劉錄翔，高永海, 蔣宏偉，陳 野，趙欣欣，王 迪，宋武強(qiáng)

(1常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院·華東 3中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 4中石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司)

智能井是20世紀(jì)末提出的油氣田勘探開發(fā)新興技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，智能井技術(shù)具有耐高溫、抗高壓、可遠(yuǎn)程操控等卓越的特性，既能適用于環(huán)境較為苛刻的儲(chǔ)層，又能為提升各油藏間的經(jīng)營(yíng)管理水平提供可能，因此受到了石油行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-3]。包括斯倫貝謝、貝克休斯在內(nèi)的國(guó)際知名油服公司都成功研發(fā)出了各具特色的智能井系統(tǒng)[4]。目前，已有上百套完整的智能井系統(tǒng)在全球范圍投入了實(shí)際生產(chǎn)[5]。

智能井系統(tǒng)一般由:井下信息收集傳感模塊、井下生產(chǎn)控制模塊、井下數(shù)據(jù)傳輸模塊以及地面數(shù)據(jù)收集、分析和反饋控制模塊等部分組成[6]。這些模塊結(jié)構(gòu)同常規(guī)井相比更為繁冗，所包含的電子元件也更為精密，易于受損。另外，智能井系統(tǒng)多被應(yīng)用于情況復(fù)雜、環(huán)境惡劣的油藏[7]，使得作業(yè)過(guò)程中系統(tǒng)面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)更大，需要重點(diǎn)關(guān)注的安全因素更多，一旦發(fā)生井噴失控，將會(huì)造成重大損失。因此，有必要對(duì)智能井井噴失控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，為其高效、安全地作業(yè)提供理論支撐。

事故樹法是系統(tǒng)工程中識(shí)別安全隱患并進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)的常用方法之一[8]。其運(yùn)用邏輯思維將各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的前因與后果緊密聯(lián)系在一起，既能夠定性分析，又能夠定量分析，具有簡(jiǎn)潔直觀、通俗易懂的優(yōu)點(diǎn)[9]。本文采用事故樹法對(duì)智能井井噴失控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定了基本事件的重要程度，得到風(fēng)險(xiǎn)最大的事件及其影響因素。

一、智能井井噴失控的主要風(fēng)險(xiǎn)因素

1.傳感器失靈導(dǎo)致監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)

智能井系統(tǒng)中傳感器眾多，包括溫壓傳感器、多相流量計(jì)、地震檢波器等，統(tǒng)統(tǒng)安裝在地表以下的儲(chǔ)層中。通過(guò)對(duì)井下儲(chǔ)層溫壓、流量以及地震波等參數(shù)的監(jiān)控，平臺(tái)工作站可以實(shí)時(shí)了解井下各產(chǎn)油層情況，有效地減少層間干擾，延長(zhǎng)油井使用壽命[10-11]。此外，井下情況發(fā)生異常時(shí)，儲(chǔ)層溫壓均會(huì)變化，以此為根據(jù)，預(yù)防和控制井噴失控的發(fā)生。

然而，由于傳感器多為精密儀器，所處儲(chǔ)層環(huán)境又較為苛刻，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中可能發(fā)生傳感器精度失準(zhǔn)或者測(cè)量失效的狀況。此時(shí)，地面上收集到的數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確反映井下儲(chǔ)層實(shí)際情況，一旦發(fā)生井噴，難以及時(shí)采取有效處理措施。

2.傳導(dǎo)系統(tǒng)受損導(dǎo)致控制失效

埋藏在儲(chǔ)層下的傳感器所采集的數(shù)據(jù)，需通過(guò)傳導(dǎo)系統(tǒng)傳輸?shù)降孛鎇12]；地面做出的控制命令，也需通過(guò)傳導(dǎo)系統(tǒng)傳輸?shù)骄隆＿@一過(guò)程包含編程、解碼等復(fù)雜環(huán)節(jié)，稍有差池就導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。且電纜、光纖等部件強(qiáng)度較差，受環(huán)境腐蝕后容易發(fā)生短路、斷裂。一旦傳導(dǎo)系統(tǒng)受損，井下與地面的雙向信號(hào)傳遞不暢，當(dāng)異常情況時(shí)，難以操作相應(yīng)的裝置進(jìn)行控制處理，從而導(dǎo)致事故擴(kuò)散，增加損失。

3.傳統(tǒng)鉆井體系井噴風(fēng)險(xiǎn)因素

傳統(tǒng)鉆井體系中涉及到其他風(fēng)險(xiǎn)在智能井系統(tǒng)中同時(shí)存在，包括：地質(zhì)條件、井控裝備、節(jié)流管匯、井涌檢測(cè)方法、關(guān)井、壓井方法以及人員操作技術(shù)水平及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力等[13-17]。

二、智能井井噴失控事故樹模型及分析

在利用事故樹法對(duì)智能井井噴失控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)，確定事故樹的頂事件、底事件以及最小割集，是重要環(huán)節(jié)之一。考慮智能井系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素，建立智能井井噴失控事故樹模型，同時(shí)在其基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)頂事件發(fā)生的概率。

1.建立事故樹模型

在鉆井過(guò)程中，一旦發(fā)生井噴失控，會(huì)引發(fā)極端惡劣的事故災(zāi)難。因此在分析智能井系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可選擇將其井噴失控作為頂事件。

智能井系統(tǒng)發(fā)生井噴的主要原因是井筒內(nèi)壓力低于地層壓力，井涌后沒(méi)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。而井筒內(nèi)壓力不足的原因包括：鉆井液量不夠、起下鉆的抽汲作用、鉆井液密度過(guò)低、溢流監(jiān)控不及時(shí)、地層層位不清或?yàn)槎鄩毫酉?、停泵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、鉆井液漏失以及在特殊工況下鉆遇高壓油氣層或淺層流體等。當(dāng)然，在作業(yè)前的設(shè)計(jì)失誤以及作業(yè)過(guò)程中的操作失誤等也會(huì)引發(fā)智能井系統(tǒng)發(fā)生井噴事故。

智能井系統(tǒng)在發(fā)生井噴后，控制失敗的主要原因是在施工和設(shè)備環(huán)節(jié)上井口壓力超過(guò)安全極限，其中包括作業(yè)人員前期的培訓(xùn)不到位、作業(yè)過(guò)程中操作不規(guī)范、防噴器設(shè)計(jì)制造維修出現(xiàn)故障(光纖、電纜在內(nèi)的傳導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造維修出現(xiàn)故障)、節(jié)流閥故障、壓井泵故障、惡劣的儲(chǔ)層環(huán)境腐蝕了相應(yīng)的設(shè)備以及更換設(shè)備不及時(shí)等因素。

通過(guò)事故樹法構(gòu)建智能井井噴失控模型，以全面清晰地反映整個(gè)井噴事故發(fā)生原因。根據(jù)以上風(fēng)險(xiǎn)因素分析，建立智能井井噴失控事故樹如圖1。

圖1 智能井井噴失控事故樹

A智能井井噴 B控制失敗 C井筒壓力不足 D施工問(wèn)題 E設(shè)備問(wèn)題 F鉆井液量不夠 G鉆井液密度低 H溢流監(jiān)控不力 I鉆井液地層問(wèn)題 J灌漿不夠及時(shí) K漏失 L鉆井液受污染 M層位不清 N鉆速過(guò)快 O下鉆太快 P開泵過(guò)猛 Q地層特性 X1鉆井液泵入速度不合理 X2設(shè)計(jì)失誤 X3操作失誤 X4鉆井液密度過(guò)大 X5孔隙度大滲透性好 X6有裂縫或溶洞 X7套管破裂或密封失效 X8抽汲作用 X9地層壓力預(yù)測(cè)不準(zhǔn) X10氣侵 X11液侵 X12配比計(jì)算失誤或配料不合格 X13監(jiān)測(cè)方法不合格 X14各類傳感器故障 X15人員疏忽或制度不完善 X16多壓力層系 X17停泵時(shí)間過(guò)長(zhǎng) X18鉆遇高壓油氣或者淺層流 X19培訓(xùn)不到位 X20防噴器設(shè)計(jì)制造維修故障 X21傳到系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造維修故障 X22節(jié)流閥故障 X23壓井泵故障 X24儲(chǔ)層環(huán)境惡劣腐蝕設(shè)備 X25更換設(shè)備不及時(shí) X26超過(guò)安全極限

2.求取最小割集與最小徑集

在事故樹模型中，最小割集和最小徑集對(duì)定性和定量分析都起著重要作用。通過(guò)最小割集與最小徑集，可以分析并控制事故樹頂事件的發(fā)生。采用最小割集還是最小徑集進(jìn)行分析，需要根據(jù)事故樹的結(jié)構(gòu)來(lái)確定。

針對(duì)智能井井噴失控事故樹模型，求取最小割集144組。

針對(duì)智能井井噴失控事故樹模型，求取最小徑集，具體過(guò)程為將事故樹的與門換成或門，而或門換成與門，各類事件發(fā)生換成不發(fā)生，利用上述方法求出成功樹的最小割集，再轉(zhuǎn)化為故障樹的最小徑集。

用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法求成功樹的最小割集，其結(jié)構(gòu)函數(shù)式為：

T′=A′+B′=C′X18′+D′E′=F′X8′G′H′I′X17′X18′+(X26′+X3′X19′)·(X26′+ X20′X21′X22′X23′X24′X25′)=(X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X12′X13′X14′X15′X16′X17′X18′)+(X26′)+(X20′X21′X22′X23′X24′X25′X26′)+(X3′X19′X26′)+(X3′X19′X20′X21′X22′X23′X24′X25′)

(1)

由(1)式可知，最小徑集為5個(gè)。

由此可知，智能井井噴失控事故樹涉及到的最小割集數(shù)量過(guò)大，不利于對(duì)頂事件進(jìn)行簡(jiǎn)單而形象的分析；涉及到的最小徑集數(shù)數(shù)量合宜，可以以此為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)、有效地選擇采用預(yù)防事故的方案。

3.結(jié)構(gòu)重要度分析

本文在分析結(jié)構(gòu)重要度時(shí)，采用針對(duì)最小徑集，兼顧頻率與頻數(shù)雙重考慮的方法，由此所得到的事件結(jié)構(gòu)重要度的順序如下：

I(26)>I(3)>I(19)>I(20)=I(21)=I(22)=I(23)=I(24)=I(25)>I(1)=I(2)=I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16)=I(17)=I(18)

(2)

由式(2)可以看出，事件26的重要程度最高，說(shuō)明最容易導(dǎo)致智能井系統(tǒng)井噴失控的條件事件，主要是在施工或設(shè)備環(huán)節(jié)出現(xiàn)的種種問(wèn)題導(dǎo)致井口壓力超過(guò)安全極限。事件3僅次于事件26，說(shuō)明作業(yè)過(guò)程中各種操作失誤也是引發(fā)井噴失控的重要因素。其次是事件19，代表施工前培訓(xùn)不到位。接著，事件20、21、22、23、24、25重要程度相同，說(shuō)明防噴器、傳導(dǎo)系統(tǒng)、節(jié)流閥、壓井泵等裝置自身的設(shè)計(jì)制造維修原因?qū)е碌墓收弦约皟?chǔ)層環(huán)境惡劣腐蝕設(shè)備且更換設(shè)備不及時(shí)也是影響智能井井噴失控的重要原因。其他影響井噴失控的因素眾多，且結(jié)構(gòu)重要度基本相同，無(wú)法從消除單一事件的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)控制頂事件風(fēng)險(xiǎn)，說(shuō)明智能井系統(tǒng)發(fā)生井噴失控的風(fēng)險(xiǎn)較大。

假定事故樹中26個(gè)基本事件發(fā)生的概率均為0.1，則井控成功率為：

P′=1-(1-0.918)×(1-0.9)×(1-0.97)×(1-0.93)×(1-0.98)=0.9931564

(3)

井噴失控的風(fēng)險(xiǎn)概率為:

P=1-P′=0.0068346

(4)

與常規(guī)鉆井相比較，可假定事件14、16、21的發(fā)生概率為0，常規(guī)鉆井井控成功率為：

P′=1-(1-0.917)×(1-0.9)×(1-0.97)×(1-0.96)×(1-0.93)=0.9944802

(5)

則井噴的風(fēng)險(xiǎn)失控概率為：

P=1-P′=0.0055198

(6)

在上述條件下，智能井系統(tǒng)井噴失控風(fēng)險(xiǎn)比常規(guī)油氣鉆井高23.7%。

由于智能井系統(tǒng)多被應(yīng)用于環(huán)境較為復(fù)雜的儲(chǔ)層，設(shè)備受損，信號(hào)中止的可能性較大，因此事件14、16、21、24發(fā)生的概率相對(duì)常規(guī)鉆井而言要大。本文假設(shè)事件14、16、21、24發(fā)生概率為0.2，其他事件發(fā)生概率仍為0.1，則井控成功的概率為：

P′=1-(1-0.916×0.82)×(1-0.9)×(1-0.95×0.82)×(1-0.93)×(1-0.96×0.82)=0.99187

(7)

井噴的風(fēng)險(xiǎn)概率為：

P=1-P′=0.00813

(8)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，智能井系統(tǒng)發(fā)生井噴失控的風(fēng)險(xiǎn)比常規(guī)鉆井高出47.3%，在作業(yè)過(guò)程中存在較大的安全隱患。因此，加強(qiáng)智能井系統(tǒng)井噴事故的預(yù)評(píng)估，做好防范措施，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)及早進(jìn)行事故處理，以免造成重大損失甚至災(zāi)難。

三、智能井系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制的方法

針對(duì)分析得到的事故樹模型、基本事件以及最小徑集，控制智能井系統(tǒng)井噴失控風(fēng)險(xiǎn)的方法可以從以下幾個(gè)方面展開：

(1)在作業(yè)前期做好有效的預(yù)防措施。包括采用固化水完井液體系，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行屏蔽暫堵，降低漏失；在合理的窗口范圍內(nèi)，盡可能提高完井液密度；在鉆臺(tái)上備有應(yīng)急設(shè)備，以便快速切斷事故電纜；預(yù)組裝好循環(huán)頭與循環(huán)閥，放置在平臺(tái)上以便應(yīng)急。

(2)對(duì)常規(guī)鉆井的井控設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)控制。包括合理的工程設(shè)計(jì)、水力參數(shù)設(shè)計(jì)，及時(shí)的井涌檢測(cè)，合適的起下鉆速度，保證井控裝備的完好和有效工作，尤其注意設(shè)備故障、設(shè)計(jì)方法及操作失誤的影響不能超過(guò)安全極限，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)人員防范井噴事故的安全培訓(xùn)，提高防控意識(shí)和技能，做好井控演習(xí)與搶先準(zhǔn)備工作[18]。

(3)除了常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)控制，針對(duì)智能井系統(tǒng)，要重點(diǎn)分析其傳感和控制環(huán)節(jié)的安全問(wèn)題。包括定期檢測(cè)站臺(tái)各傳感器的靈敏性與可靠性；采用可雙向試壓的優(yōu)質(zhì)密封接頭，確保接頭內(nèi)外均能夠有效密封；針對(duì)纜線滑輪組做好防跳線機(jī)構(gòu)的設(shè)置，以避免跳線引起的管線絞斷；在包括光纖、電纜在內(nèi)的傳導(dǎo)管線發(fā)生受損時(shí)，及時(shí)更換并配置應(yīng)急接頭，以確保監(jiān)測(cè)與控制信號(hào)能夠有效地雙向傳遞。

四、結(jié)論

結(jié)合智能井系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及應(yīng)用儲(chǔ)層環(huán)境分析了其作業(yè)過(guò)程中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立了以智能井井噴失控為頂事件的事故樹，并從最小徑集及結(jié)構(gòu)重要度出發(fā)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，從而得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論和認(rèn)識(shí)。

(1)智能井系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用儲(chǔ)層環(huán)境較苛刻，因此各類傳感器、傳導(dǎo)系統(tǒng)容易失靈，為井下異常情況突發(fā)時(shí)采取有效措施增加了難度。優(yōu)選傳導(dǎo)材料，定期檢查、保養(yǎng)、維修傳感器、光纖、電纜等設(shè)備，保證各個(gè)模塊的完整性和靈敏度，是智能井系統(tǒng)安全工作的關(guān)鍵之一。

(2)智能井系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程中，最容易引發(fā)井噴失控的條件事件是由于設(shè)計(jì)、操作與設(shè)備影響導(dǎo)致井口超過(guò)安全極限。同時(shí)，施工前的培訓(xùn)不到位以及施工過(guò)程中人為的操作失誤等因素也是造成井噴失控的重要事件。

(3)與常規(guī)鉆井相比，智能井系統(tǒng)發(fā)生井噴失控的風(fēng)險(xiǎn)明顯提升。因此有必要加強(qiáng)相關(guān)事故的預(yù)評(píng)估及預(yù)防措施，尤其是針對(duì)井下采集數(shù)據(jù)的傳感器和傳輸信號(hào)的傳遞系統(tǒng)等關(guān)鍵部件做好保護(hù)，并設(shè)計(jì)應(yīng)急手段和備用裝置，從而避免數(shù)據(jù)失準(zhǔn)、信號(hào)丟失等情況的發(fā)生，保證智能井系統(tǒng)安全、高效地作業(yè)。