欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研

欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研究学生姓名：张红雨专业班级：安全工程 06-2 班指导教师：贾星兰2010 年 6 月 20 日I欠平衡钻井过程中的风险分析及对策研究摘 要欠平衡钻井技术是 90 年代在国际上迅速发展起来的一项钻井新技术。在美国，欠平衡钻井技术被称为上游石油工业新技术，已经成为钻井技术的发展热点。然而，由于其技术及原理的特殊性，导致井喷事故时有发生。因此，全面探究欠平衡钻井井喷的原因，制定相应的安全改进措施，也是这项技术的重要组成部分。针对上述情况，本文以事故树的方式对欠平衡钻井过程中的井喷事故进行了安全系统分析，主要的工作如下：1.收集资料编辑事故树，通过查找文献数据，对井喷的原因进行总结分类，根据因果关系，利用 FAULT TREE 编辑以“井喷”为顶事件的事故树。2.对事故树进行了定性定量分析；找出了井喷事故发生与各基本事件之间的联系；对其中最主要的因素进行了结构重要度计算。3.针对事故树分析的结果，对欠平衡钻井过程中的关键技术、操作、管理等环节提出了相应的改进措施。关键词：欠平衡钻井技术；事故树；安全IIABSTRACTUnderbalanced drilling technology is a rapid development of new drilling technology in the world in the 1990s. In the United States, underbalanced drilling technology called upstream oil industry has become the new technology, the development of drilling technology. However, due to the particularity of its technology and principle, cause blowout accidents occur frequently. Therefore, exploring underbalanced drilling blowout reasons, formulate corresponding measures to improve the security of this technology, but also the important component.In view of the above situation, based on fault tree of underbalanced drilling process of the safety accidents at the main job of system analysis, are as follows:1. Data collected by accident TREE edit, search blowout of the literature data, summarize the reason, according to the classification of FAULT TREE, using the causal relationship with “edit“ for the event of blowout of accident TREE.2. The accident tree analysis of the qualitative and quantitative analysis, Find a blowout accidents and the relationship between the basic event, One of the main factors of the structure importance.3. In the accident tree analysis results of underbalance pressure drilling process, the key technology, operation, management, puts forward the corresponding improvement measure.Keywords: Underbalanced drilling technology; Fault tree; Safety analysi1目 录第 1 章 前 言 .11.1 引言 .11.2 欠平衡钻井技术简介 .11.2.1 欠平衡钻井的定义 .11.2.2 欠平衡钻井的产生 .21.2.3 欠平衡钻井分类 .31.2.4 欠平衡钻井技术的优缺点 .41.3 欠平衡钻井技术现状及发展 .91.3.1.国外主要钻井技术发展应用情况 .91.3.2 中国主要钻井技术发展应用情况 .9第 2 章 欠平衡钻井主要风险及原因分析 .112.1 井喷事故后果介绍 .112.2 欠平衡钻井井喷事故原因分析 .112.2.1 钻井液的选择失当 .112.2.2 钻井操作失当 .132.2.3 固井操作失当 .162.2.4 未及时检测到井涌 .172.2.5 检测到井涌但控制措施不适当 .172.3 事件的综合影响及门的选择 .18第 3 章 事故树定性分析 .203.1 建树过程 .203.2 事故树定性分析 .323.2.1 最小割集 .3223.2.2 最小径集 .363.2.3 定性分析的意义 .40第 4 章 事故树定量分析 .414.1 理论模型 .414.2 等效事故树 .424.3 事故树定量计算 .44第 5 章 风险控制改进措施 .465.1 风险控制必要性 .465.2 关键技术的控制 .465.2.1 做好欠平衡钻井地质选井工作 .465.2.2 合理确定欠平衡欠压值 .465.2.3 相对稳定的井口回压控制技术 .475.2.4 做好欠平衡完井技术 .475.3 改进措施 .485.3.1 严格贯彻候选井选择方案 .485.3.2 做好欠平衡钻井计划 .485.3.3 做好欠平衡钻井井控工作 .485.3.4 加强钻井队的欠平衡钻井培训 .485.3.5 做好钻井液的设计工作 .49第 6 章 总结与展望 .506.1 总结 .506.2 展望 .51致 谢 .52参考文献 .531第 1 章 前 言1.1 引言从 石 油 工 业 发展的趋势来看，常规 的 钻 井 方 式 已 经 不 能 满 足 现 代 钻 井的 需 要 ， 欠 平 衡 钻 井 技 术 已 成 为 钻 井 技 术 发 展 的 热 点 。 该 技 术 有 利 于 降低 油 气 勘 探 开 发 成 本 ， 最 大 限 度 的 保 护 油 气 层 ； 有 利 于 中 小 型 油 气 田 、非 常 规 油 气 藏 、 低 压 低 渗 油 气 藏 的 勘 探 开 发 ； 有 利 于 油 田 中 后 期 改 造 挖掘 。 因 此 ， 欠 平 衡 钻 井 由 于 其 技 术 的 先 进 性 为 勘 探 、 开 发 带 来 了 广 阔 的前 景 ， 在 油 气 田 开 发 中 发 挥 着 越 来 越 重 要 的 作 用 。本 论 文 结 合 国 内 外 欠 平 衡 钻 井 实 践 ， 以 事 故 树 分 析 的 方 式 对 欠 平 衡钻 井 过 程 中 的 井 喷 事 故 进 行 了 详 细 深 入 的 分 析 ， 内 容 涉 及 欠 平 衡 钻 井 的定 义 、 发 展 趋 势 、 工 艺 、 钻 井 设 备 、 井 喷 危 险 因 素 等 诸 多 方 面 。 本 论 文突 出 理 论 性 与 实 践 性 相 结 合 的 特 点 ， 目 的 是 进 一 步 深 入 了 解 欠 平 衡 钻 井技 术 ， 并 提 出 个 人 对 于 欠 平 衡 钻 井 井 喷 事 故 预 防 的 见 解 ， 望 使 更 多 的 人对 于 欠 平 衡 钻 井 有 一 个 更 加 深 刻 的 理 解 。1.2 欠平衡钻井技术简介1.2.1 欠平衡钻井的定义国 内 外 关 于 欠 平 衡 钻 井 的 定 义 有 很 多 说 法 ， 但 最 终 是 反 映 井 筒 内 压 力与 地 层 孔 隙 压 力 之 间 的 关 系 ， 其 中 ：（1 ） 美 国 石 油 协 会 在 “钻 井 用 防 喷 设 备 ”-RP53 草 案 第 十 三 条 定义 为 ： 欠 平 衡 钻 井 是 在 钻 井 过 程 中 允 许 地 层 流 体 流 入 井 内 ， 循 环 出 井 ，并 在 地 面 加 以 控 制 的 钻 井 技 术 。 简 称 UBD, 即 Under Balanced Drilling。2（ 2） 加 拿 大 能 源 储 备 部 定 义 为 ： 钻 井 过 程 中 钻 井 液 柱 压 力 低 于 产 层压 力 ， 若 钻 井 液 密 度 不 够 低 ， 则 在 钻 井 液 中 冲 入 气 体 ， 允 许 地 层 流 体 进入 井 眼 ， 并 可 将 其 循 环 至 地 面 加 以 控 制 的 钻 井 技 术 。（ 3） 我 国 有 几 个 进 行 过 欠 平 衡 钻 井 的 油 田 认 为 ： 在 钻 井 过 程 中 钻 井液 柱 压 力 低 于 地 层 压 力 ， 使 产 层 的 流 体 有 控 制 的 进 入 井 筒 并 将 其 循 环 至地 面 ， 这 一 钻 井 技 术 称 欠 平 衡 钻 井 。上 述 几 个 国 家 的 定 义 大 致 相 同 ， 根 据 定 义 ， 可 以 理 解 为 “欠 平 衡 ”主 要 是 根 据 钻 井 过 程 而 言 。 只 要 在 具 备 实 施 欠 平 衡 层 段 中 用 一 只 钻 头 穿过 ， 即 可 顺 利 实 行 欠 平 衡 钻 井 。1.2.2 欠平衡钻井的产生欠 平 衡 钻 井 技 术 是 一 项 综 合 技 术 ， 是 传 统 的 空 气 、 气 体 钻 井 技 术 与 近15 年 发 展 起 来 的 充 气 、 雾 化 钻 井 技 术 的 统 称 。 空 压 机 是 欠 平 衡 钻 井 过 程中 提 供 压 缩 气 体 的 关 键 设 备 。 轻 便 的 小 空 压 机 首 先 是 在 19 世 纪 80 年 代后 期 采 矿 业 中 用 来 气 动 打 孔 。 我 们 不 知 道 第 一 次 用 气 体 钻 井 技 术 钻 井 是什 么 时 候 ， 但 我 们 知 道 第 一 次 用 轻 便 的 小 空 压 机 钻 探 的 石 油 和 天 然 气 井是 在 20 世 纪 20 年 代 。 更 多 的 使 用 气 体 作 为 循 环 钻 井 液 体 开 始 于 20 世纪 50 年 代 早 期 。 到 了 20 世 纪 70 年 代 后 期 ， 已 经 有 10%的 深 井 的 钻 井 和完 井 已 经 采 用 了 气 体 和 空 气 钻 井 技 术 。充 气 钻 井 流 体 应 用 于 钻 井 ， 开 始 于 20 世 纪 30 年 代 。 稳 定 泡 沫 技 术应 用 于 油 井 修 井 作 业 开 始 于 20 世 纪 70 年 代 早 期 。 21 世 纪 末 期 ， 虽 然 越来 越 多 的 油 气 田 进 入 衰 竭 期 ， 但 是 越 来 越 多 的 油 气 井 采 用 了 泡 沫 和 充 气钻 井 液 技 术 。 据 专 家 统 计 ： 美 国 大 约 有 三 分 之 一 的 陆 上 钻 井 采 用 了 欠 平衡 钻 井 技 术 ， 加 拿 大 大 约 有 40%。 其 它 统 计 显 示 ： 在 美 国 大 约 30%的 石油 天 然 气 的 钻 井 和 完 井 采 用 了 欠 平 衡 钻 井 技 术 。31.2.3 欠平衡钻井分类欠 平 衡 钻 井 技 术 经 过 几 十 年 的 发 展 ， 至 目 前 ， 国 外 已 经 发 展 了 空 气 钻井 、 氮 气 钻 井 、 天 然 气 钻 井 、 雾 化 钻 井 、 泡 沫 钻 井 、 充 气 钻 井 液 钻 井 、边 喷 边 钻 等 多 种 欠 平 衡 钻 井 技 术 。（ 1） 空 气 欠 平 衡 钻 井 技 术 ， 是 指 空 气 作 为 循 环 介 质 进 行 欠 平 衡 钻 井 ，是 最 早 发 展 的 一 种 欠 平 衡 钻 井 技 术 。 由 于 该 技 术 是 直 接 使 用 大 气 中 的 空气 ， 所 以 可 较 大 地 节 约 钻 井 材 料 费 用 。（ 2） 氮 气 钻 井 技 术 ， 在 欠 平 衡 钻 井 中 ， 氮 气 能 用 作 钻 井 液 ， 或 作 为钻 井 液 的 一 种 组 成 成 分 。 主 要 的 优 点 胜 过 空 气 钻 井 ， 因 氮 气 和 烃 气 的 混合 物 不 易 燃 烧 ， 这 样 ， 可 消 除 井 下 着 火 的 可 能 性 。（ 3） 天 然 气 钻 井 技 术 ， 在 天 然 气 钻 井 中 ， 使 用 天 然 气 如 同 使 用 氮 气或 使 用 空 气 一 样 ， 可 用 作 欠 平 衡 钻 井 的 循 环 介 质 。 在 钻 含 油 气 地 层 时 ，使 用 天 气 然 钻 井 或 防 止 井 下 气 体 混 合 物 着 火 。 然 而 ， 不 同 于 氮 气 或 空 气 ，天 然 气 当 它 排 放 到 大 气 中 时 ， 一 定 会 形 成 一 种 易 燃 的 混 合 物 。 这 种 固 有的 较 高 的 地 面 着 火 的 潜 在 危 险 。 使 用 天 然 气 的 钻 井 方 法 与 使 用 空 气 或 氮气 钻 井 有 一 些 不 同 。（ 4） 雾 化 钻 井 技 术 ， 在 空 气 钻 井 过 程 中 ， 如 出 现 少 量 的 地 层 水 流 ，通 常 作 法 是 将 空 气 钻 井 转 变 成 雾 化 钻 井 。 雾 化 钻 井 的 具 体 作 法 是 ， 在 压缩 的 空 气 流 未 注 入 钻 柱 之 前 ， 向 其 注 入 少 量 的 含 有 起 泡 剂 的 水 。 注 入 的这 种 液 体 与 地 层 产 出 的 水 就 会 分 散 成 不 连 续 的 （ 独 立 的 ） 液 滴 的 雾 ， 这种 雾 流 速 度 与 气 流 速 度 相 同 。（ 5） 泡 沫 钻 井 技 术 ， 泡 沫 可 用 作 钻 井 的 循 环 流 体 ， 泡 沫 流 体 为 气 液两 相 构 成 的 乳 化 液 ， 它 具 有 静 液 柱 压 力 低 、 漏 失 量 小 、 携 屑 能 力 强 、 对油 气 层 损 害 小 等 特 点 。 适 用 于 低 压 、 易 漏 、 水 敏 性 地 层 、 欠 平 衡 泡 沫 钻井 技 术 是 目 前 国 外 应 用 较 为 广 泛 的 一 项 钻 井 技 术 。4（ 6） 充 气 钻 井 液 钻 井 技 术 ， 虽 然 充 气 钻 井 液 很 早 就 用 于 油 气 工 业 ，但 是 ， 在 50 年 代 早 期 在 美 国 犹 他 州 的 Emery 县 才 第 一 次 使 用 充 气 钻 井 液钻 井 。 当 时 ， 是 使 用 充 气 泥 浆 作 为 钻 井 液 ， 主 要 用 途 是 避 免 因 使 用 泥 浆钻 井 时 的 井 漏 ， 而 不 是 特 定 用 于 欠 平 衡 钻 井 ， 近 年 来 ， 由 于 水 平 井 钻 井的 迅 速 发 展 ， 为 了 避 免 水 平 钻 井 中 的 地 层 损 害 ， 在 加 拿 大 、 美 国 及 世 界上 其 他 地 区 ， 使 用 充 气 液 体 作 为 钻 井 液 已 被 用 于 欠 平 衡 钻 井 。 充 气 钻 井液 的 连 续 相 通 常 为 未 稠 化 的 液 化 ， 如 水 、 盐 水 、 柴 油 、 或 原 油 等 ， 气 相为 氮 气 、 空 气 或 其 它 气 体 。 充 气 钻 井 液 一 般 不 含 有 表 面 活 性 剂 ， 在 井 下具 有 较 高 的 液 体 体 积 分 数 。 使 用 充 气 钻 井 流 的 井 底 压 力 通 常 高 于 用 雾 、泡 沫 等 其 它 轻 质 钻 井 液 的 井 底 压 力 。 充 气 钻 井 液 的 有 效 密 度 通 常 为4ppg-7ppg (0.48g/cm3-0.48g/cm3)。（ 7） 边 喷 边 钻 技 术 ， 随 着 欠 平 衡 钻 井 技 术 的 进 一 步 发 展 成 熟 及 能 承受 高 压 的 旋 转 也 喷 器 引 入 油 田 后 ， 发 展 了 使 用 液 体 钻 井 液 对 高 压 地 层 进行 欠 平 衡 钻 井 技 术 ， 这 种 技 术 国 外 称 为 Flow Drilling（ 国 内 译 为 边 喷边 钻 ） 。 严 格 地 讲 ， 欠 平 衡 钻 井 都 是 边 喷 边 钻 ， 本 部 分 所 介 绍 的 边 喷 边 钻系 指 涉 及 到 用 液 体 钻 井 液 进 行 的 欠 平 衡 钻 井 作 业 ， 另 外 的 含 意 是 利 用 自然 欠 平 衡 状 态 进 行 的 钻 井 作 业 。1.2.4 欠平衡钻井技术的优缺点（ 1） 欠 平 衡 钻 井 的 优 点由 于 欠 平 衡 钻 井 具 有 很 多 优 势 ， 越 来 越 多 的 井 采 用 了 该 项 技 术 。 这 些优 点 包 括 ： 提 高 机 械 转 速 ； 减 少 漏 失 ； 延 长 钻 头 寿 命 ； 提 高 地 层 评 价 效果 ； 减 少 地 层 损 害 ； 更 早 的 油 气 产 出 ； 海 上 钻 井 可 以 得 到 更 大 的 油 层 井眼 和 环 境 保 护 。 提 高 机 械 转 速欠 平 衡 钻 井 避 免 了 钻 头 底 部 对 岩 石 的 压 持 效 应 。 没 有 压 持 效 应 ， 钻 头5牙 齿 可 以 更 好 的 切 削 井 底 ， 并 把 岩 屑 带 离 井 底 ， 这 样 对 清 洁 井 底 和 提 高机 械 转 速 都 有 好 处 。 一 个 对 气 体 钻 井 技 术 的 评 价 显 示 ： 在 同 样 的 地 层 钻进 ， 欠 平 衡 钻 井 的 钻 速 达 到 普 通 泥 浆 钻 井 的 10 倍 以 上 。 气 体 和 空 气 钻 井中 ， 120ft/h 的 机 械 转 速 是 很 容 易 达 到 的 。 减 少 漏 失当 钻 井 液 钻 遇 天 然 裂 缝 地 层 或 渗 透 性 强 的 岩 石 体 时 ， 由 于 井 眼 压 力 过高 ， 钻 井 液 就 会 进 入 地 层 ， 引 起 漏 失 ， 并 且 这 种 过 高 的 压 力 会 在 压 力 衰竭 储 层 产 生 裂 缝 而 引 起 漏 失 。 用 传 统 的 方 法 钻 井 ， 因 为 漏 失 引 起 的 经