基于Bow-Tie模型的輕尾管固井中懸掛器失效分析

孫澤秋，金 磊，馬錦明，李 強

基于Bow-Tie模型的輕尾管固井中懸掛器失效分析

孫澤秋，金 磊，馬錦明，李 強

（中國石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州253005）①

輕尾管固井是一個工藝流程清晰、施工較復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。針對輕尾管固井中的懸掛器失效問題，采用事故樹和事件樹相結(jié)合的分析方法，構(gòu)建了懸掛器失效的BowTie模型。利用事故樹分析法得到了誘發(fā)懸掛器失效的原因，通過事件樹分析法研究了懸掛器失效后引起事故的全過程，直觀地了解輕尾管固井中懸掛器失效的整個發(fā)展過程。結(jié)合某油田Y井的事故分析，驗證了BowTie模型在分析輕尾管固井中懸掛器失效方面是可行的。研究得出的懸掛器失效BowTie模型對于防止懸掛器失效的發(fā)生具有重要意義，對于輕尾管固井的現(xiàn)場施工具有指導(dǎo)作用。

尾管固井；懸掛器；FTA；ETA；失效分析

尾管固井是指不延伸到井口的套管固井，它是一項工藝流程復(fù)雜、施工風(fēng)險大的固井工藝技術(shù)。在輕尾管固井中，由于其懸掛的尾管重力較輕，較之常規(guī)尾管固井，更具有倒扣丟手判斷困難、對替漿計量準(zhǔn)確度要求高等技術(shù)難題。現(xiàn)有的懸掛器失效分析方法較單一、籠統(tǒng)，沒有系統(tǒng)的風(fēng)險評價理論作為指導(dǎo)。

本文提出了應(yīng)用基于事故樹（FTA）和事件樹（ETA）分析相結(jié)合的BowTie模型分析法，用于分析研究懸掛器失效的全過程。在詳細分析了施工中懸掛器存在的掛不住、丟不開、循環(huán)短路和提前坐掛等4種失效形式的基礎(chǔ)上，利用事故樹分析法（FTA）得到了導(dǎo)致懸掛器失效的誘因，利用事件樹分析法（ETA）研究了懸掛器失效后引起事故的全過程，構(gòu)建了輕尾管固井中懸掛器失效的BowTie模型。通過某油田Y井的懸掛器事故的實例應(yīng)用，驗證了BowTie模型分析法在懸掛器失效分析中的可行性。

1　Bow-Tie模型分析法

傳統(tǒng)的風(fēng)險分析法有邏輯圖、過程分析、事故樹（FTA）、事件樹（ETA）等，其中事故樹（FTA）和事件樹（ETA）分析法由于其邏輯性和操作性很強，被廣泛的應(yīng)用［1-3］。但FTA以人為可靠性分析為主，分析事故發(fā)生的可能性；ETA與矩陣分析相結(jié)合可以推估后果的嚴重性。在國外的風(fēng)險分析研究中，將事故樹（FTA）和事件樹（ETA）結(jié)合起來建立了BowTie分析方法（又稱蝴蝶結(jié)）。在國內(nèi)，隨著對安全風(fēng)險重視程度不斷提高，也將BowTie分析法應(yīng)用到石油天然氣的勘探開發(fā)領(lǐng)域。

1．1 安全屏障理論

安全屏障是指安全約束。在工程上安全約束是阻礙事故發(fā)展到下一階段的手段和措施［4］。根據(jù)事故發(fā)生的先后順序可將安全屏障劃分為預(yù)防屏障和保護屏障。預(yù)防屏障是指事前的預(yù)防措施，為了降低事故發(fā)生概率采取的有效行為。保護屏障是指事故發(fā)生以后為了減小影響而采取的控制措施。在尾管固井中，下套管之前的技術(shù)要求是預(yù)防屏障，應(yīng)急預(yù)案是典型的保護屏障。

1．2 建模方法

BowTie分析法建模方式是將事故樹（FTA）和事件樹（ETA）結(jié)合起來使用。利用事故樹得到引發(fā)事故的誘因，并針對各誘因提出有效的預(yù)防措施。利用事件樹分析事故發(fā)生后的影響，針對每一項可能的后果提出相應(yīng)的規(guī)避措施和應(yīng)急預(yù)案［5-7］。通過分析得出BowTie模型的5個要素：基本事件（誘因）、預(yù)防措施（預(yù)防屏障）、事故、控制措施（保護屏障）、事故后果，構(gòu)建BowTie模型，如圖1所示。通過BowTie模型可以直觀地看出事故發(fā)生的整個過程，并將事故的預(yù)防和控制措施（屏障）有機的結(jié)合起來，因此這種方法可應(yīng)用到固井工具的失效分析中，具有新穎性和實用性。

圖1　BowTie模型

2　懸掛器失效Bow-Tie模型的構(gòu)建

基于液壓式懸掛器的工作原理的基礎(chǔ)上，本文詳細分析了導(dǎo)致懸掛器失效的誘因，提出了針對誘因采取的預(yù)防措施；與此同時，分析研究了懸掛器失效后引起的不良后果，并給出了針對失效后的一些應(yīng)急預(yù)案和處理措施。構(gòu)建了懸掛器失效的BowTie模型。

2．1 懸掛器工作原理

近幾年來，液壓式懸掛器在尾管固井中應(yīng)用廣泛。液壓式懸掛器主要是由送入工具、懸掛器本體、膠塞、球座、浮箍、浮鞋組成，采用投球憋壓的方式來實現(xiàn)懸掛器卡瓦坐掛［8］，如圖2所示。懸掛器本體通過套管螺紋（例如長圓螺紋、偏梯螺紋、氣密封螺紋等）與套管相連，上部提拉短節(jié)通過鉆桿扣（例如NC50、NC38等）與鉆具相連，由鉆具將懸掛器及其下部尾管送放至井底設(shè)計深度。

圖2　液壓式懸掛器與附件的連接

液壓式懸掛器的工作原理為：先在井口投球，當(dāng)球到達球座位置后進行管內(nèi)憋壓，壓力通過懸掛器本體上的傳壓孔傳到液缸內(nèi)，推動活塞上行，剪斷液缸剪釘，推動卡瓦上行，卡瓦沿錐面漲開，楔入懸掛器錐體和上層套管之間的環(huán)狀間隙里。當(dāng)鉆具下放時，尾管重力通過卡瓦被支撐在上層套管內(nèi)壁上，繼續(xù)加壓，憋通球座，建立正常循環(huán)。通過管串正轉(zhuǎn)的方式，將反螺紋卸開，上提一定距離判斷丟手順利，接水泥頭，進行注水泥作業(yè)，再利用鉆桿膠塞和尾管膠塞進行替漿作業(yè)，并在球座位置碰壓，最后將送入工具和密封芯子提離懸掛器［9-11］。

2．2 懸掛器失效誘因分析及預(yù)防

本文統(tǒng)計了近年來國內(nèi)懸掛器的失效案例，將其歸類為坐掛失效、倒扣丟手失效、循環(huán)短路和提前坐掛等4種失效形式。結(jié)合輕尾管固井中尾管輕、倒扣丟手判斷困難、替漿精確度要求高等技術(shù)難點，詳細分析了誘發(fā)輕尾管固井中懸掛器失效的原因，并提出了有針對性、可行性強的預(yù)防措施，用于規(guī)避懸掛器失效的發(fā)生。

懸掛器坐掛是指在液壓的作用下卡瓦上移，使尾管重力懸掛在上層套管內(nèi)壁上的過程。倒扣是指通過正轉(zhuǎn)把懸掛器本體上的反螺紋卸開的過程。丟手是通過上提送入工具，使鉆具與套管脫開，而密封芯子并未提出的過程。

2．2．1 失效的誘因分析

1） 下套管或坐掛過程中卡瓦損壞會影響坐掛效果。球座沖蝕、憋壓球變形、固相堵塞、球座以上管串短路等原因造成的投球不起壓或投球時穩(wěn)不住壓都可能導(dǎo)致坐掛失敗。

2） 中和點選取不準(zhǔn)、井內(nèi)循環(huán)不暢、掉塊嚴重、大塊泥砂填埋造成送入工具抱死等都會導(dǎo)致倒扣丟手失敗。特別是對于輕尾管，上部鉆具重力測量誤差及井內(nèi)摩阻的影響都會造成中和點判斷困難，當(dāng)正轉(zhuǎn)倒扣時下壓噸位過大或者提著倒扣，會使下部尾管串跟著鉆具一起轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)矩?zé)o法傳到倒扣螺母位置，導(dǎo)致倒扣丟手失?。?2］。

3） 長時間循環(huán)及高含硫（或二氧化碳）的腐蝕引起密封圈失效、密封芯子被提出、管串破損等都會造成循環(huán)短路。

4） 下套管遇阻時猛提、猛剎、猛放容易造成卡瓦上行；中途開泵時頂通壓力過高、循環(huán)時憋泵，壓力值超過液缸剪釘?shù)募羟兄担@些都會導(dǎo)致懸掛器提前坐掛。

2．2．2 預(yù)防措施

1） 下套管前對坐掛位置進行刮管作業(yè)，坐掛點選擇穩(wěn)定位置，避開上層套管接箍；對于泥漿固相顆粒較大的井，接入懸掛器時往液缸傳壓孔加入油，以防卡瓦液缸被卡死；坐掛時，控制送球排量，防止過高排量造成憋壓球磕壞。

2） 通井刮管時，對上部鉆具重力測量；下完套管后校核管串中和點及摩阻，為丟手判斷提供可靠數(shù)據(jù)，尤其是輕尾管特別注意；倒扣時，要保證懸掛器受壓，一般控制載荷50～100 k N。

3） 控制循環(huán)排量及時間，防止固相顆粒及高含硫液體長期沖刷對球座的腐蝕；驗證丟手時，嚴格控制上提距離，防止過提造成密封芯子抽出。

4） 下套管過程中，控制下放速度，遇阻時少壓多提，中途開泵時壓力控制在液缸剪釘安全范圍內(nèi)，以防提前坐掛。

2．3 懸掛器失效的后果及其控制措施

結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，將懸掛器失效歸納為4種類型：無法坐掛、無法丟手、循環(huán)短路和提前坐掛。結(jié)合輕尾管倒扣丟手判斷困難等技術(shù)難點，分析了尾管固井中懸掛器失效導(dǎo)致的后果，并提出了有針對性的控制措施，將懸掛器失效后的損失降到最低，盡可能規(guī)避風(fēng)險。

2．3．1 失效導(dǎo)致的后果

1） 坐掛失敗會使懸掛器及尾管無法居中，嚴重影響固井質(zhì)量，導(dǎo)致后續(xù)施工管柱進入懸掛器喇叭口可能遇阻；特別是對于輕尾管，坐掛失敗可能會影響倒扣丟手的判斷。

2） 固井前的倒扣丟手失敗，即鉆具與尾管無法脫開，影響下步固井施工進度；特別是對于易縮徑的鹽層，懸掛器長時間無法丟手會導(dǎo)致井徑縮小甚至井眼垮塌等風(fēng)險。固井后倒扣丟手失敗會導(dǎo)致鉆具難拔，甚至出現(xiàn)鉆具固死的“插旗桿”嚴重事故；對于輕尾管的井倒扣丟手失敗可能會導(dǎo)致固井后將尾管上移甚至被提出，無法有效封固目的層位［13］。

3） 發(fā)生循環(huán)短路時，若不能及時采取有效的補救措施，將無法實施固井作業(yè)；多數(shù)情況下會起套管，耽誤施工周期。

4） 懸掛器提前坐掛會造成尾管不能下到設(shè)計位置，若需要起套管，則耽誤施工周期；若采取就地固井，則無法封固目的層位。

2．3．2 控制措施

1） 坐掛失敗后，先大排量長時間開泵，爭取將液缸剪釘逐漸沖蝕掉，使卡瓦上行嘗試坐掛，如若不行則坐底倒扣。

2） 倒扣丟手失敗后，首先應(yīng)調(diào)整中和點位置重新倒扣，根據(jù)轉(zhuǎn)矩及回轉(zhuǎn)情況檢驗倒扣是否成功，如不合適應(yīng)采取多壓少提的方式重復(fù)倒扣動作，并保證倒扣時懸掛器本體處于受壓狀態(tài)，防止倒扣丟手瞬間的回彈導(dǎo)致密封芯子提出；如果多次倒扣均無法確定丟手，應(yīng)在確保密封芯子未提出的前提下（一般不超過1．8m），嘗試正轉(zhuǎn)、猛剎猛提、開泵沖刷等方式丟手。未驗證丟手成功則不能進行固井施工，防止發(fā)生鉆具固死等嚴重后果［14-15］。

3） 若出現(xiàn)循環(huán)短路現(xiàn)象，應(yīng)首先檢驗短路位置，做遲到時間測試及反向憋壓，再考慮后續(xù)補救措施。如果是靠近井底位置短路，可以考慮配制重漿或平衡法固井；如果是鉆具或上部套管短路，需要考慮重新起套管；如果發(fā)現(xiàn)短路時已經(jīng)丟手或者上提過多導(dǎo)致密封芯子提出，應(yīng)待事故處理完畢后再固井施工［16-17］。

4） 為防止懸掛器提前坐掛，遇阻時少壓多提，如開泵循環(huán)需小排量頂通，控制泵壓小于剪釘剪切值70%，嚴禁猛提猛放。

2．4 模型的構(gòu)建

結(jié)合以上分析，構(gòu)建了輕尾管固井中的懸掛器失效BowTie模型，如圖3所示。

圖3　懸掛器失效的BowTie模型

3　懸掛器失效Bow-Tie模型應(yīng)用

懸掛器失效的BowTie模型全面展示了事故發(fā)生的全過程，對于解釋已發(fā)事故具有良好的效果。并為現(xiàn)場技術(shù)人員預(yù)防懸掛器失效的發(fā)生和控制懸掛器失效事故提供指導(dǎo)。

例如，Y井是X油田的1口五開制鹽層油藏評價直井，井深5 689m，泥漿密度1．78 g／cm3，黏度61mPa·s，采用244．5mm×206．4mm（9″×8″）懸掛，施工采用平衡壓力固井法，套管串中不裝回壓閥。尾管長143．78m，尾管下到位循環(huán)徹底后，懸掛器因憋壓球未到達球座而未實現(xiàn)坐掛，經(jīng)各方同意進行坐底作業(yè)。坐底后累計倒扣55圈，基本無回轉(zhuǎn)，上提懸重比稱重減少30kN，因倒扣后上提力偏小，經(jīng)重復(fù)倒扣后，各方一致判斷倒扣成功。固井結(jié)束后，拔中心管之前又倒扣20圈，沒有回轉(zhuǎn)，正常起出送入工具。后續(xù)掃上塞至回接筒頂深以上206m處時無進尺，并伴有金屬屑返出，換小尺寸鉆頭后順利掃過，判斷尾管上移。

結(jié)合Y井的基本情況，總結(jié)了該井的施工技術(shù)難點（也即事故誘因）包括：①尾管較輕，206．4mm（8″）尾管長143．78m，理論計算尾管浮重為87kN；②懸重表靈敏度差，丟手判斷比較困難。針對技術(shù)難點，施工前提出了相應(yīng)的技術(shù)措施（也即預(yù)防措施）包括：①當(dāng)尾管較輕時，必須在通井或刮管階段對上部鉆具稱重，為丟手判斷提供可靠的依據(jù)；②施工前一定要校正懸重表和立壓表；③為了保證懸掛器丟手，施工中確保懸掛器坐掛成功；④丟手判斷不清楚時，調(diào)整懸重，一定要在確定丟手后進行固井作業(yè)。

然而，由于下套管前對輕尾管固井重視不夠，沒有在通井或刮管作業(yè)時對上部鉆具稱重。在懸掛器的地面組裝檢查時，注意到了載荷支撐盤上端有密封圈，存在“抽真空”的風(fēng)險，但考慮到設(shè)計防砂的功能，也沒有采取預(yù)防措施。套管下到位后，考慮到鹽膏層蠕變問題，控制了循環(huán)時間。投球后2 h仍不起壓，判斷管串內(nèi)有落物，無法實現(xiàn)有效坐掛，為丟手失敗埋下隱患。雖然各方人員意識到了“倒扣過程中沒有回轉(zhuǎn)，上提下放懸重表的指針僅減少了30kN”的懸重異?，F(xiàn)象，但是由于施工前鉆具未稱重，沒有校對的標(biāo)準(zhǔn)，因此在重復(fù)倒扣兩次且現(xiàn)象相同時，各方誤以為丟手成功。固井施工結(jié)束后，上提鉆具，懸重仍僅減少30kN左右。綜合分析各種資料認為：固井前后雖然倒完扣，但未實現(xiàn)丟手；起鉆后期由于管柱活動或不及時灌泥漿發(fā)生丟手，尾管下落未到井底，造成了尾管上移事故。

結(jié)合BowTie模型和Y井的全過程分析，可得出在尾管較輕、懸重表不靈敏等事故誘因存在時，沒有采取上部鉆具稱重、校核指重表、盡量嘗試坐掛等有效的預(yù)防措施，致使懸掛器未坐掛、丟手誤判等懸掛器失效事故的發(fā)生。在事故發(fā)生以后，上提管柱過程中操作不當(dāng)致使下部尾管掉落井底，造成了尾管上移、鹽膏層漏封，本次固井失敗的嚴重后果。

4　結(jié)論

1） 為了研究輕尾管固井中懸掛器失效的全過程，首次將BowTie分析法引入到固井工具的失效分析中，利用事故樹分析法得出了懸掛器失效的誘因和預(yù)防措施，利用事件樹分析法得出失效引起的后果和應(yīng)急規(guī)避措施，構(gòu)建了輕尾管固井中懸掛器失效的BowTie模型。

2） 通過某油田Y井，實例驗證了懸掛器失效的BowTie模型的可行性，該模型直觀地反應(yīng)了失效全過程，對于預(yù)防類似事故的發(fā)生有重要的指導(dǎo)意義。

3） 本文針對懸掛器失效采用了定性的分析研究。為了提高分析模型的廣度和精度，建議下一步采取定量的方法分析失效發(fā)生概率以及各影響因素的權(quán)重。

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Based on Bow-Tiemodel of the Hanger Failure Analysis of Light-liner Cementing

SUN Zeqiu，JIN Lei，MA Jinming，LI Qiang
（Shelfoil PetroleumEquipment&Seruices Co．，Ltd．，Sinopec Research Institute of PetroleumEngineering，Dezhou253005，China）

Lightliner Cementing is a dynamic systems with clearly technological process and complex construction．For failure research of lightliner hanger cementing process，the hanger failure of BowTiemodelis constructed，w hich combine F T A with E T A analysismethod．By using faulttree analyticmethod，the failure reasons of hanger are induced in this paper，the failure cause of the accident after the w hole process is studied，through eventtree analysis，w hich can understand light liner hanger cementing failure intuitively in the w hole development process．Combined with certain oilfield accident analysis of Y well，BowTiemodel is viable for the hanger failure issue based on the analysis oflightliner cementing．Studies show that BowTiemodelis of great significance to prevent the hanger failure，and has a guiding significance for lightliner onsite cementing operation．

lightliner cementing；hanger；FTA；ETA；failure analysis

TE925．2

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．015

10013482（2015）03006306

①2014-09-06

孫澤秋（1987-），男，山東聊城人，碩士，主要從事固井工具的研發(fā)和現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，Email：szq＠shelfoil．com。