石油天然氣鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究

楊 智

中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司培訓(xùn)中心井控培訓(xùn)中心 四川成都 610213

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，石油和天然氣在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的占比也進(jìn)一步提升。作為供應(yīng)我國能源的主要來源，需要首先重視石油天然氣開采過程中風(fēng)險(xiǎn)控制問題，以進(jìn)一步提高石油天然氣的開采效率。

1 自動(dòng)化鉆井技術(shù)

1.1 自動(dòng)化鉆井裝備

隨著自動(dòng)化技術(shù)在石油天然氣鉆井開采工作中的應(yīng)用，包含自動(dòng)化鉆機(jī)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的研用，促使自動(dòng)化鉆井技術(shù)再度發(fā)展到了一個(gè)高潮。由意大利某公司研發(fā)的AHEAD 自動(dòng)化鉆機(jī)同時(shí)兼?zhèn)潆妱?dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，并且其又配置了全自動(dòng)的離線處理、流量監(jiān)測(cè)及連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，可以當(dāng)作智能鉆桿使用，且其又具備流量監(jiān)控和自動(dòng)送鉆、連續(xù)循環(huán)功能，使用這種鉆機(jī)，可提升鉆井效率超50%。另外由另一家油井公司研發(fā)的自動(dòng)化閉環(huán)鉆井系統(tǒng)，可以自動(dòng)獲取到井底壓力、鉆壓、井下振動(dòng)等參數(shù)信息，同時(shí)又可以完成地面和井下設(shè)備以及工具參數(shù)的優(yōu)化工作，這種鉆井系統(tǒng)在美國某頁巖區(qū)開采中的實(shí)踐應(yīng)用，做到了機(jī)械鉆速最大化，且其系統(tǒng)日均進(jìn)度提升了17%。不僅如此，某公司研發(fā)的在線鉆井液測(cè)試系統(tǒng)，可以同時(shí)完成鉆井液流變性、慮失量、硫化氫含量以及密度、pH 值、粒徑分布、固相含量、電導(dǎo)率等參數(shù)，能夠完整地預(yù)測(cè)并分析出鉆井液性能的變化情況并適當(dāng)給出調(diào)整建議。挪威某機(jī)器人鉆井系統(tǒng)研發(fā)公司研制的全自動(dòng)鉆臺(tái)機(jī)器人能夠完成鉆桿自動(dòng)化處理，且目前該系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用中。

1.2 井下自動(dòng)控制技術(shù)

事實(shí)上，這種技術(shù)的發(fā)展核心應(yīng)該從井下自動(dòng)鉆井系統(tǒng)和井下信號(hào)隨鉆傳輸技術(shù)兩方面體現(xiàn)出來。如果從隨鉆測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)慕嵌葋矸治?，除了能提高鉆井液脈沖信號(hào)傳輸性能以外，同時(shí)也開發(fā)了有線鉆桿、電磁傳輸、聲波傳輸?shù)仍趦?nèi)的多重技術(shù)。斯倫貝謝公司研制的MWD 鉆井液脈沖數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)DigiScope 以及XACT 公司研制的鉆柱聲波傳輸系統(tǒng)，成功地克服了以往鉆機(jī)傳輸速率低、數(shù)據(jù)量小、脈沖噪聲影響和調(diào)速受限、泡沫鉆井信號(hào)傳輸困難、空氣鉆井信號(hào)等問題。另外由某公司研發(fā)的Intelliserv 智能鉆桿的傳輸速率達(dá)到了2Mb/ s，此為近年來鉆井技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域邁出的重要一大步。

而對(duì)于井下自動(dòng)鉆井系統(tǒng)而言，主要從旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的研發(fā)及其性能的提升來體現(xiàn)其發(fā)展，能在做到地層多參數(shù)精細(xì)評(píng)價(jià)與眼軌跡高精度控制的基礎(chǔ)上，大幅提升其測(cè)控性能[1]。

2 鉆井液技術(shù)

關(guān)于鉆井液的研發(fā)，重點(diǎn)體現(xiàn)在其能夠抵抗高溫的能力、抗抑制性、環(huán)保性及防堵漏性幾個(gè)方面體現(xiàn)出來。時(shí)下水基鉆井液最高可以在243℃的高溫下使用，且密度最大可達(dá)到2.87g/ cm3。而油基鉆井液其參數(shù)則分別為265℃和2.39g/ cm3，另由斯倫貝謝公司研發(fā)的超高溫高壓油基鉆井液的密度則為2.39g/ cm3，這種鉆井系統(tǒng)在260℃的高溫下性能也同樣比較穩(wěn)定，而高溫高密度水基鉆井液參數(shù)則分別為232℃和2.3g/ cm3。

由貝克休斯和哈里伯頓等部分公司研發(fā)的頁巖氣水基鉆井液可以同時(shí)抵抗封堵微裂縫及空隙壓力傳遞，并且其同時(shí)具備高潤滑性、強(qiáng)抑制性、低慮失性、降摩阻性及阻絕泥包與環(huán)境友好等特征，這種技術(shù)多被應(yīng)用于頁巖氣鉆井工作中。此外由德克薩斯大學(xué)研發(fā)的納米顆粒頁巖抑制劑，成功地攻破了頁巖井壁失穩(wěn)的問題，再者也保證了水基鉆井液鉆穿頁巖地層工作的安全開展。

沙特阿美公司與挪威Wellcem 公司研發(fā)的熱活性樹脂堵漏材料能在很短的時(shí)間內(nèi)于地層溫度下固化，固結(jié)發(fā)生時(shí)的溫度為20～150℃，此時(shí)的密度控制為0.75～2.5g/ cm3，該系統(tǒng)適用于密度較窄的窗口鉆井工程中。

另外氟基抗高溫鉆井液是由哈里伯頓公司研發(fā)的，且它是由氯化鈣鹽水、全氟聚醚、氟乳化劑共同配制合成的，這種鉆井液不僅熱穩(wěn)定性高，且抗氧化性也較強(qiáng)，受抵溫度可以超343℃。由中國石油研發(fā)的高溫高密度水基鉆井液的參數(shù)分別為232℃和2.3g/ cm3。中石化工程院研發(fā)的超密度鉆井液密度高達(dá)2.87g/ cm3[2]。

3 隨鉆地層測(cè)試技術(shù)

國外關(guān)于隨鉆地層測(cè)試技術(shù)的研發(fā)基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了地層取樣測(cè)試分析及地層壓力測(cè)量。例如，由哈里伯頓公司研發(fā)的智能測(cè)試系統(tǒng)就可以經(jīng)測(cè)量實(shí)時(shí)獲取到儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和井下數(shù)據(jù)、井下信息等，達(dá)到了及時(shí)優(yōu)化鉆井方案并且快速?zèng)Q策的目標(biāo)。系統(tǒng)的構(gòu)成包括智能測(cè)試閥、單相取樣器和無線傳輸系統(tǒng)，可忍耐最高溫度為204℃，最高可抵抗140MPa 壓強(qiáng)。相較于其它系統(tǒng)而言，該無線傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，即不僅能夠把井底的壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，?duì)其測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)又能把地面產(chǎn)生的指令傳輸?shù)焦ぞ?。壓力?jì)托筒、油管試壓閥、選擇測(cè)試閥、OMNI 循環(huán)閥共同構(gòu)成了智能測(cè)試閥，且適用于井下開關(guān)及循環(huán)等作業(yè)中，可以快速反應(yīng)出操作結(jié)果。此外，單向取樣器附帶了9 只取樣腔，因此它可以實(shí)現(xiàn)全工作過程全封閉、壓力補(bǔ)償、多次取樣預(yù)防樣品被污染，又可以精確地將取樣地層溫度與壓力記錄下來。再者，斯倫貝謝公司研發(fā)的三維徑向探測(cè)儀具備徑向探測(cè)和延伸的性能，可用于取樣地層動(dòng)態(tài)流體參數(shù)及測(cè)量壓力參數(shù)。系統(tǒng)配置有4 個(gè)間隔90°的自封吸附式探測(cè)器，因此可以探測(cè)到周圍0.05m2以內(nèi)的流體范圍，是常規(guī)探測(cè)流體范圍的12 倍，又可以測(cè)試0.01mD（mPa·s）的低流動(dòng)性與低滲透性地層中的壓力，墨西哥成功地完成了在抗壓強(qiáng)度300pi（2068.8kPa）欠膠結(jié)地層中的流體取樣作業(yè)。

隨鉆地層壓力測(cè)試儀是中海油田服務(wù)股份有限公司研制開發(fā)的鉆機(jī)系統(tǒng)，它能夠定點(diǎn)定時(shí)地完成地層壓力與地層密度的測(cè)量工作，且系統(tǒng)能抵抗的最高溫度為150℃，以及系統(tǒng)能抵抗的最高壓強(qiáng)為138MPa，此外，能抵抗的地層最高測(cè)量壓力為110MPa。經(jīng)由中石油工程院研發(fā)的井底環(huán)空壓力隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可以保證被測(cè)量井底環(huán)空和柱內(nèi)的壓力及溫度，同時(shí)系統(tǒng)既可以單獨(dú)使用也可以對(duì)接MWD 聯(lián)合使用，該系統(tǒng)能抵抗最高使用溫度為150℃，且系統(tǒng)能抵抗最高壓強(qiáng)為170MPa。微芯片測(cè)量?jī)x是由塔爾薩大學(xué)研發(fā)出來的，該儀器設(shè)備能夠充分利用鉆井液經(jīng)循環(huán)測(cè)量得到環(huán)空壓力數(shù)據(jù)、井底溫度等信息參數(shù)，不僅操作起來簡(jiǎn)便而且應(yīng)用成本也不高[3]。

4 石油天然氣鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)

4.1 確定風(fēng)險(xiǎn)量化原則

基于以往作業(yè)經(jīng)驗(yàn)可以得知，鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)具有突發(fā)性高、預(yù)測(cè)困難度高等特點(diǎn)，因此在對(duì)其展開控制時(shí)，需要應(yīng)用不同的量化原則，以此來確保事故出現(xiàn)后應(yīng)急處理過程的時(shí)效性，降低安全風(fēng)險(xiǎn)事故帶來的危害性。在量化原則的擬定中，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，借此來方便計(jì)算工作的進(jìn)行。現(xiàn)階段所使用的固有風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為G，其評(píng)分范圍在0～100 分，如果得分較高，那么表示目前存在較為嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，并且也具備了較高的事故發(fā)生概率；而易發(fā)性的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)設(shè)定為Y，其評(píng)分范圍在0～100 分，若得分較高那么表示風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生概率較大；嚴(yán)重類型的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)設(shè)定為S，其評(píng)分范圍在0～10 分，得分越高表明風(fēng)險(xiǎn)帶來的后果越嚴(yán)重。

4.2 明確風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在對(duì)石油天然氣鉆井工程作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)展開控制時(shí)，也需要明確相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，此過程也需要交給專業(yè)人員進(jìn)行負(fù)責(zé)，而且所擬定的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)需具備較強(qiáng)的細(xì)化度，這樣也可以提高評(píng)估結(jié)果的可靠性，不斷提升工程運(yùn)行過程的安全系數(shù)。一般情況下會(huì)將風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)劃分為四個(gè)應(yīng)用等級(jí)，具體內(nèi)容如下：

（1）1 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)應(yīng)評(píng)分為0～100 分，表示鉆井工程不存在較大的風(fēng)險(xiǎn)問題；

（2）2 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)應(yīng)評(píng)分為100～200 分，表示鉆井工程存在中等風(fēng)險(xiǎn)問題；

（3）3 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)應(yīng)評(píng)分為200～500 分，表示鉆井工程存在較高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)問題；

（4）4 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)應(yīng)評(píng)分超過500 分，表示鉆井工程存在非常高等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)問題，需及時(shí)組織專業(yè)人員進(jìn)行處理，以降低工程帶來的風(fēng)險(xiǎn)性。

4.3 建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系

完成上述工作內(nèi)容后，進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的搭建階段，相關(guān)作業(yè)人員需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)體系中的相關(guān)內(nèi)容展開深入了解，同時(shí)也需要做好實(shí)地考察工作，對(duì)于該地區(qū)基本作業(yè)環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣候條件等內(nèi)容，這些都是非常重要的影響因素需對(duì)其展開針對(duì)性，以此來得出鉆井工程施工期間的常見風(fēng)險(xiǎn)、突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)、嚴(yán)重性風(fēng)險(xiǎn)，提高后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估過程的可靠性，確保所擬定施工決策的可行性。而且在體系建設(shè)過程中，也會(huì)基于信息技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，以此來作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估活動(dòng)的重要參考，提高預(yù)防措施的有效性。

4.4 突發(fā)事故應(yīng)急處理

在石油天然氣鉆井工程施工過程中，也會(huì)面臨一些突發(fā)性事故，這也是風(fēng)險(xiǎn)處理時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，常見突發(fā)性事故包括井噴失控、鉆井局部塌陷等，這也需要及時(shí)采取應(yīng)急處理措施來進(jìn)行整理，以降低突發(fā)事故帶來的危害性。以井噴失控事故為例，在對(duì)其展開應(yīng)急處理時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）出現(xiàn)井噴失控事故時(shí)，需要及時(shí)成立救援小隊(duì)，向井筒內(nèi)噴水降溫，控制失控狀況。相關(guān)管理人員要及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，與施工人員之間做好協(xié)調(diào)工作，借此避免井噴事故影響擴(kuò)大化，減少此問題帶來的負(fù)面影響。

（2）監(jiān)管部門也需要在現(xiàn)場(chǎng)做好監(jiān)測(cè)工作，檢查空氣中天然氣、硫化氫濃度，若超出安全值需及時(shí)組織人員進(jìn)行處理，減少火災(zāi)、爆炸、中毒等次生災(zāi)害。應(yīng)急處理中需秉持安全第一原則，避免對(duì)施工人員造成生命威脅。

5 結(jié)語

綜上所述，在石油工業(yè)工程中，石油鉆井技術(shù)扮演著非常重要的角色，且基于行業(yè)性激烈的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)影響作用下，研究和優(yōu)化石油鉆井技術(shù)更有利于石油資源勘探，且對(duì)其行業(yè)性發(fā)展極具現(xiàn)實(shí)性影響意義。隨著我國各種鉆井工程技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化，當(dāng)前所取得的經(jīng)濟(jì)效益比較可觀，然而，受到環(huán)境因素的影響，石油資源也逐漸變得緊缺，為此，就需要在原有的鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行深化研發(fā)，嚴(yán)控鉆井測(cè)量技術(shù)實(shí)踐中的風(fēng)險(xiǎn)因素，將工作重點(diǎn)放在油氣層保護(hù)鉆井液技術(shù)研發(fā)上面來。