失 许多区块属于高温、高压、高盐、低渗透、非 均质严重的复杂断块型油气田。进入开发中后期后,部分产层压力降低幅 度较大,且由于地层连通性较好,钻开后极易发生漏失。同时由于强采强 注和注采对应关系的不准确,造成了地层能量的失衡,层间、层内压力差 异突出,地层原始状态受到严*苹担硐衷诘髡昃┕ぶ校醋 井过程中对应层系无漏失、无溢流的层系,现在注水井不停注时井下压力 高,注水井停注泄压后,地层压力降低,导致漏失发生。
(3) 裂缝性漏失 有的区块经历了多期构造运动,地层中层理裂缝发 育。上部地层裂缝较少,随着埋深增加,裂缝发育愈甚。钻遇裂缝发育地 层,漏失现象极为严重。
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(4)长裸眼高低压互层压差性漏失 *年来,井身结构逐年简化,技 术套管少下或不下现象越来越严重,长裸眼段井越来越多,有的长达 3000m 以上。而这些井绝大多数是调整井,受多年注采影响,地层压力层系紊乱, 高低压层互存,钻井施工中因*衡高压层的需要,极易造成低压层漏失。
2.2.4 未及时检测到井涌
井涌是井喷的前兆,当井涌发生时如果不能及时检测而任其发展,那 么井喷就会发生。一般来讲,井涌发生后而未能成功检测无外乎设备和工 作人员的原因。设备方面主要是由于检测设备的不合格,使得井涌发生时 还未能及时作出警报,延误了井控时间。而工作人员的疏忽大意,自身素 质不合格,未及时上岗等也会导致井涌发生时未能及时检测,进而导致井 喷事故的发生。
2.2.5 检测到井涌但控制措施不适当
(1)井控设备失效 井控设备失效的一个重要原因就是压力控制的失效。 当遇到钻井液性能差、提钻速度过快、钻具结合不好、钻具过长、钻 头泥包、水眼堵塞、环空间隙小等因素影响时,井内就会产生抽吸现象。 而抽吸的发生就会导致压力失控。另外,在钻井过程中未预料的高压和地 层破裂等未知因素的影响也会导致压力失控。 导致井控设备是的另一个重要原因就是流体的正常流动失效。导致流 体正常流动失效的原因很多,主要包括防喷器不在适当位置、接头等在防 喷器内、卸载太快、闸板不在正常位置、关防喷器不成功、防喷器关闭后 不起作用、套管鞋处破裂、接入管柱阀不成功等。 (2)井控操作程序不合理
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① 井控意识淡薄,安全素质不高。意识是一种思想形态,是长期潜移 默化的文化积累,而素质是意识和能力的结合。井喷防范意识差,其主要 原因是没有正确处理好生产与安全、效益与安全的关系,存在侥幸麻痹大 意的思想。在工作中低标准、低要求、坏*惯。
② 安全责任心不强,措施执行力差。井控安全的保障,得益于人、机、 料、法、环的高度统一。而井控质量的保证,则取决于人的安全责任心。 在一些作业井上,跟班干部安全责任心不强,不组织员工进行必要的安全 风险识别;各岗位员工交接班检查不认真,巡回检查制度流于形式,一些 井控措施根本得不到落实和执行。
③ 井控安全投入力度不足。随着新区块的开发,地层、井筒情况下的 不确定性,井控装备的低标准、低要求、低配套,埋下了井控失效的隐患。
④ 井控管理机构和制度不完善。井控管理机构是履行井控管理的执行 部门。石油企业现行的井控管理组织模式是:集团公司、二级单位、三级单 位、作业队等四级井控管理组织网络。但由于领导人员和组织机构的不断 调整,导致井控组织机构成员不齐或经常变动,影响了对井控工作的领导 和组织。
*几年来,随着对井控工作的重视,各种井控管理制度层出不穷,出 现了很多制度管理重叠、交叉现象。而在一些新领域,井控管理制度确是 空白。
安全教育培训没有针对性。*时的安全教育和应急演练,千篇一律, 没有针对性;没有处理好取证与技能培训的紧密衔接,实战经验不足,现 场应急处置能力欠缺。
2.3 事件的综合影响及门的选择
在事故树分析中,许多事件的影响不是单一起作用的,也即单一事件 的发生不能导致事故的发生,只有在多个事件同时发生时,事故才能发生。
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例如,在钻井液稀释密度降低事件中,气侵钻井液和选择的钻井液密 度不足都能导致钻井液稀释密度降低,虽然在有些情况下单一情况的影响 也能导致其发生,但是在多数情况下,是其两方面因素的共同影响才导致 其发生,所以在建树时选择与门。
再如,起钻时灌钻井液不及时和井漏都是导致井喷事故发生的直接原 因,但是在现实作业中,井喷并不是那么容易发生的。特别是在现今各项 安全控制技术比较发达的时代,井喷的发生往往需要多方面因素共同作用。 虽然起钻时灌钻井液不及时和井漏都可能单方面导致井喷事故的发生,但 是结合现实中的实践,我认为两者结合导致井喷事故发生的几率更大,故 选择与门。
再如,井控设备失效的产生是由压力控制失效与流体正常流动控制失 效造成的。但是二者并不是同时发生的,当压力控制失效时,其实可以立 即采取措施保持流体的正常流动。但是一旦压力失效后,没有及时采取措 施控制流体的正常流动,井控设备就会失效。二者并不是同时作用,但是 只有在两者全部失控之后,惊恐设备才会失效,所以也选择与门。
还有,在人员自身素质不合格因素分析中,列举了相关专业知识不合 格、有非专业人士兼任、未认识到事故后果严重性三条。其实,在现实中 并不一定全部是三种因素共同发生,但是考虑到现实情况的复杂性,几种 因素相互作用可能相互交织重叠,所以在列举了几个主要因素的同时选择 了与门,使其与现实更加接*。
在事故树创建中,门的选择直接关系到事故分析的真实性。在理论上 讲门的选择应当严格遵从事故树的建立原则,但是考虑到现实中影响因素 的复杂性,我们往往要结合大量的实例,总结事故发生的规律,在选择影 响因素时,抽取最主要的关键因素,结合现实考虑其发生可能性,进而选 择使分析最贴*实际的门。
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第 3 章 事故树定性分析
3.1 建树过程
(1)确定事故树的顶事件 确定事故树的顶事件是指确定所要分析的对象事件。根据事故调查报 告分析其损失大小和事故频率,选择易于发生的事故作为事故的顶事件。 在欠*衡钻井分析中,容易发生而且事故后果十分严重的事件就是井喷事 故,所以在此选择“欠*衡钻井井喷”作为顶事件。 (2)分析顶事件 造成欠*衡钻井井喷的因素很多,但是并不是单一因素的影响就能造 成井喷,特别是在现在这个各项技术相对发达的年代。寻找导致欠*衡钻 井过程中井喷事故发生的直接的必要和充分原因,并将它们置于顶事件输 入事件。由于成因后果的多层次性,从而形成一连串的因果链。 (3) 分析输入事件 像分析顶事件和输入事件一样,把能继续分解的输入事件作为下一级 的顶事件进行处理。 (4)建树 重复以上步骤,逐级向下分解,直到所有导致欠*衡钻井井喷事故的 原因不能再分解或不必再分解为止。这样就建成了一棵事故树。事故树如 下图所示
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图 3-1(a)
21

图 3-1(b)
22

图 3-1(c)
23

图 3-1(d)
24

图 3-1(e)
25

图 3-1(f)
26

图 3-1(g)
27

图 3-1(h)
28

图 3-1(i)
29

图 3-1(j) 图 3-1 欠*衡钻井井喷事故树
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表 3-1 欠*衡钻井井喷事故树基本事件表

X1 局部地质压力异常

X41 拔活塞起钻

X2 加入隔离液密度过低

X42 停泵时间长

X3 水泥候凝期间失重

X43 钻遇高压气层

X4 井下高压未压稳

X44 加重不均

X5 检测设备不合格

X45 起下压力激动

X6 选择的钻井液密度过低

X46 粘切高

X7 地质疏松渗透性强

X47 岩屑浓度大

X8 裂缝性漏失

X48 泥包

X9 岗位培训不过关

X49 砂桥

X10 未按时上岗

X50 坍塌条件下开泵过猛

X11 未认识到井涌

X51 环空间隙小

X12 选择的钻井液富余空间小 X52 钻井液性能差

X13 每次灌浆量不足

X53 提钻速度过快

X14 灌钻井液闸门没打开

X54 钻具结合不好

X15 备灌钻井液量不够

X55 钻具过长

X16 灌钻井液管线冻结或堵塞 X56 钻头泥包

X17 渗透性地层

X57 水眼堵塞

X18 天然裂缝、溶洞

X58 相关专业知识不合格

X19 开发造成多压力层系

X59 由非专业人士兼任

X20 开发造成地层破裂压力

X60 未认识到事故后果严重性

X21 地层胶结性差

X61 安全监督机构不健全

X22 地层渗透性好

X62 安全监督不到位

X23 产层压力降幅达

X63 未严格按照相关标准执行

X24 地层连通性好

X64 泵缸失效

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X25 井身简化长裸眼井多

X65 空气包失效

X26 需*衡高压

X66 皮带轮损坏

X27 地层压力紊乱

X67 齿轮失效

X28 未预料高压

X68 轴承失效

X29 地层破裂

X69 曲柄连杆机构失效

X30 防喷器不在适当位置

X70 十字头失效

X31 接头等在防喷器内

X71 阀盘失效

X32 卸载太快

X72 阀座失效

X33 闸板不在正确位置

X73 密封圈失效

X34 关防喷器不成功

X74 磨损失效

X35 防喷器关闭后不起作用

X75 挤伤失效

X36 套管鞋处破裂

--

--

表 3-1

续表

X37 接入管柱阀不成功

--

--

X38 操作规程不完善

--

--

X39 相关安全法规缺失

--

--

X40 相关法规自身存在缺陷

--

--

3.2 事故树定性分析
3.2.1 最小割集
在事故树分析中,我们把因其顶事件发生的基本事件的集合称为割集, 也称为截集或截止集。一个事故树中的割集一般不止一个,在这些割集中, 帆布包含其他割集的叫做最小割集。换言之,如果最小割集中任意去掉一 个基本事件后就不是割集,那么这样的割集就叫做最小割集。所以,最小
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割集是引起顶事件发生的充分必要条件。 目前,求最小割集的方法有很多,比如行列法、矩阵法、布尔代数法
等等,本文采用布尔代数法对事故树求解最小割集。任何一个事故树都可 以用布尔函数来描述。化简布尔函数,其最简析取标准式中每个最小项所 属变元构成的集合,便是最小割集。若最简析取标准式中含有 m 个最小项, 则该事故树有 m 个最小割集。
对欠*衡钻井井喷的事故树取最小割集,可得 81 个最小割集: e1={X1,X5,X6}; e2={X5,X7,X8}; e3={X2,X3,X4,X5,X8}; e4={X1,X6,X29,X30,X40}; e5={X16,X18,X29,X30,X40}; e6={X11,X16,X19,X20,X50}; e7={X2,X3,X4,X21,X22,X29,X30,X40}; e8={X1,X12,X29,X34,X43,X58,X59,X60}; e9={X7,X18,X29,X30,X40}; e10={X19,X20,X29,X34,X40,X50,X70}; e11={X17,X29,X34,X58,X59,X60,X70}; e12={X7,X11,X19,X20,X50}; e13={X5,X19,X20,X50,X70}; e14={X2,X3,X4,X23,X24,X29,X30,X40}; e15={X2,X3,X4,X25,X26,X27,X29,X30,X40}; e16={X2,X3,X4,X8,X29,X30,X40}; e17={X2,X3,X4,X21,X22,X29,X34,X58,X59,X60}; e18={X1,X6,X29,X34,X58,X59,X60}; e19={X1,X12,X30,X43,X57,X61};
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e20={X1,X12,X29,X30,X43,X58,X59,X60}; e21={ X1,X12,X29,X31,X43,X58,X59,X60}; e22={ X1,X12,X29,X32,X43,X58,X59,X60}; e23={ X1,X12,X29,X33,X43,X58,X59,X60}; e24={ X1,X12,X29,X35,X43,X58,X59,X60}; e25={ X1,X12,X29,X36,X43,X58,X59,X60}; e26={ X1,X12,X29,X37,X43,X58,X59,X60}; e27={ X7,X19,X20,X29,X30,X50,X63}; e28={X7,X18,X29,X30,X63}; e29={X13,X19,X20,X29,X30,X50,X63}; e30={ X14,X19,X20,X29,X30,X50,X63}; e31={ X15,X19,X20,X29,X30,X50,X63}; e32={ X16,X19,X20,X29,X30,X50,X63}; e33={ X19,X20,X29,X30,X50,X63,X70}; e34={X19,X20,X29,X30,X40,X50,X70}; e35={ X19,X20,X29,X31,X40,X50,X70}; e36={ X19,X20,X29,X32,X40,X50,X70}; e37={ X19,X20,X29,X33,X40,X50,X70}; e38={ X19,X20,X29,X35,X40,X50,X70}; e39={ X19,X20,X29,X36,X40,X50,X70}; e40={ X19,X20,X29,X37,X40,X50,X70}; e41={X13,X18,X29,X30,X63}; e42={ X14,X18,X29,X30,X63}; e43={ X15,X18,X29,X30,X63}; e44={ X16,X18,X29,X30,X63}; e45={X18,X29,X30,X63,X70};
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e46={X17,X29,X30,X63,X70}; e47={X17,X29,X30,X58,X59,X60,X70}; e48={ X17,X29,X31,X58,X59,X60,X70}; e49={ X17,X29,X32,X58,X59,X60,X70}; e50={ X17,X29,X33,X58,X59,X60,X70}; e51={ X17,X29,X35,X58,X59,X60,X70}; e52={ X17,X29,X36,X58,X59,X60,X70}; e53={ X17,X29,X37,X58,X59,X60,X70}; e54={X5,X7,X19,X20,X50}; e55={ X5,X13,X19,X20,X50}; e56={ X5,X14,X19,X20,X50}; e57={ X5,X15,X19,X20,X50}; e58={ X5,X16,X19,X20,X50}; e59={X2,X3,X4,X23,X24,X29,X30,X63}; e60={X2,X3,X4,X25,X26,X27,X29,X30,X63}; e61={X2,X3,X4,X8,X29,X30,X63}; e62={X2,X3,X4,X21,X22,X29,X30,X63}; e63={X2,X3,X4,X21,X22,X29,X30,X58,X59,X60}; e64={ X2,X3,X4,X21,X22,X29,X31,X58,X59,X60}; e65={ X2,X3,X4,X21,X22,X29,X32,X58,X59,X60}; e66={ X2,X3,X4,X21,X22,X29,X33,X58,X59,X60}; e67={ X2,X3,X4,X21,X22,X29,X35,X58,X59,X60}; e68={ X2,X3,X4,X21,X22,X29,X36,X58,X59,X60}; e69={ X2,X3,X4,X21,X22,X29,X37,X58,X59,X60}; e70={X1,X6,X29,X30,X63}; e71={X1,X6,X29,X30,X58,X59,X60};
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e72={ X1,X6,X29,X31,X58,X59,X60}; e73={ X1,X6,X29,X32,X58,X59,X60}; e74={ X1,X6,X29,X33,X58,X59,X60}; e75={ X1,X6,X29,X35,X58,X59,X60}; e76={ X1,X6,X29,X36,X58,X59,X60}; e77={ X1,X6,X29,X37,X58,X59,X60}; e78={X1,X12,X28,X30,X43,X63}; e79={X1,X12,X29,X30,X43,X63}; e80={X1,X12,X30,X43,X57,X62}; e81={X1,X12,X30,X43,X57,X63}。
3.2.2 最小径集
在事故树中,当所有基本事件都不发生时,顶事件肯定不会发生。然 而,顶事件不发生常常并不要求所有的基本事件都不发生,而只要某些基 本事件不发生顶事件就不会发生。这些不发生的基本事件的集合称为径集, 也称为通集或路集。在同一事故树中,不包含其他径集的径集称为最小径 集。如果径集中任意去掉一个基本事件后就不再是径集,那么该径集就成 为最小径集。所以,最小径集是保证顶事件不发生的充分必要条件。
求解最小径集的方法很多,有对偶树法、布尔代数法、行列法等。在 此,我选用对偶树法对事故树进行最小径集求解。
由定义可得,该事故树的最小径集为: {X1,X7,X8,X13,X14,X15,X16,X22,X24,X27,X64,X65, X66,X67,X68,X69,X70,X71,X72,X73,X74,X75 }; { X5,X9,X10,X11,X30,X31,X32,X33,X34,X35,X36,X37 }; { X6,X8,X12,X17,X18,X22,X24,X27,X44,X45,X46,X47, X48,X49,X50 };
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{ X2,X6,X7,X12,X13,X14,X15,X16,X64,X65,X66,X67, X68, X69,X70,X71,X72,X73,X74,X75 };
{ X3,X6,X7,X12,X13,X14,X15,X16,X64,X65,X66,X67, X68,X69,X70,X71,X72,X73,X74,X75 };
{ X4,X6,X7,X12,X13,X14,X15,X16,X64,X65,X66,X67, X68 ,X69,X70,X71,X72,X73,X74,X75 };
{ X5,X9,X10,X11,X38,X39,X40,X60,X61,X62,X63 }; {X1,X8,X17,X18,X22,X24,X27,X44,X45,X46,X47,X48, X49,X50}; { X2,X6,X12,X17,X18,X44,X45,X46,X47,X48,X49,X50}; { X3,X6,X12,X17,X18,X44,X45,X46,X47,X48,X49,X50}; { X4,X6,X12,X17,X18,X44,X45,X46,X47,X48,X49,X50}; { X6,X8,X12,X17,X18,X19,X22,X23,X25 }; { X6,X8,X12,X17,X18,X20,X22,X23 ,X25 }; {X1,X2,X7,X13,X14,X15,X16,X64,X65,X66,X67,X68, X69,X70,X71,X72,X73,X74,X75}; {X1,X3,X7,X13,X14,X15,X16,X64,X65,X66,X67,X68, X69,X70,X71,X72,X73,X74,X75 }; {X1,X4,X7,X13,X14,X15,X16,X64,X65,X66,X67,X68, X69, X70,X71,X72,X73,X74,X75 }; {X1,X2,X17,X18,X44,X45,X46,X47,X48,X49,X50}; {X1,X3,X17,X18,X44,X45,X46,X47,X48,X49,X50}; {X1,X4,X17,X18,X44,X45,X46,X47,X48,X49,X50}; {X1,X8,X17,X18,X19,X22,X23,X25 }; {X1,X8,X17,X18,X20,X22,X23,X25 }; {X2,X6,X17,X18,X19,X41,X42,X43};
37

{X2,X6,X17,X18,X20,X41,X42,X43}; {X3,X6,X17,X18,X19,X41,X42,X43}; {X3,X6,X17,X18,X20,X41,X42,X43}; {X4,X6,X17,X18,X19,X41,X42,X43}; {X4,X6,X17,X18,X20,X41,X42,X43}; {X6,X8,X17,X18,X19,X21,X24,X25,X41,X42,X43}; {X6,X8,X17,X18,X19,X21,X23,X26,X41,X42 ,X43}; {X6,X8,X17,X18,X19,X21,X23,X27,X41,X42 ,X43}; {X6,X8,X17,X18,X20,X21,X24,X25,X41,X42 ,X43}; {X6,X8,X17,X18,X20,X21,X23,X26,X41,X42 ,X43}; {X6,X8,X17,X18,X20,X21,X23,X27,X41,X42 ,X43}; {X1,X2,X17,X18,X19 }; {X1,X2,X17,X18,X20 }; {X1,X3,X17,X18,X19 }; {X1,X3,X17,X18,X20 }; {X1,X4,X17,X18,X19 }; {X1,X4,X17,X18,X20 }; {X1,X8,X17,X18,X19,X21,X24,X25 }; {X1,X8,X17,X18,X19,X21,X23,X26 }; {X1,X8,X17,X18,X19,X21,X24,X25 }; {X1,X8,X17,X18,X20,X21,X24,X25 }; {X1,X8,X17,X18,X20,X21,X23,X26 }; {X1,X8,X17,X18,X20,X21,X23,X27 }; {X2,X6,X12,X17,X18,X19 }; {X2,X6,X12,X17,X18,X20 }; {X3,X6,X12,X17,X18,X19 };
38

{X3,X6,X12,X17,X18,X20 };; {X4,X6,X12,X17,X18,X19 }; {X4,X6,X12,X17,X18,X20 }; {X6,X8,X12,X17,X18,X19,X21,X24,X25 }; {X6,X8,X17,X18,X19,X22,X24,X25,X41,X42,X43}; {X6,X8,X17,X18,X19,X21,X24,X26,X41,X42,X43}; {X6,X8,X17,X18,X19,X22,X24,X27,X41,X42,X43};; {X6,X8,X12,X17,X18,X19,X22,X23,X26 }; {X6,X8,X17,X18,X19,X22,X23,X26,X41,X42,X43}; {X6,X8,X12,X17,X18,X19,X22,X23,X27 }; {X6,X8,X17,X18,X19,X22,X23,X27,X41,X42,X43}; {X6,X8,X12,X17,X18,X20,X22,X24,X27 }; {X6,X8,X17,X18,X20,X22,X24,X27,X41,X42,X43}; {X6,X8,X17,X18,X20,X21,X24,X26,X41,X42,X43}; {X6,X8,X17,X18,X20,X21,X24,X27,X41,X42,X43}; {X6,X8,X12,X17,X18,X20,X22,X23,X26}; {X6,X8,X17,X18,X20,X22,X23,X26,X41,X42,X43}; {X6,X8,X12,X17,X18,X20,X22,X23,X27}; {X6,X8,X17,X18,X20,X22,X23,X27,X41,X42,X43}; {X1,X8,X17,X18,X19,X22,X24,X27}; {X1,X8,X17,X18,X19,X21,X24,X26}; {X1,X8,X17,X18,X19,X22,X24,X27}; {X1,X8,X17,X18,X19,X22,X23,X26}; {X1,X8,X17,X18,X19,X22,X23,X27}; {X1,X8,X17,X18,X20,X22,X24,X27}; {X1,X8,X17,X18,X20,X21,X24,X26};
39

{X1,X8,X17,X18,X20,X21,X24,X27}; {X1,X8,X17,X18,X20,X22,X23,X26}; {X1,X8,X17,X18,X20,X22,X23,X27 }; {X6,X8,X12,X17,X18,X19,X22,X24,X27 }; {X6,X8,X12,X17,X18,X19,X21,X24,X26 }; {X6,X8,X12,X17,X18,X19,X21,X24,X27 }; {X6,X8,X17,X18,X19,X22,X24,X27,X41,X42,X43}。 3.2.3 定性分析的意义 从最小割集来看,一共有 81 组,表明导致顶上事件发生有 81 中可能 的途径,如果其中任一最小割集的元素全部发生,则可能造成顶上事件的 发生。 从最小径集来看,只要使任一最小径集不发生,则事故就不发生,利 用最小径集可制定出预防和控制事故发生的对策,同时不放过任何一个基 本事件发生的可能性,制定出预防事故的对策表。
40

第 4 章 事故树定量分析

4.1 理论模型

事故树的定量分析首先是确定基本事件的发生概率,然后求出事故树

顶事件的发生概率。求出顶事件的发生概率之后,可与系统安全目标值进

行比较和评价,当计算值超过目标值时,就需要采取防范措施,使其降至

安全目标值以下。一个基本事件对顶事件的影响大小称为该基本事件的重

要度。重要度分析在系统的事故预防、事故评价和安全性设计方面有着重

要的作用。事故树中各基本事件的发生对顶事件的发生有着不同程度的影

响,这种影响主要取决于两个因素,即各基本事件概率的大小以及各基本

事件在事故树模型结构中处于何种位置。为了明确最易导致顶事件发生的

事件,以便分出轻重缓急采取有效措施,控制事故的发生,必须对基本事

件进行重要度分析。

事故树定量分析,是在已知基本事件发生概率的前提条件下,定量的

计算出在一定的时间内发生事故的可能性大小。如果事故树中不含有重复

或相同的基本事件,各基本事件又是相互独立的,顶事件发生概率可根据

事故树的结构,用下列公式求得。

用“与门”连接的顶事件发生概率为:

n
P(T)= qi i 1
用“或门”连接的顶事件发生概率为:

(4-1)

n

P(T)=1- (1 qi )

(4-2)

i 1

式中,P(T)为顶事件发生概率,qi 为第 i 个基本事件的发生概率。

但是,当事故树含有重复的基本事件,或是割集之间是相交的,应该

按照以下方法进行运算。事故树可以用最小割集合的等效树来表示,这时,
41

顶事件等于最小割集的并集。设某事故树有 k 个最小割集:E1、E2 ,...Er...Ek 则有:

P(T)=

k
p{Er}

P{Er Es} P{Er Es Et} ... (1)k 1P{k Er}

r 1

1r st k

r 1

(4-3)

设各基本事件的发生概率为 q1、q2,、、、qn,则有

k

k

P(T)=

qi

qi ... (1)k1 qi

(4-4)

式中, X i

Er

为属r 1于Xi 第Er

r

个1最rs小t X割iE集r 的第

i

r 1
个基本Xi事Er 件;

X

i

Er



E

s

为属于第 r 个或第 s 个最小割集的第 i 个基本事件。

基本事件
I (

iX)i的n2结n(i1构) 重2要1n1度2pn系11 [数(

I ( i ) 1i X

为 jp )

(

0i

,

X

jp

)]

(4-5)

若考虑发生概率对顶事件的影响,即对事故树进行概率重要度分析。

由于顶事件发生概率是 n 个基本事件发生概率的多重线性函数,因此概率

重要度系数为:

Ig

(i)



P(T qi

)

(i

1,2,...,

n)

(4-6)

利用上式求出概率重要度系数,可确定降低哪个基本事件的概率能迅

速有效地降低顶事件的发生概率,为预防事故发生提供了有效途径。

4.2 等效事故树

仍以欠*衡钻井井喷为顶事件建立等效事故树,如图

42

图 4-1 等效事故树
43

4.3 事故树定量计算
由于现场数据缺失,顶事件概率以及概率重要度的计算不能进行,在 此,只给出结构重要度和割集重要度计算,如下:
结构重要度计算如下: IΦ(1)=0.076923076923 IΦ(6)=0.076923076923 IΦ(11)=0.019230769231 IΦ(12)=0.019230769231 IΦ(13)=0.019230769231 IΦ(14)=0.019230769231 IΦ(0)=0.076923076923 IΦ(4)=0.076923076923 IΦ(5)=0.076923076923 IΦ(10)=0.076923076923 IΦ(15)=0.076923076923 IΦ(2)=0.076923076923 IΦ(3)=0.076923076923 IΦ(7)=0.076923076923 IΦ(8)=0.076923076923 IΦ(9)=0.076923076923 结构重要度排序如下: IΦ(0)=IΦ(1)=IΦ(2)=IΦ(3)=IΦ(4)=IΦ(5)=IΦ(6)=IΦ(7)=IΦ(8)=IΦ(9)= IΦ(10)=IΦ(15)>IΦ(11)=IΦ(12)=IΦ(13)=IΦ(14) 等效事故树最小割集如下: e1={0}; e2={1}; e3={2}; e4={3}; e5={4}; e6={5}; e7={6}; e8={7};
44

e9={8}; e10={9}; e11={10}; e12={11,12,13,14}; e13={15}

割集重要度计算如下:

Ik(0)=0.076923076923;
Ik(3)=0.076923076923; Ik(6)=0.076923076923; Ik(9)=0.076923076923;

Ik(1)=0.076923076923; Ik(4)=0.076923076923; Ik(7)=0.076923076923; Ik(10)=0.076923076923;

Ik(2)=0.076923076923; Ik(5)=0.076923076923; Ik(8)=0.076923076923; Ik(11)=0.019230769230;

Ik(12)=0.019230769230; Ik(13)=0.019230769230; Ik(15)= 0.076923076923
割集重要度排序如下:

Ik(14)=0.019230769230;

Ik(0) = Ik(1)= Ik(2)= Ik(3)= Ik(4)= Ik(5)= Ik(6)= Ik(7)= Ik(8)= Ik(9)= Ik(10)=Ik(15)>Ik(11)=Ik(12)=Ik(13)=Ik(14)

4.4 定量计算的意义

依靠求出的顶上事件发生概率,通过安全评价和决策,如果超过预定

安全标准,说明有事故发生的危险,必须采取适当措施,使其降至安全数

值以下。结构重要度是从事故树结构上反映基本事件的重要程度,这给系

统安全设计者选用部件可靠性及改进系统的结构提供了依据。概率重要度

是反映基本事件发生概率的变化对顶上事件发生概率的影响,为降低基本

事件发生概率对顶事件发生概率的贡献大小提供了依据。

45

第 5 章 风险控制改进措施
5.1 风险控制必要性
欠*衡钻井技术作为一项新兴的钻井技术,具有诸多优势,发展前景 广阔。但是,由于其钻井方式的特殊性,钻井液的密度低于地层流体密度, 使得欠*衡钻井过程中井喷事故的风险大大增加。而井喷事故一旦发生, 其造成的直接间接经济损失都是十分巨大的。为此,在实施欠*衡钻井作 业中,我们要采取各种措施,对可能造成井喷事故的诸多风险因素进行控 制,从而减小井喷发生的可能性。
5.2 关键技术的控制
经研究,在欠*衡钻井过程中要掌控好以下几项关键技术:
5.2.1 做好欠*衡钻井地质选井工作
在实施钻井作业前一定要保证当地的地质条件符合欠*衡钻井作业标 准。一般要求包括:地层稳定性好,不易发生坍塌;储层二氧化硫含量低 于 20mg/m3;对钻井完井作业伤害敏感,而且不能有效消除这种伤害的低压、 低孔、低渗储层,特别是碎岩屑储层。
5.2.2 合理确定欠*衡欠压值
最大欠压值引起的地层出气量必须满足以下四点:总出气量引起的井 空压力不能大于旋转防喷器的额定动密封压力的 80%;总出气量引起的钻井 液当量循环密度不能大于套管鞋附*的漏失压力当量密度;不能大于液气
46

分离器的最大液气分离能力;总出气量引起钻井液当量循环密度不能低于 裸眼井段坍塌压力当量密度的最小值。
5.2.3 相对稳定的井口回压控制技术
当储层出气量增加,环空液柱压力降低,欠压值也增加。出气量在增 加,环空液柱压力再次降低。因此,需要对井口施加回压,以保持相对稳 定的欠压值。保持立压值、钻井液体积相对稳定,可实现相对稳定的欠压 值。
在现场操作中由于地层产出的油气是一个变量,因此井口回压应根据 立管压力、钻井液总得体积适时调整。若井口回压上升到接*旋转控制头 的工作压力时应停止钻进,迅速关闭环形或半封闸板防喷器进行循环,待 井口压力正常后,在恢复欠*衡钻井作业,否则适当提高欠*衡钻井液密 度。
5.2.4 做好欠*衡完井技术
欠*衡钻井后若仍采用传统方法完井,压井、固井作业势必对产层造 成巨大伤害,在有条件的情况下,采用欠*衡完井可以最大限度的保护油 气层。
目前有两种可行的欠*衡完井方法: (1)不压井下油管先期裸眼完井。 该方法是对于岩性坚固稳定、裸眼段短且产层物体基本一致的油气层, 先下油层套管到油气层顶部固井后,采用欠*衡钻井方式打开产层,钻至 完钻井深采用不压井带压起钻和不压井带压下油管串作业后试油投产。 (2) 特殊衬管完井 欠*衡钻井钻至完井井深,用不压井带压作业下入套管后不注水泥,
47

再带压下入油管传输孔管串,射孔完井后试油生产。该方法适合于井壁稳 定性相对低,不适于裸眼完成的井。
5.3 改进措施
针对最*对欠*衡钻井技术的研究,现提出部分改进措施: 5.3.1 严格贯彻候选井选择方案 仅凭金钱的投入不一定能做好候选井选择,而是要告知管理部门欠* 衡钻井的千差万别。其次,就是对已经做出优选选择预算和计划的一口井 尽快开钻,这样他们就没机会按照其想法进行更改了。 5.3.2 做好欠*衡钻井计划 如今,欠*衡钻井技术已经经历了数十年的磨练,但是有些地方实施 欠*衡钻井时并未进行模拟,因为都有足够的行业经验。然而,就是因为 没有做模拟,所以就无法搞清楚井是不是符合模型,因此也就不必对较差 的结果负责。所以,在开钻之前一定要做好钻井计划。 5.3.3 做好欠*衡钻井井控工作 井控是控制井喷事故发生的最关键步骤。当井涌发生时,要做到及时 检测,并按照程序正确的做出反应。这就要求我们不仅在井涌的检测上作 出努力,还需要对井控的程序加强培训。在岗工作人员要素质过关,能力 过硬,能及时发现并处理井涌。管理人员要加强井控相关程序的培训,* 时加强训练,做到用到时不慌不乱,应对自如。
48

5.3.4 加强钻井队的欠*衡钻井培训 欠*衡钻井虽然已发展了几十年,但对于大多数油田来说,它还是一 个相对比较新的钻井方式。这样,钻井队工作人员的相关知识培训就显得 十分必要。欠*衡钻井在钻井原理上与传统的钻井方式有很大的不同,这 也就使得其在操作上存在很大差异。从事欠*衡钻井的工人们一定要经过 相关专业知识的培训,在考核合格后才能够上岗。 5.3.5 做好钻井液的设计工作 对于欠*衡钻井,由于其与传统钻井的巨大差异,在钻井液的选择上 需要付出相当多的时间与努力。钻井液密度的选择是有一定要求的,只有 再合适的范围内,才能确保施工作业中不会井喷。当然,钻井液的选择在 不同地质条件下是不同的,比较复杂。但是,我们一定要严格按照选择的 相关要求,严格把关,设计出最接*理想状态的钻井液,消除此处引发井 喷事故的隐患。
49

第 6 章 总结与展望
6.1 总结
本文主要针对欠*衡钻井过程中可能存在的风险进行分析,并提出相 应的改进措施。欠*衡钻井技术是一项*几十年来刚发展起来的新兴技术, 国内采用该项技术的部门并不是很多,因此资料的欠缺成为该论文进行中 的主要困难。
本文首先从欠*衡钻井的定义、原理、产生、分类、国内外发展现状 等方面入手,使大家对欠*衡钻井的机理有一个初步的了解。由于研究过 程中,主要是针对欠*衡钻井的过程进行系统分析,所以单个的设备就显 得不那么重要了,只做了简单的了解。
对于欠*衡钻井过程中的风险分析,本文选取钻井过程中风险最大的 井喷事件进行研究。在阅读了大量资料的基础上,结合部分国内外欠*衡 钻井实例,总结了在各个关键阶段发生井喷事故的原因及可能性,通过分 析建立了以欠*衡钻井井喷为顶事件的事故树。对于事故树的分析采用了 定性分析和定量分析的方法。通过定性分析,得出了整个事故树的最小割 集和最小径集。最小割集中,任一割集事件的发生都会导致顶事件的发生; 最小径集中,任一径集事件的不发生都不能引发顶事件的发生。定性分析 使我们对事故树结构中关键因素的确定及各基本事件之间相互作用的结果 有了一个明确的认识。通过定量分析,事故树的结构重要度反映了各基本 事件对顶事件的影响程度。定量分析是对经过简化之后的等效事故树,各 基本事件的重要程度能十分明显的表达出来。
50

6.2 展望
通过三个月来对欠*衡钻井技术的研究,我感觉收获颇丰。其一,我个人 对于欠*衡钻井技术有了一个比较全面的了解。作为一项新兴技术,它的 产生相对于传统的过*衡钻井具有诸多技术上的优势,虽然国内现在使用 欠*衡钻井的油田并不是很多,但是像胜利、中原等油田已经开始引进欠 *衡技术并获得成功。作为一种具有特殊优势的先进技术,欠*衡钻井必 将逐步取代传统的过*衡钻井技术,成为钻井作业中的主要方式。其二, 在我以后的工作中,本次论文的收益必将慢慢体现出来。如果今后我从事 钻井作业并接触欠*衡钻井的话,我一定重新反思此次论文中的问题,并 通过现场实践做进一步的风险分析,以期在力所能及的范围内改善此项技 术。
51

致谢
经过三个多月的学*与探索,论文已经结束。由于研究课题比较新 颖,期间遇到了很多困难。在此期间,贾星兰老师给了我很大的帮助。 不仅为我提供了大量的资料,而且多次对我的研究方向及论文的撰写作 出指导。在贾老师的热心帮助下,我终于独立完成了论文。
在此,我要对一直以来指导我帮助我的贾星兰老师表示感谢,并向 在我论文撰写中帮助过我的所有老师和同学表示感谢!
52

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