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谈石油钻井工程事故预警研究

摘要:钻井工程是一个涉及多个方面的系统工程,钻井作业预警是关乎钻井安全的重要保障。归纳了目前钻井作业中常见钻井事故的分类,将钻井事故分为两个大类并对每个大类钻井事故进行了详细描述;梳理了目前在预测钻井事故方面常用的方法和理论,分析了各类钻井事故预警原理或方法的优点和不足,指出未来促进钻井事故预警技术进展的关键在于随钻录井测试设备的更新和进步,以及预测钻井事故相关理论或多参数融合技术的进步。

关键词:石油钻井;钻井事故;预警技术;研究进展

石油钻井一直以来都是投资巨大、风险很大的复杂地下工程。大量不确定的、模糊的、随机的以及不可控的影响因素伴随着钻井过程。石油钻井的安全和优化都是石油钻探工程研究的重要问题,同时也是录井作业中工程录井的重要内容。由于地质构造、地层结构、钻井工艺、钻井设备及井眼环境等多种原因都可能引发钻井事故,使钻井安全受到严重威胁,所以,应对钻井状态进行适时监测。准确地对钻井事故进行预报,可以保障钻井作业的安全,降低钻井作业的成本和提高钻井作业的效益。本文首先总结了石油钻井中存在各种钻井事故形式,并对钻井事故进行了分类划分;其次对钻井工程的事故预警技术发展历程进行了阶段回顾,并进行了对比分析;最后对钻井工程预警技术进行了展望。

1常见的钻井作业事故

1.1钻井井眼事故

石油钻井形成井眼的过程中特别是在钻进数百米以后,在破碎地层岩石形成井眼钻遇油气储层时,井眼本身会出现一些问题导致钻井无法按预定正常进行。最常见的就是井涌、溢流的问题,钻进过程中当地层压力大于井底钻井液柱压力时,地层空隙中的油气水就会进入井底环空,跟随环空钻井液返回地面,出现出口流量大于入口流量的现象称为溢流。如果溢流没有被有效控制,钻井液出口流量会继续加剧,呈现涌出的状态称为井涌,若井涌仍然没有得到有效的控制,出口流量再继续加剧,呈现喷出的状态称为井喷,井喷是钻井过程中十分严重的事故,如果井喷再无法控制最终会导致井喷失控,最终导致巨大的财产和人身安全损失。井漏、井眼坍塌和缩径也比较常见,井漏是与溢流井涌相反的过程,当钻井过程中大量钻井液流入地层引发钻井液大量损耗称为井漏。如果对井漏的处理不及时,井漏程度加剧会引起井眼垮塌、卡钻等事故,要是井漏位置上部有油气层还可能会引起井喷事故。当钻遇页岩、黏土地层时,由于遇水这些地层会发生体积膨胀,如若当时钻井泥浆密度小,进而导致井眼内液柱压力小于井眼壁上的径向应力,进而发生井眼缩径,这时起下钻发生困难,严重时会导致卡钻。

1.2钻井钻具事故

钻井钻进过程实则是随着钻头逐渐破碎岩石的进尺过程,在这个进尺过程中,数百米或者几千米的钻柱在井眼里面承受着轴向、径向以及管柱切线方向的各种力。随着钻进参数不断地变化导致钻柱受力不均匀,进而会引起钻柱振动,这样就会出现钻柱疲劳失效,最终引发钻具事故的发生。

1.2.1钻具刺漏与断折钻井过程中经常有钻具刺漏的现象,钻具刺漏主要是由于钻具已经陈旧还继续使用,钻具在高含硫区受到的腐蚀较大,以及钻井过程中钻井泵泵压过高等,这些都会导致钻具发生刺漏。一般来说较轻的刺漏,起钻时简单处理就不会引起严重的后果,而严重的刺漏会引起钻井液不能正常循环的干钻,可能引起牙轮掉落、卡钻等事故。如若没有及时发现钻井刺漏,在钻具刺漏处很可能发生钻具断裂落井。而钻具的折断还往往发生在起钻遇阻时野蛮性质的提拉钻具操作,或者发生溜钻或顿钻时扭矩急剧上升导致钻具的折断。这样就需要进行钻具打捞,严重影响建井的周期,如果打捞失败则会导致井眼报废。

1.2.2钻头事故钻井钻头事故一般指都是发生在钻头部位的钻井事故。比如钻头的牙轮掉落以及钻头牙齿的脱落是经常遇到的,这主要是在钻头破碎硬度较高的岩石时,受力不均匀或者长期磨损的导致。掉水眼和堵水眼也比较常见。掉水眼一般是由于水眼安装的不到位,钻井液会沿着水眼周边刺出最终导致水眼掉落,这时泵压会下降很快直接影响水力学作用;堵水眼主要是由于在钻井过程中,被钻头旋转破碎的岩屑,特别是较大颗粒的岩屑很容易将水眼堵塞,导致钻井液不能正常喷出,使得钻井液循环被破坏,影响了整个钻井的过程。还有钻头的寿终,因为钻头承载着直接破碎井底岩石的任务,其为钻具中最为严重的磨损部分。当钻头被磨损到一定程度时,其破岩能力基本消失,一般会出现跳钻现象且钻时增加,在上返岩屑中大多含有细小的铁屑,这说明钻头已经寿终要及时更换。

1.2.3卡钻卡钻是指在钻井进程中,由于钻柱在起下钻的过程中失去了自由活动,即钻井管柱不能上下活动也不能转动,在井眼的某一井段遇到阻碍的钻井事故。卡钻的类型有多种,这主要是由于造成卡钻的原因不同。常见的卡钻的类型主要有:缩径卡钻、砂桥卡钻、落物卡钻、黏吸卡钻、泥包卡钻、键槽卡钻、干钻卡钻和坍塌卡钻等。卡钻在起钻、下钻和钻进的三个过程中均有发生,由于导致各种卡钻的原因不同,对应的解决方案也不同,所以当发生卡钻事故以后,首要任务就是先要弄清楚卡钻的原因和性质,通过研究各种征兆和反映获得综合的信息推断出真正的卡钻原因,再去对应的解卡。

1.2.4溜钻和顿钻溜钻一般是指司钻不均匀送钻导致钻压在钻头上变化太大,当钻压突然增大超过上限,会使得钻具被压缩井深增加的现象。顿钻则是钻柱上提的过程中,刹把没有控制好导致钻具自由下落,引起钻压增大造成钻具压缩井深增加的现象。不难发现溜钻和顿钻都存在钻压突然增大、钻时加快和井深出现跳进的现象,而溜钻有扭矩突然变大的现象,顿钻则没有。

2钻井事故预警进展

2.1早期的人为经验预警

二十世纪八十年代之前,钻井技术人员可以通过传感器采集来的数据进行人工判断钻井预警,通过主观判断分析整个钻井过程是否有钻井事故正在发生或者将要发生。这需要钻井技术人员不仅经验要丰富,并且责任心也得足够强,但是无论怎样毕竟人的精力和经验都是有限的。到了二十一世纪初,钻井工程预警实现了应用软件设置门限阈值进行的预报,但是由于门限参数设置依然受到钻井技术人员的主观性影响,关键点间接的又回到了钻井现场专家的经验和责任心上。

2.2各种智能预警蓬勃发展

2.2.1单一某钻井事故的预警研究鉴于整个钻井系统的事故预警较为复杂,或者很多学者为了更好地在某一种钻井事故的预警上取得更满意的效果,仅对上述钻井事故中的某一事故进行了充分研究。在井涌事故预警方面:孙合辉等基于录井参数应用贝叶斯公式进行了井涌的研究,张正等也应用贝叶斯公式进行了有关井涌的研究。井涌预警的贝叶斯模型兼容现场设备好,预警效率高误警率低,还有待进一步完善。还有学者基于模糊专家系统对钻井溢流进行了预警研究,其智能预警实现准确、快速,应用较好,可以满足现场的需求。在井漏事故预警方面:刘彪等应用支持向量机SVM的SVR支持向量回归算法建立了预测井漏的预警模型,实现了对钻井井漏的定性和定量预测,其精度高预测效果较好。也有学者借助人工神经网络开发了多个神经网络融合技术的井漏预警模型,对井漏的预测成功率很好,对井漏的严重程度也给出了预测。还有学者借助核主元分析理论,针对井漏数据,建立了多个井漏预警的核主元分析模型,实现了对井漏的灵敏判断。在卡钻事故预警方面:朱丹等建立了基于BP神经网络的卡钻预测模型,通过对模型的训练得到了合适的卡钻预测模型,预算误差可以接受。还有些学者提出了一种基于时间序列研究钻井卡钻预测方法,并通过现场数据数值模拟的仿真对比,可以实现对钻井卡钻的提前预警。

2.2.2多种钻井事故的综合预警研究石油钻井过程十分复杂,在打钻形成井眼的过程中可能出现多种钻井事故,很多学者和技术人员针对钻井系统综合地进行了钻井事故的预警研究。张正选等将模糊理论、专家系统应用在钻井事故预警系统之中,构建了事故模型知识库,具备一定的灵活性和适应性,预测结果显示较为理想,为钻井事故预测奠定了基础。也有学者进行了基于向量机SVM技术建立了钻井事故预测模型,该方法具有使用少量样本实现高效准确的性能,特别是针对钻井事故的非线性复杂问题。还有一些学者应用研究小样本和不确定信息的灰色聚类原理,对钻井作业安全问题进行了评价和预测,取得了一些成果。

2.3各种智能预警存在的问题

对于钻井作业的智能预警,不管是考虑某一具体的钻井事故还是各项综合事故,基本都是基于模糊数学、支持向量机、专家系统、灰色聚类、神经网络等原理或方法进行的,那么对于目前这些方法或原理的实际应用还存在如下问题。应用模糊数学进行钻井事故预测的问题主要是:虽然模糊数学可以模拟人类的推理过程,但由于钻井参数过多,在模糊推理过程中会发生维数灾难问题,预警系统实时性会被严重影响,并且误差大小的理论还有待进入深入研究。支持向量机学习性能的强弱主要由关键参数如何在算法中的选取来决定,并且对于钻井过程中的多变目标函数的适应性还要深入研究。灰色聚类建立的钻井安全评价模型的应用较为良好,但由于钻井事故预警模型十分复杂,GM模型的适应性方面与背景值问题上还有待进一步研究。神经网络在钻井事故预警方面多年来的应用逐步取得了较好的效果,但人工神经网络存在局部最小、实时性和准确性不良等问题,还存在训练样本不易获得以及决策函数不易确定,所以神经网络在钻井预警方面的应用还受着一定的限制。

3钻井事故预警总结与展望

钻井工程是一项涉及多个领域复杂而又长期的项目,针对钻井作业中可能出现的各种事故如何快速而又准确的预测,一直以来就是钻井专业技术人员关注和研究问题。特别是目前钻井向着大位移井、水平井、超深井的方向前进,那么钻井过程中出现事故的可能性也在增加,所以建立一套功能完善先进的钻井事故预警系统十分重要。未来随着钻井设备的进步、传感器技术的进步、井下传输数据技术的进步以及数据挖掘技术的进步,综合起来能将各种钻井参数快速高效地传给钻井技术人员,现场技术人员能够根据实时的监测参数更好地分析判断钻井进展状况,预测钻井事故发生的概率。钻井事故预测的各种理论融合技术是未来提高钻井事故预警的重要方向,也就是将模糊数学、支持向量机、灰色聚类、神经网络等原理之间或与其他数理统计方法及计算机科学等融合或组合,进行进一步钻井事故预警的研究。随着钻井事故智能预警技术的发展,钻进事故模型的适应程度、事故模型预测精度的提高以及模型算法的稳定性等方面,都能在多种理论融合技术的优势中展现出来。

参考文献

[1]张正选.钻井工程异常预警方法研究[D].成都:西南石油大学,2014.

作者:赵志明 邓慧静 刘斌 单位:盘锦职业技术学院

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