談石油鉆井工程事故預(yù)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(yù)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(jìn)行了詳細(xì)描述；梳理了目前在預(yù)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(yù)警原理或方法的優(yōu)點和不足，指出未來促進(jìn)鉆井事故預(yù)警技術(shù)進(jìn)展的關(guān)鍵在于隨鉆錄井測試設(shè)備的更新和進(jìn)步，以及預(yù)測鉆井事故相關(guān)理論或多參數(shù)融合技術(shù)的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：石油鉆井；鉆井事故；預(yù)警技術(shù)；研究進(jìn)展

石油鉆井一直以來都是投資巨大、風(fēng)險很大的復(fù)雜地下工程。大量不確定的、模糊的、隨機(jī)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(yán)重威脅，所以，應(yīng)對鉆井狀態(tài)進(jìn)行適時監(jiān)測。準(zhǔn)確地對鉆井事故進(jìn)行預(yù)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(jìn)行了分類劃分；其次對鉆井工程的事故預(yù)警技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行了階段回顧，并進(jìn)行了對比分析；最后對鉆井工程預(yù)警技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(dǎo)致鉆井無法按預(yù)定正常進(jìn)行。最常見的就是井涌、溢流的問題，鉆進(jìn)過程中當(dāng)?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(jìn)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(yán)重的事故，如果井噴再無法控制最終會導(dǎo)致井噴失控，最終導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)時鉆井泥漿密度小，進(jìn)而導(dǎo)致井眼內(nèi)液柱壓力小于井眼壁上的徑向應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生井眼縮徑，這時起下鉆發(fā)生困難，嚴(yán)重時會導(dǎo)致卡鉆。

1.2鉆井鉆具事故

鉆井鉆進(jìn)過程實則是隨著鉆頭逐漸破碎巖石的進(jìn)尺過程，在這個進(jìn)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(jìn)參數(shù)不斷地變化導(dǎo)致鉆柱受力不均勻，進(jìn)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(dǎo)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(yán)重的后果，而嚴(yán)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(dǎo)致鉆具的折斷。這樣就需要進(jìn)行鉆具打撈，嚴(yán)重影響建井的周期，如果打撈失敗則會導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致水眼掉落，這時泵壓會下降很快直接影響水力學(xué)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(dǎo)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(yán)重的磨損部分。當(dāng)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(xì)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(jìn)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。卡鉆的類型有多種，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(jìn)的三個過程中均有發(fā)生，由于導(dǎo)致各種卡鉆的原因不同，對應(yīng)的解決方案也不同，所以當(dāng)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(dǎo)致鉆壓在鉆頭上變化太大，當(dāng)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(dǎo)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(jìn)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(yù)警進(jìn)展

2.1早期的人為經(jīng)驗預(yù)警

二十世紀(jì)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(jìn)行人工判斷鉆井預(yù)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(zé)任心也得足夠強(qiáng)，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(jì)初，鉆井工程預(yù)警實現(xiàn)了應(yīng)用軟件設(shè)置門限閾值進(jìn)行的預(yù)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(zé)任心上。

2.2各種智能預(yù)警蓬勃發(fā)展

2.2.1單一某鉆井事故的預(yù)警研究鑒于整個鉆井系統(tǒng)的事故預(yù)警較為復(fù)雜，或者很多學(xué)者為了更好地在某一種鉆井事故的預(yù)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(jìn)行了充分研究。在井涌事故預(yù)警方面：孫合輝等基于錄井參數(shù)應(yīng)用貝葉斯公式進(jìn)行了井涌的研究，張正等也應(yīng)用貝葉斯公式進(jìn)行了有關(guān)井涌的研究。井涌預(yù)警的貝葉斯模型兼容現(xiàn)場設(shè)備好，預(yù)警效率高誤警率低，還有待進(jìn)一步完善。還有學(xué)者基于模糊專家系統(tǒng)對鉆井溢流進(jìn)行了預(yù)警研究，其智能預(yù)警實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速，應(yīng)用較好，可以滿足現(xiàn)場的需求。在井漏事故預(yù)警方面：劉彪等應(yīng)用支持向量機(jī)SVM的SVR支持向量回歸算法建立了預(yù)測井漏的預(yù)警模型，實現(xiàn)了對鉆井井漏的定性和定量預(yù)測，其精度高預(yù)測效果較好。也有學(xué)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(yù)警模型，對井漏的預(yù)測成功率很好，對井漏的嚴(yán)重程度也給出了預(yù)測。還有學(xué)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(yù)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(yù)警方面：朱丹等建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卡鉆預(yù)測模型，通過對模型的訓(xùn)練得到了合適的卡鉆預(yù)測模型，預(yù)算誤差可以接受。還有些學(xué)者提出了一種基于時間序列研究鉆井卡鉆預(yù)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(yù)警。

2.2.2多種鉆井事故的綜合預(yù)警研究石油鉆井過程十分復(fù)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(xué)者和技術(shù)人員針對鉆井系統(tǒng)綜合地進(jìn)行了鉆井事故的預(yù)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(yù)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(yù)測結(jié)果顯示較為理想，為鉆井事故預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。也有學(xué)者進(jìn)行了基于向量機(jī)SVM技術(shù)建立了鉆井事故預(yù)測模型，該方法具有使用少量樣本實現(xiàn)高效準(zhǔn)確的性能，特別是針對鉆井事故的非線性復(fù)雜問題。還有一些學(xué)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(jìn)行了評價和預(yù)測，取得了一些成果。

2.3各種智能預(yù)警存在的問題

對于鉆井作業(yè)的智能預(yù)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(xué)、支持向量機(jī)、專家系統(tǒng)、灰色聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等原理或方法進(jìn)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(xué)進(jìn)行鉆井事故預(yù)測的問題主要是：雖然模糊數(shù)學(xué)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(zāi)難問題，預(yù)警系統(tǒng)實時性會被嚴(yán)重影響，并且誤差大小的理論還有待進(jìn)入深入研究。支持向量機(jī)學(xué)習(xí)性能的強(qiáng)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(biāo)函數(shù)的適應(yīng)性還要深入研究。灰色聚類建立的鉆井安全評價模型的應(yīng)用較為良好，但由于鉆井事故預(yù)警模型十分復(fù)雜，GM模型的適應(yīng)性方面與背景值問題上還有待進(jìn)一步研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在鉆井事故預(yù)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(zhǔn)確性不良等問題，還存在訓(xùn)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(yù)警方面的應(yīng)用還受著一定的限制。

3鉆井事故預(yù)警總結(jié)與展望

鉆井工程是一項涉及多個領(lǐng)域復(fù)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(zhǔn)確的預(yù)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(jìn)，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(jìn)的鉆井事故預(yù)警系統(tǒng)十分重要。未來隨著鉆井設(shè)備的進(jìn)步、傳感器技術(shù)的進(jìn)步、井下傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)步以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的進(jìn)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(jìn)展?fàn)顩r，預(yù)測鉆井事故發(fā)生的概率。鉆井事故預(yù)測的各種理論融合技術(shù)是未來提高鉆井事故預(yù)警的重要方向，也就是將模糊數(shù)學(xué)、支持向量機(jī)、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(jī)科學(xué)等融合或組合，進(jìn)行進(jìn)一步鉆井事故預(yù)警的研究。隨著鉆井事故智能預(yù)警技術(shù)的發(fā)展，鉆進(jìn)事故模型的適應(yīng)程度、事故模型預(yù)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(xiàn)

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

作者：趙志明 鄧慧靜 劉斌 單位：盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院