基于蝴蝶結(jié)模型的海上鉆井井漏事故分析

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(1.中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249； 2.中海油研究總院 鉆采研究院，北京 100028)

基于蝴蝶結(jié)模型的海上鉆井井漏事故分析

魏嘉怡1，張來斌1，鄭文培1，馮桓榰2，劉書杰2

(1.中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院，北京102249； 2.中海油研究總院鉆采研究院，北京100028)

為了有效地預(yù)防和控制井漏事故，建立基于安全屏障的井漏事故蝴蝶結(jié)模型。闡述井漏風(fēng)險的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)井漏事故的原因及后果，建立井漏事故的事故樹并分析其最小徑集，得到能引起井漏事故的最危險事件，根據(jù)井漏事故的蝴蝶結(jié)模型，結(jié)合BD氣田給出井漏風(fēng)險的預(yù)防與控制策略。結(jié)果表明：蝴蝶結(jié)模型不但可以表示出事故原因，還能直觀地顯示出事故的后果以及預(yù)防和控制措施，對預(yù)防和控制井漏事故有一定的指導(dǎo)意義。

井漏事故；事故樹；安全屏障；蝴蝶結(jié)模型；海洋鉆井

0 引 言

在鉆井作業(yè)過程中，井漏事故是常見的事故之一，嚴(yán)重的井漏會浪費大量的生產(chǎn)時間，耗費巨大的人力、物力和財力。如果井漏得不到及時處理，還會引起井塌、井噴和卡鉆事故，導(dǎo)致部分井段或全井段的報廢，并對產(chǎn)層造成損害[1]，因此對井漏事故進(jìn)行預(yù)防和控制是十分必要的。

國內(nèi)外的專家學(xué)者在研究井漏風(fēng)險方面進(jìn)行了很多研究。李克智等[2]通過對紅河油田地層特征和井漏原因進(jìn)行綜合分析，利用鄰井風(fēng)險信息確定井漏風(fēng)險因素，建立基于鄰井信息的井漏風(fēng)險識別模型，具有一定的實用性。袁本福等[3]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對鄰井風(fēng)險樣本進(jìn)行分析，獲取井漏風(fēng)險因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，對蘊含在鉆井工程運行中的規(guī)律進(jìn)行映射，從而使井漏風(fēng)險推理更具參考性和準(zhǔn)確性。蔡汶君[4]系統(tǒng)地研究各種鉆井井漏事故，建立井漏類型診斷模型，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立井漏嚴(yán)重度評價模型，并對發(fā)生井漏的層段進(jìn)行井漏嚴(yán)重度評價。ALIREZA等[5]運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法預(yù)測井漏事故的嚴(yán)重度，所得結(jié)果準(zhǔn)確并與實際情況相符。JAHANBAKHSHI等[6]用支持向量回歸方法預(yù)測井漏事故的嚴(yán)重度，該方法可以彌補人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在預(yù)測井漏方面的不足，如記憶訓(xùn)練數(shù)據(jù)等，相比而言，支持向量回歸方法得出的結(jié)果更準(zhǔn)確。現(xiàn)有研究大部分是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，且大多是對井漏及其嚴(yán)重度的預(yù)測，而對其原因、后果及防控措施的系統(tǒng)研究則相對較少，本文所建立的蝴蝶結(jié)模型在一定程度上彌補了這個不足。

1 流花和BD油氣田井漏事故統(tǒng)計

本文以流花和BD 2口井發(fā)生的井漏事故為例，分析其井漏事故發(fā)生的原因。根據(jù)鉆井日志及相關(guān)資料統(tǒng)計，以流花某井為例，對該井2015年3月14日至2015年7月27日期間的鉆井日志進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)該段時間內(nèi)主要鉆井事故有7類，見表1。該井在2015年7月23日發(fā)生了井漏事故，主要原因是流花油田孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層中有空隙和裂縫，使鉆井液有漏失通道和較大的足夠容納液體的空間。

表1 流花井主要事故類型統(tǒng)計表 起

根據(jù)鉆井日志及相關(guān)資料統(tǒng)計，BD-A井在鉆井過程中共發(fā)生49起主要事故，見表2。其他事故包括：套管黏附、井眼縮徑和回收密封裝置失敗等，其中井漏事故比例最大。2016年3月15日，BD-A井在8-1/2井段、鉆井液密度為16.0 ppg(1 ppg=0.119 8 g/cm3)時發(fā)生井漏事故。該氣田為特殊的砂泥巖、灰?guī)r地層，發(fā)生井漏的主要原因：井深環(huán)境條件差，地質(zhì)條件不佳使得裂縫發(fā)育良好，鉆井液密度窗口窄等等。

表2 BD-A井主要事故類型統(tǒng)計表 起

由于流花及BD油氣田發(fā)生井漏事故較多，分別占事故總數(shù)的19.8%和40.8%，所以有必要對2口井的井漏事故進(jìn)行分析。

2 海上鉆井井漏模型分析

2.1 井漏事故樹分析

根據(jù)流花及BD油氣田井漏事故原因，查閱井漏事故相關(guān)資料，總結(jié)出誘發(fā)井漏事故的直接原因，大體可分為3類：井身環(huán)境條件差、井底壓力大以及應(yīng)急措施失效，這3種因素共同作用可能誘發(fā)井漏事故。

井身環(huán)境條件差可能是由于地質(zhì)條件不佳、壓力預(yù)測不準(zhǔn)或套管下深不夠。其中，地質(zhì)條件不佳的因素包括：地層中有空隙、裂縫或溶洞，裂縫發(fā)育良好使鉆井液有漏失通道和較大的足夠容納液體的空間，地層破裂壓力低以及地層應(yīng)力方向復(fù)雜。

造成井底壓力大的直接原因有很多，包括：環(huán)空循環(huán)不暢、下鉆速度過快或鉆井液性能不佳[7]。當(dāng)鉆頭泥包或者巖屑堆積時可能造成環(huán)空循環(huán)不當(dāng)。造成鉆頭泥包的原因包括：鉆壓不均勻、鉆頭中心孔流道小、鉆井液性能不佳、泵排量小以及鉆井地層特性差。造成巖屑堆積的原因包括：鉆井地層特性差、井壁坍塌、泵排量小以及鉆井液性能不佳。下鉆速度過快時，會造成井下過高的激動壓力，從而壓漏鉆頭以下的地層。鉆井液是用來維持井內(nèi)壓力平衡的，它可以平衡巖石側(cè)壓力，維持井壁穩(wěn)定[8]，其密度過大或黏切力過高時，若開泵過猛會造成過高的壓力激動，從而壓漏鉆頭附近的底層。

形成應(yīng)急失效的直接原因為堵漏技術(shù)缺陷和應(yīng)急管理失誤。造成堵漏技術(shù)缺陷的原因包括基礎(chǔ)資料虛假不實、缺乏合理的應(yīng)急預(yù)案以及補救措施不恰當(dāng)?shù)纫蛩?。?dǎo)致應(yīng)急管理失誤的原因包括盲目指揮、操作人員失誤、處理措施未落實以及備用設(shè)備不能使用[2]。

基于以上原因分析可以建立井漏事故的事故樹，如圖1所示。各符號代表的事件見表3。根據(jù)布爾代數(shù)法，求事故樹最小割集以及最小徑集，由于最小割集數(shù)量太多，最小徑集數(shù)量較少，所以采用最小徑集法進(jìn)行分析。

圖1 井漏事故事故樹

由圖1得井漏的計算公式為

A=B+C+D=X17B2X18+X19C2C3+D1D2= X17X18X1X2X3+X19X4X5X6X7X8X9X20X21+X10X11X12X13X14X15X16 (1)

由計算可知：事故樹中存在3個最小徑集，分別為：{X17，X18，X1,X2,X3},{X19,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X20,X21},{X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16}。

一個最小徑集中的基本事件不發(fā)生，則整個事件就不會發(fā)生。假設(shè)各基本事件的發(fā)生概率相等，則結(jié)構(gòu)重要度排序的依據(jù)是各個最小徑集中基本事件的個數(shù)，基本事件個數(shù)少的徑集結(jié)構(gòu)重要度最大，反之則最小。各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序為

I(17)=I(18)=I(1)=I(2)=I(3)>I(19)==I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)=

I(20)=I(21)>I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16)

由基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序可以看出：基本事件X17(壓力預(yù)測不準(zhǔn))、X18(套管下深不夠)、X1(裂縫發(fā)育良好)、X2(地層破裂壓力低)、X3(地層應(yīng)力方向復(fù)雜)等的結(jié)構(gòu)重要度較大，對頂事件的發(fā)生具有較大影響，屬于危險事件，需要格外重視。

井漏事故造成的后果也比較嚴(yán)重：輕微的漏失會使正常的鉆井施工中斷；嚴(yán)重的漏失不僅會耽誤大量的生產(chǎn)時間，還會耗費巨大的人力、物力和財力。如果井漏發(fā)生后不及時處理，隨著地層壓力的逐步降低，還會引起井塌事故，造成井眼報廢，同時導(dǎo)致井內(nèi)設(shè)備的損失[9]。除此之外，還會發(fā)生卡鉆、溢流事故，如果溢流控制不當(dāng)，嚴(yán)重的話可能會導(dǎo)致井噴，發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成人員傷亡。

2.2 井漏蝴蝶結(jié)模型的建立

蝴蝶結(jié)模型[10]是將事故樹分析方法和事件樹分析方法合為一體，全面分析某一事件的發(fā)生原因和事故后果的建模方法。典型的蝴蝶結(jié)模型如圖2所示。

圖2 典型蝴蝶結(jié)模型示意圖

由圖2可以看出：蝴蝶結(jié)模型可以將事故的原因、后果以及預(yù)防和控制事故的措施有機地結(jié)合起來，表達(dá)非常直觀，因此本文采用蝴蝶結(jié)模型作為預(yù)防和控制事故風(fēng)險的管理工具[11]。

安全屏障是用來預(yù)防、控制和降低事故后果的措施和方法。按照發(fā)生作用的時間，可以將安全屏障分為預(yù)防性屏障和保護(hù)性屏障[12]。按照安全屏障的功能又可分為4類：物理屏障系統(tǒng)、功能屏障系統(tǒng)、符號屏障系統(tǒng)和非物理屏障系統(tǒng)。各個屏障的功能見表4。

表4 安全屏障的分類以及功能

總結(jié)事故原因及后果的安全屏障，建立井漏事故的蝴蝶結(jié)模型，如圖3所示。

圖3 井漏事故蝴蝶結(jié)模型

3 預(yù)防與控制措施

2016年3月15日，BD-A井在8-1/2井段，鉆井液密度為16 ppg時發(fā)生井漏事故。根據(jù)BD氣田特殊的砂泥巖、灰?guī)r地層特性，存在泥巖裂縫發(fā)育、鉆井液密度窗口窄等風(fēng)險。依據(jù)作業(yè)經(jīng)驗，基于本文所建立的井漏事故蝴蝶結(jié)模型，提出相應(yīng)的井漏預(yù)防與控制措施，為該氣田下一步安全有效地鉆進(jìn)提供借鑒，預(yù)防在相應(yīng)井段發(fā)生井漏事故。

(1)降低鉆井液密度。在鉆井過程中，通過實時風(fēng)險分析，安全的鉆井液密度是預(yù)防井漏事故發(fā)生的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)裸眼井段的孔隙壓力、坍塌壓力、漏失壓力、破裂壓力確定合理的防塌、防漏的安全鉆井液密度。BD-A井在井段8-1/2井段時，鉆井液密度為16 ppg時發(fā)生井漏，采用鉆井液密度為15.8 ppg時，井漏逐漸得到控制。

(2)鉆井漏失速率監(jiān)測與控制。鉆井錄井參數(shù)的實時監(jiān)測可以對井漏事故實行早期預(yù)測。鉆井過程中如發(fā)現(xiàn)井漏，先提高泵排量和泵壓，檢查漏失速率，后降低泵排量和泵壓控制漏失。如出現(xiàn)無返出現(xiàn)象，須通過MPD系統(tǒng)降低鉆井液密度并堵漏，直至有返出。當(dāng)堵漏之后仍舊出現(xiàn)漏失量小于10 bbl/h(1 bbl=0.159 m3)時，須繼續(xù)降低泵排量，直至堵漏成功。

(3)鉆井過程設(shè)備維護(hù)。定期監(jiān)測和維護(hù)泥漿泵、回壓泵、RCD及其密封組件，確保恒定的井底壓力。對節(jié)流閥及其管匯系統(tǒng)進(jìn)行失效監(jiān)測，確保在井漏時能夠正常壓井。

(4)鉆井過程注意事項。備足鉆井泥漿量及堵漏劑，以便在鉆進(jìn)漏失層或堵漏時使用；控制下鉆、接單根、結(jié)單個和下套管速度，避免壓力激動；控制開泵泵壓，采用“先轉(zhuǎn)動后開泵、小排量、緩慢開泵”的原則；控制鉆井液加重速度，防止加重不均或加重過快造成井內(nèi)液柱壓力過高；每循環(huán)一周鉆井液密度上升值不超過0.05 g/cm3，嚴(yán)防加重過猛而造成環(huán)空壓耗增高；循環(huán)鉆井液時要盡量避開可能出現(xiàn)漏失的層位，保持低速層流循環(huán)，以免沖蝕井壁，引起井漏；下鉆時分段循環(huán)，開泵避開漏層；盡量降低鉆井液濾失量，改善泥餅質(zhì)量，防止因形成厚泥餅而引起環(huán)空間隙縮小，導(dǎo)致環(huán)空壓耗的增加；采用合理的鉆具組合，減少鉆具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增大環(huán)空間隙，使用不膨脹的膠皮護(hù)箍，減少使用大尺寸扶正器。

4 結(jié) 論

本文通過分析流花及BD油氣田的井漏事故，總結(jié)出井漏事故的主要原因及后果，建立了海上鉆井井漏事故的事故樹模型，并分析出其最小徑集，得到引起井漏事故的最危險事件，并基于此建立了井漏事故的蝴蝶結(jié)模型，結(jié)合BD氣田給出井漏風(fēng)險的預(yù)防與控制策略，為該氣田下一步安全有效地鉆進(jìn)提供借鑒，預(yù)防相應(yīng)井段的井漏事故。該模型的優(yōu)勢在于其既能顯示出事故的原因、后果，又能顯示出預(yù)防與控制事故的措施，直觀易懂，便于海上鉆井作業(yè)者在實際生產(chǎn)作業(yè)時制定相應(yīng)的預(yù)防和控制措施，有一定的指導(dǎo)意義。

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AnalysisofLostCirculationAccidentinOffshoreDrillingBasedonBow-TieModel

WEI Jiayi1， ZHANG Laibin1， ZHENG Wenpei1， FENG Huanzhi2， LIU Shujie2

(1.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China； 2.Drilling Research Institute, CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

In order to prevent and control the lost circulation accident effectively, the bow-tie model based on the safety barrier is established. The current situation of the domestic and foreign research on the risk of lost circulation is presented. The reason and consequence of lost circulation are summarized， and the most dangerous events are obtained by building the fault tree and analyzing the minimal path set. According to the bow-tie model of lost circulation accident, the prevention and control measures of its risks based on BD gas field are given. The results show that the bow-tie model can not only show the cause, but also directly show the accident consequences, prevention and control measures. It has some significance on prevention and control of lost circulation accidents.

lost circulation; fault tree; safety barrier; bow-tie model; marine drilling

1001-4500(2017)06-0074-06

2016-06-28

中海石油(中國)有限公司科研項目(YXKY-2015-ZY-12)

魏嘉怡(1993-)，女，碩士研究生

P75

A