川东北钻井复杂情况风险分析方法研究.pdf

第 3 4卷 第 2期 2 0 1 2年 3月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY Vo 1 ． 3 4 No ． 2 Ma r c h 2 0 1 2 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 2 0 20 0 2 9 0 4 川 东北钻 井 复杂情 况风 险分 析方法研究 王 萍 李文飞 张 锐。王光磊 张运成 1 ． 胜 利石油管理局 钻井工艺研 究院 ， 山 东东营2 5 7 0 1 7 ； 2 ． 中国石油大学 ， 山 东东营2 5 7 0 6 1 ；3 ． 胜利石油管理局海 洋钻井公 司， 山东东营2 5 7 0 0 0 引用格式王萍， 李文飞， 张锐， 等 ． 川东北钻井复杂情况风险分析方法研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 2 2 9 - 3 2 ． 摘要川东北地 区地质构造非常复杂， 钻井地质环境难以预测 ， 给钻井设计与施工带来很大的不确定性和风险性。在资 料统计分析的基础上， 采用统计学习法， 建立了钻井复杂情况分析模型， 对川东北地区钻井风险进行 了分析研究， 结果表明， 井 漏模型准确率 9 0 ． 5 2 3 8 ％、 溢流模型准确率 9 9 ． 9 8 5 5 ％、 井塌模型准确率 9 9 ． 8 0 2 ％、 卡钻模型准确率 8 3 - 3 3 ％、 钻具失效模型准确率 9 0 ％， 分析结果表明提出的钻井复杂情况风险分析法准确可靠， 能够满足现场施工安全要求， 具有重要的理论意义和实用价值。 关键词川东北；高含硫化氢；钻井复杂情况；风险等级；安全 中图分类号 T E 3 7 7 文献标识码 B Ri s k a na l y s i s me t h o d f o r dr i l l i n g t r o ub l e i n No r t he a s t S i c hu a n W A NG P i n g ， L I We n f e i ， Z H A N G R u i ， WA N G G u a n g l e i ， Z H A N G Y t m c h e n g 1 ． Dr i l l i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e , S h e n g l i Pe t r o l e u m Ad m i n i s t r a t i o n ， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g i n C h i n a U n i v e r s i ty o fP e t r o l e u m， Do n gy i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a ； 3 ， S h e n g l i O f f s h o r e Dr i l l i n g C o m p a n y ， Do n g y i n g 2 5 7 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t No r t h e a s t S i c h u a n i s a r e p r e s e n t a t i v e g a s fi e l d wi t h h i g h p r e s s u r e ， h i g h p r o d u c t i o n ， a n d h i g h h y d r o g e n s u l fi d e i n Ch i n a ， a n d t h e c o mp l e x g e o l o g i c a l s t r u c t u r e a n d u n p r e d i c t i v e d r i l l i n g g e o l o g i c e n v i r o n me n t b r i n g u n c e r t a i n t y a n d r i s k f o r d ril l i n g d e s i g n a n d o p e r a t i o n ． Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f d ril l i n g t r o u b l e s t a t i s t i c s ， a c c o r d i n g t o s t a t i s t i c a l d e c i s i o n me t h o d ， t h e a n a l y s i s m o d e l f o r d r i l l i n g r i s k i s e s t a b l i s h e d ， a n d t h e d r i l l i n g ris k i n No rth e a s t S i c h u a n i s a n a l y z e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u r a c y o f c i r c u l a t i o n l o s s mo d e l i s 9 0 ． 5 2 3 8 ％； t h a t o fo v e r fl o w mo d e l i s 9 9 ． 9 8 5 5 ％； t h a t o f b o r e h o l e c o l l a p s e mo d e l i s 9 9 ． 8 0 2 ％； t h a t o f b i t f r e e z i n g mo d e l i s 8 3 ． 3 3 ％ a n d t h a t o f d r i l l s t r i n g f a i l ure mo d e l i s 9 0 ％． T h e r e f o r e ， t h e a n a l y s i s me t h o d for d r i l l i n g ri s k i s r e l i a b l e ， a n d me e t s wi t h s a f e t y r e q u i r e me n t o f t h e d r i l l i n g s i t e ， a n d i t i s s i g n i fic a n t t h e o r e t i c a l l y a n d p r a c t i c a l l y ． Ke y wo r d s No rt h e a s t S i c h u a n ； h i g h h y d r o g e n s u l fi d e c o n t e n t ； d r i l l i n g w o u b l e ； r i s k g r a d e ； s a f e ty 川东 北地 区是我 国 “ 三 高” 高压 、 高产 、 高含 硫化氢 气 田的主要代表 区域 ， 钻井设计与施工有 很大的不确定性和风险 l生 。近几年发生的重大钻 井事故， 如罗 l 6 井和清溪 1 井的特大井喷事故， 罗 2 井的气体窜漏事故 ， 以及常规钻井操作中常出现的 井漏 、 井壁不稳定等井 下复杂情况 和由于腐蚀而造 成 的钻具事故等 ， 不同程 度地对社会和钻井工程本 身造成危害和经济损失。因此， 全面调研了川东北 地 区的各类钻井复杂情况 ， 分析了事故原 因， 为三高 气田的安全钻井设计与施工提供依据和借鉴， 以减 少钻井风险。 1 钻井复杂情况统计分析 1 ． 1 钻井复杂情况类型 通过统计分析 ， 川东北地 区钻井 中复杂情况类 型 [ 3 - 4 主要 以井漏 、 溢流 、 卡钻 、 断钻具为主。 基金项 目国家科技重 大专项 “ 大型 油气田及煤层 气开发” 编号 2 0 1 I ZX 0 5 0 2 2 0 0 1 ；国家科技 支撑计划项 目 “ 三高气田钻 完井安全 技 术体 系研 究与应用” 编号 2 0 O 8 B AB3 7 B O 6 。 作者简介王萍， 1 9 7 5 年生。2 0 0 6 年毕业于中国石油大学 华东 应用化学专业。现从事钻井液技术研究工作。E - m a i l w a n g p i n g 2 6 5 ． s l y t s i n o p e c ． t o m ， 3 0 石油钻采工艺 2 0 1 2年 3月 第 3 4卷 第 2期 2 9 8 1l ． 4 0 I ． _． 墨． 釜 2 ． 圈． 井喷溢流井漏井塌卡钻断钻具 其 他 图 1 川东北地区钻井复杂情况统计 图 l 是川东北地区钻完井施工中发生复杂情况 的统计。从图中可以看出， 该地区目 前共发生钻井 复杂情况 5 5 0起 ， 其 中溢流 7 ． 7 2 ％， 井漏 5 4 ． 1 9 ％， 井 壁坍 塌 5 ． 0 9 ％， 卡钻 9 ． 6 4 ％， 钻具事故 1 8 ． 9 1 ％， 其 中 井漏发生的频率最高 ， 钻具事故次之 ， 表 明井漏和钻 具事故是该地 区钻井面临的突出问题。 1 ． 2 复杂情况原因分析 1 井漏。川东北地区钻井过程 中的漏失主要由 地层复杂造成 ， 其上部层段 蓬莱镇组 ～沙溪庙组 为构造裂缝漏失 、 中部层段 自流井 ． 须家河组 为 微裂缝漏失 、 下部层段 嘉陵江组 主要为裂缝性漏 失 、 产层 飞仙关组 主要为裂缝 ． 溶洞性漏失 。 2 溢流。川东北地区地质情况复杂， 陆相沉积 和海相沉积共存 ， 海相地层压力难 以有效预测 ， 地层 压力预测误差大， 依据预测地层压力设计的钻井液 密度难以满足钻井过程中压力控制的要求。 3 卡钻 。川东北地 区地层泥页岩水化膨胀 ， 产 生较大的膨胀压力 ， 使井壁岩石受力不平衡而失去 井壁的稳定性， 发生坍塌掉块， 造成卡钻。同时由于 钻井液滤失量过大、 滤饼厚， 在地层孔隙压力与钻井 液柱压力相差较大的情况下易发生压差卡钻。 4 断钻具。川东北地区钻井较深 ， 钻具在井下 旋转钻进过程 中， 受到交变应力 的作用 ， 导致钻具上 的微裂纹不断扩展， 当剩余截面难以承受载荷时就会 发生钻具断裂的复杂情况 ， 造成钻具疲劳失效 。钻具 疲劳是造成钻井施工中钻具断裂的最主要的原因。 2 钻井复杂情况风险等级分析方法 含硫气井钻井复杂原因错综复杂、 影响因素众 多， 且没有 明显 的规律。通过分析含硫气井钻井 复 杂影响因素 ， 制定各类钻井复杂情况分级标准 ， 利 用统计学习法， 建立了钻井复杂情况指标和等级与 影 响因素之 间的数理关系模型 _ 6 1 o 2 ． 1 风险等级分析方法原理 含硫气井钻井复杂情况主要与地质、 工艺和钻 井 液性能 因素有 关 ， 其关 系复杂 ， 是一个非线性 问 题。将原空间的钻井复杂情况影响因素数据向量 X 通过一个映射函数映射到特征空间中数据向量 ，在特征空间中， 原空间的非线性问题就转换为线性 问题。而特征空间内向量的点积形式可以用原空间 的核函数 表示 ， 即 ， K x i ， X ， ， 因此只 要用核函数 X x i ， X j 替代 内积运算就隐含了原空间 到特征空间的映射 』 ， 由此实现了原空间的非线性 函数逼近或分类识别。 含硫气井钻井 复杂情况 函数 逼近问题 的核 函 数采用常用的一种非线性映射 ， 径向基函数 l O ] K ， Y e x p 一 7 lIX y ll ， 7 0 。 由 此 ， 则 含 硫气井钻井复杂情况关系模型为 l厂 e 一 j 2 e lIx 2 -- ．2 ⋯ e 一 ll2 b 1 含硫气井钻井复杂情况等级分类模型 为 s g n { a l Y 1 e 1 ” a 2 Y 2 e “ ⋯ O Y e l 0 b } 2 式中， ， a ， ⋯以 为支持向量系数； Y l ，Y ， ⋯Y 为向 量对应的标识 1 或 一1 ；y 为核 函数系数 ；b为常数 或分类的阈值。 2 ． 2 风险等级划分 1 井漏。根据 目前石油行业对漏失量化标准 ， 按照漏失速度将含硫气井井漏划分 为微漏 ≤ 5 m ／ h 、 小 漏 5 ～ 1 5 m ／ h 、 中 漏 1 5 ～ 3 0 m ／ h 、 大 漏 3 0 ～ 6 0 m3 ／ h 、 恶性漏失 ≥ 6 0 m ／ h包括失返5个 级别 。 2 钻井液外溢。根据溢流到井喷失控的发展过 程， 将含硫气井井眼溢流划分为钻井液外溢、 井涌、 井喷和井喷失控 4 个级别， 结合川东北地区溢流前 后钻井液密度变化率， 确定出各级别的钻井液密度 变化率。 ①钻井液外溢。井 口返 出钻井液 的量 比泵人 的 钻井液量多， 停泵后井 口钻井液 自动外溢 ， 返 出流体 在转盘面 以下。统计川东北地 区此种情况 ， 通 常钻 井液密度变化率 8 0 ％ ， 大段井壁坍塌， 导致无法继续钻进被迫完井或侧钻。 4 _ 钻。 按照处理方式可将卡钻分为 4个级别。 ①轻微卡钻 。钻具遇阻 ， 通过划眼可解卡成功。 ② 中度 卡钻。钻具卡死 ， 通过酸泡 、 油泡 、 震击 等方式成功解卡。 ③严重卡钻 。划眼时间过长 、 上提下放过量引 起钻具断裂 。 ④恶性卡钻 。解卡失败 ， 被迫侧钻或完井。 5 钻具失效 。根据钻具破坏的发展历程 点蚀 坑产生一 裂纹萌生一扩展一刺穿一 断裂 可将钻具 失效分为 3个级别 轻度损伤 ， 钻具 内壁 出现点蚀 坑 、 壁面产生裂纹 、 裂缝 ；中度 损伤， 钻井液循环 回 路遭受破坏， 钻具发生刺穿；钻具断裂， 钻具本体、 丝扣等发生局部断裂 ， 更严重者钻具发生多处断裂 ， 以至无法打捞 。 3 实例分析 根据建模方法， 针对已有的川东北钻井数据， 建 立 了井漏 、 溢流、 井塌 、 卡钻 、 断钻具关系模型。 1 井漏 。在允许误差 0 ． 0 1 和终止误差 0 ． 0 0 1 条 件下， 优化得到惩罚系数为 7 0 0 ， 核函数 7 0 ．0 0 1 ；并 利用上述参数建立井漏模 型， 获得模 型向量 l 0 8组 和相应的 L a n g r a n g e 乘子。 图2 为应用模型针对普光 1 0 井、 普光 l 2 井、 普 光 1 0 4 ． 2 井 、 元坝 1 井 、 毛坝 4 井发生的井漏预测结果。 l 5 0 1 2o 90 鬣6 0 3 0 曙 O o 3 0 6 0 9 0 1 2o 1 5 0 漏失速度原始值／ m 3 h 图 2 井漏预 测结果对 比 从图 2中可以看出， 预测值点基本分布在 4 5 。 线上， 预测值与原始值相关系数达到 9 0 ．5 2 3 8 ％， 表 明预测结果准确 ， 符合现场应用条件。 2 溢流。在允许误差 0 ． 0 1 和终止误差 0 ． 0 0 1 条 件下， 优化得到惩罚系数为 7 0 0 ， 核函数 y 3 0 0 ；并 利用上述参数建立溢流模型， 获得模型向量 l 2 组和 相应 的 L a n g r a n g e 乘子。 图3 为应用模型针对普光 1 0 井、 普光 1 0 4 ． 2 井、 元坝 1 井发生 的溢流预测结果 。 趔 料 蜊 稍 密度变化率原始值 图 3 溢流 井涌 预测结果对 比 从图 3 中可以看出， 预测值点基本分布在 4 5 。 线 左右， 预测值与原始值相关系数达到 9 9 ． 9 8 5 5 ％， 表 明预测结果准确 ， 符合现场应用条件。 3 井塌。在允许误差 0 ． 0 l 和终止误差 0 ．0 0 1 条 件下 ， 优化得到惩罚 系数为 7 0 0 ， 核 函数 7 5 0 0 ；并 利用上述参数建 立井塌模型 ， 获得支持 向量 1 2 8 组 和相应的 L a n g r a n g e 乘子 。 图 4为应用模型针对普光 l 0 井 、 普光 l 2井、 普 光 3 0 2 3 井 、 元坝 1 井 、 毛坝 4 井发生的井塌预测结果。 嚣 慝 攒 _ K 落 球 井眼扩 大率原始傻 图 4 井塌预 测结果 对比 从图 4可以看出， 预测值点基本分布在 4 5 。 线左 右 ， 预测值与原始值相关 系数达到 9 9 ． 8 0 2 ％， 表明预 测结果准确 ， 符合现场应用条件 。 4 卡钻 。在终止误差 0 ． 0 0 1 条件下优化得惩罚 系数为 1 ， 核函数 7 1 ；利用上述参数建立卡钻等级 分类器模型 图 5 ， 各类获得模型向量组数见表 1 。 图5 卡钻等级有向无环图分类识别器 3 2 石油钻采工艺 2 0 1 2年 3月 第 3 4卷 第 2期 表 1 卡钻模型向量组数对应数据 轻微卡钻中度卡钻严重卡钻恶性卡钻 程度 标识 1 2 3 4 模 型向量组数 1 1 1 4 7 4 表 2为应用模型对普 光 1 2井 、 普光 1 0 1 井、 普 光 1 0 4 ． 2井、 元坝 1 井和毛坝 4 井卡钻预测结果。 表 2 卡钻预测结果对 比 从表 2 可看出， 卡钻预测等级和原始等级分类 相同， 准确性达 8 3 ．3 3 ％， 符合现场应用条件。 5 钻具失效。在终止误差 0 ． 0 0 1 条件下 ， 优化 得到惩罚系数为 1 ， 核函数 7 1 ；并利用上述参数建 立钻具失效模 型等级分类器如图 6所示 ， 各类获得 钻具失效各类模型向量组数见表 3 。 图6 钻具失效等级有向无环图分类识别器 表 3 钻具失效模型向量组数对应数据 轻微损伤 中度损伤 钻具 断裂 程度标识 1 2 3 模型 向量组数 l 2 0 4 2 表 4为应 用模 型针 对普 光 l 0井 、 普 光 l 2井和 毛坝 4井发生 的钻具失效预测结果。 表4 钻具失效预测对比 井名 钻具失效描述 预测钻具失效等级 原始钻具失效等级 毛坝 4 断裂 毛坝 4 断裂 普光 1 O 断裂 普光 1 2 断裂 普光 1 2 断裂 普光 1 2 断裂 普光 1 2 断裂 普光 1 2 断裂 普光 l 2 断裂 普光 1 2 断裂 从表 4 可看出， 钻具失效预测等级和原始等级 分类相同， 准确性达 9 0 ％， 符合现场应用条件。 4 结论与建议 1 统计分析了川东北地区钻井复杂情况的类型 及产生原因。川东北地 区钻井复杂情况主要 由该地 区特殊的地质 因素引起 ， 与钻井工艺密切相关 ， 而钻 具失效主要与钻井工艺相关。 2 提出了含硫气井钻井复杂情况 的等级划分标 准 ， 利用统计学习方法 ， 建立了井漏 、 溢流 、 井塌等相 应的钻井复杂情况数学模型 ， 建立了卡钻 、 断钻具有 向无环图分级模型， 形成了一套含硫气井钻井复杂 情况风险分级分析方法。该方法准确可靠， 能够满 足现场施工安全要求。 3 对于地质条件复杂地 区， 有些钻井复杂情况 风险预测模型还有一定误差， 需要进一步研究提高 模型精度 。 参考文献 [ 1 ] 张庆生， 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