（安全技术及工程专业论文）基于过程知识管理的完井过程安全评价系统研究.pdf

k j 扫 ， ， 若有不实之处， 学位论文作者签名：蒸i 墨日期：2 口7 f 年j 月笥日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盏! 基 指导教师签名： 日期：7 z oj 年s 月西日 日期：加年，月扩日 一 ， p 冬 i 摘要 完井过程是石油勘探开发的重要环节，由于地理环境的复杂，完井过程中存在着大 量的不确定因素，易发生事故，造成严重的后果。通过对完井过程的安全评价，可以及 时的发现事故隐患，并采取有效的措施，防止事故的发生，提高完井的安全水平。 本文首先分析了完井的工艺过程，并对完井过程进行了危险因素辨识，查找出完井 过程多个环节存在的主要危险因素，采用过程知识管理的思想和方法，建立了安全评 价系统模型，详细分析各个子系统的功能。构建了完井过程的知识库，采用产生式和神 经网络法来表示知识，用表的形式建立知识库。构建了完井过程的数据库，存储实时数 据和完井过程的设备、人员资料，实现实时数据监控、现场设备和人员的动态管理。在 充分分析了钻井参数与事故类型之间关系的基础上，采用人工神经网络的方法建立了完 井事故类型的诊断模型，通过该模型能实现对完井过程中异常情况的诊断。最后采用 v i s u a lb a s i c 语言完成主程序的编程、m i c r o s o f ta c c e s s 数据库完成数据库和知识库构建、 m a t l a b 人工神经网络完成事故类型的诊断编程，实现v b 与a c c e s s 数据库、m a t l a b 的混合编程。应用安全评价系统软件，能实时的对完井过程进行安全评价，判断安全状 况水平，及时发现可能的事故类型，以便采用相应的安全对策措施，防止事态的进一步 扩大。 关键词：安全评价，知识管理，完井，神经网络 y 氏 t h er i s kf a c t o r so fw e l lc o m p l e t i o np r o c e s s ，a n df m d so u tt h em a i nr i s kf a c t o r s s a f e t y e v a l u a t i o ns y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e dw i t ht h ei d e a sa n dm e t h o d so fp r o c e s s k n o w l e d g e m a n a g e m e n t , a n da n a l y z e st h ev a r i o u ss u b s y s t e m sf u n c t i o ni nd e t a i l k n o w l e d g eb a s ei s c o n s t r u c t e d ，a n de x p r e s s e st h ek n o w l e d g ew i t ht h ep r o d u c t i o nr u l e sa n dn e u r a ln e t w o r k , a n d b u i l dt h ek n o w l e d g eb a s ei nt a b l ef o r m d a t a b a s ei sc o n s t r u c t e d ，i tc a ns t o r er e a l - t i m ed a t a ， e q u i p m e n ta n dp e r s o n n e ld a t a t h e ni t c a na c h i e v ed y n a m i cm a n a g e m e n to fr e a l - t i m e m o n i t o r i n gd a t aa n de q u i p m e n ta n dp e r s o n n e l w ea n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e d r i l l i n gp a r a m e t e r sa n da c c i d e n tt y p e s ，a n de s t a b l i s ht h ea c c i d e n tt y p e sd i a g n o s i sm o d e l 、) i ，i t h t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km e t h o d t h i sm o d e lc a nd i a g n o s et h ea b n o r m a ls i t u a t i o no fw e l l c o m p l e t i o np r o c e s s a tl a s tm a i np r o g r a mi sa c h i e v e dw i 1v i s u a lb a s i c ，k n o w l e d g eb a s ea n d d a t a b a s ea l ea c h i e v e dw i t hm i c r o s o f ta c c e s s ，a c c i d e n tt y p e sd i a g n o s i si sa c h i e v e dw i t h m a t l a bn e u r a ln e t w o r k t h es a f e t ye v a l u a t i o ns y s t e ms o r w a r ec a nr e a l - t i m ec o m p l e t e s a f e t ye v a l u a t i o n , a n dc a nj u d g es a f e t yc o n d i t i o n sl e v e l t h e ni t c a nd i s c o v e r yp o s s i b l e a c c i d e n tt y p e st i m e l ya n da d o p tc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e si no r d e rt op r e v e n tt h es i t u a t i o n f u r t h e r k e yw o r d s ：s a f e t ye v a l u a t i o n , k n o w l e d g em a n a g e m e n t ，w e l lc o m p l e t i o n , n e u r a l n e t w o r k 吩 j ， 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 石油行业安全评价现状2 1 2 1 国外石油行业安全评价现状2 1 2 2 国内石油行业安全评价现状3 1 3 知识管理在石油钻井的研究与应用现状4 1 3 1 国外知识管理在石油钻井的研究与应用现状。4 1 3 2 国内知识管理在石油钻井的研究与应用现状5 1 3 3 基于过程知识管理系统的研究5 1 4 本文的研究目标、内容、方法、技术路线6 1 4 1 研究目标一6 1 4 2 研究内容。6 1 4 3 研究方法6 1 4 4 技术路线6 1 5 本文的难点6 第二章完井工艺过程8 2 1 完井工艺方法8 2 1 1 直井的完井8 2 1 2 水平井的完井1 2 2 2 直井完井工艺1 5 2 2 1 钻开油气层1 6 2 2 2 直井完井方法的选择1 6 2 2 3 生产套管及固井17 2 2 4 射孔18 2 2 5 完井试油18 2 2 6 安装井口装置18 第三章完井过程危险因素辨识与分析1 9 3 1 完井过程危险因素辨识1 9 、 3 3 1 1 钻开油气层的危险因素1 9 3 1 2 下套管固井的危险因素1 9 3 1 3 射孔的危险因素1 9 3 1 4 完井试油的危险因素1 9 3 1 5 安装井口装置的危险因素1 9 3 2 完井过程安全分析19 3 2 1 完井过程预先危险性分析2 0 3 2 2 完井过程安全检查表分析2 l 第四章基于过程一知识管理的安全评价2 9 4 1 基于过程知识管理的安全评价系统的模型建立2 9 4 2 安全评价系统的子系统的组成2 9 4 2 1 实时数据监控子系统3 0 4 2 2 完井危险因素辨识子系统3 1 4 2 3 事故类型判断子系统31 4 2 4 完井安全评价子系统31 4 2 5 完井数据库管理子系统31 4 2 6 设备管理子系统31 4 2 7 人员管理子系统31 4 3 知识库的建模31 4 3 1 知识分类3 2 4 3 2 知识表示3 2 4 3 3 知识库的结构3 3 4 4 安全评价系统的数据库的构建3 4 4 4 1 编程语言的选择3 4 4 4 2 数据库的构成3 4 4 4 3 数据库的链接3 5 第五章完井事故类型的诊断模型的建立3 8 5 1 完井事故类型分析3 8 5 2 钻井参数与事故类型的关系分析3 9 5 3 事故类型的诊断模型建立：4 0 4 0 z 1 1 5 3 3 人工神经网络的学习算法4 2 5 3 4 神经网络诊断模型的建立过程4 3 5 3 5m a t l a b 神经网络诊断模型的实现4 4 5 4v b 与m a t l a b 混合编程的实现5 l 5 5 诊断结果的输出5 3 第六章完井过程安全评价系统的软件实现5 5 6 1 评价系统开发语言的选择5 5 6 2 评价系统功能描述5 5 6 3 评价系统的软件实现5 6 结论7 2 参考文献7 4 致谢7 7 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 石油被誉为是现代经济的“血液 ，关系着一个国家的经济命脉和国家安全，由于 石油的不可再生性，对石油的勘探和开发一直是一个国家的重要任务。而贯穿于石油勘 探和开发的整个过程的就是钻井。 钻井是利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼的过程。要了解地下的地 质情况，要证实用其它勘探方法得到的地下油气构造和其含油气情况及储量，要将地下 的油气资源开发利用，都要通过钻井工作来实现。石油钻井是油气勘探和开发的重要手 段。 一口油井从选择井位到最后对生产油层进行射孔、试油，建成一条永久性的油气流 通道，要经过许多工艺过程。按其顺序可分为三个阶段t 钻前准备、钻进和固井完井n 1 。 石油钻井是一项复杂的系统工程，是高投入、高风险和高技术水平的特殊作业。由 于受到地下的地质环境、地面装备水平、技术水平、管理水平等因素的影响，在实际的 钻井中不可避免的会发生各种事故，如井涌、井漏、井喷、卡钻、掉钻具等，极大的影 响钻井的速度和经济效益，甚至造成重大的人员伤亡和严重的财产损失。 安全是石油化工行业一个永恒的话题。安全钻井是石油钻井工作的首要目标。目前 石油钻井过程中存在的主要风险有：井涌、井漏、井喷、井塌、卡钻、掉钻具、钻具刺 穿、物体打击、机械伤害、触电、高处坠落、硫化氢( - - - 氧化碳) 中毒窒息、井架坍塌 等。正是由于钻井过程中存在的上述风险，需要对钻井过程的每一个环节和过程进行风 险辨识和安全评价，以降低作业风险，提高安全管理水平。 对钻井过程的安全评价，可以及时的发现不安全因素，有效的预防事故的发生，减 少财产损失和人员伤亡，体现“安全第一，预防为主，综合治理 的方针。其意义在于： ( 1 ) 安全评价是安全管理的重要内容 安全评价作为预防和预测事故发生的重要手段，通过安全评价，可以评估钻井过程 是否具备安全生产所必须的安全条件，是否存在安全隐患，查找安全管理中存在的漏洞， 因此，进行安全评价，既是体现我国安全生产的方针，同时又是满足安全管理的要求。 ( 2 ) 安全评价可以合理的确定安全投入 安全评价的目的就是查找存在的危险因素，以及可能发生的事故类型和发生事故可 能造成的损失严重度，通过安全评价，可以评估存在的风险度，以便合理的选择控制和 安全效益达到最大值。 钻井过程具有高风险的特点，一旦发生事故，将造成设备损坏、人员的伤亡以及环 境的破坏，特别是发生重大的事故，如井喷、井喷失控等，将造成严重的损失，使整个 钻井失败。因此，通过安全评价，可以有效的预防事故的发生，对存在的事故隐患及时 的予以消除，提高安全程度。钻井过程安全进行，就节省了处理事故的费用，降低了钻 井的成本，从而获得更大的经济效益。 ( 4 ) 可以提高钻井过程的安全管理水平 通过安全评价，可以预先识别钻井过程中的危险性，分析安全状况，将安全管理落 实到各个部门、各个环节，使安全管理实现全员、全过程的管理，做到安全管理的科学 化、标准化，不断提高钻井的安全管理水平。 对钻井过程的安全评价国内外已经做了初步的研究，王燕对起下钻作业风险评价进 行了研究，郭风平对钻进作业过程风险评价进行了研究h 朝，这些研究为钻井过程的安 全评价做了初步的探索，尽管存在一些缺点( 如不能进行实时评价等) ，但研究的成果 仍具有重要的指导意义。本文在学者研究基础上，采用过程一知识管理的思想和方法对 完井过程安全评价进行研究，其目的是通过研究，对完井过程的风险因素进行辨识和评 价，指导完井过程安全、高效的进行，为现场作业人员提供科学的依据。 1 2 石油行业安全评价现状 1 2 1 国外石油行业安全评价现状 安全评价技术起源于2 0 世纪3 0 年代乜1 ，它是随着保险业的发展需要而发展起来的， 2 0 世纪5 0 年代末安全系统工程的发展又大大推动了安全评价技术的发展。2 0 世纪6 0 年代，美国的军事工业开始使用安全评价技术，也标志着系统安全理论真正的开始实际 应用。由于在军事工业上的成功应用，安全评价技术陆续在航空、航天、核工业、石油、 化工等危险性行业和领域得到应用。正是安全评价在高危险行业和领域的现实作用，世 界许多国家政府和生产经营企业集团投入了许多的精力来研究安全评价技术和安全评 价方法。美国的道( d o w ) 化学公司在1 9 6 4 年首先开发出了火灾爆炸指数评价法，该 评价方法经过6 次修订以后，更加科学、合理、符合实际，在世界工业界都得到了一定 程度的应用，也极大的推动了安全评价方法的发展；1 9 7 4 年英国的帝国化学公司在道化 学公司评价方法基础上，提出了“蒙德火灾、爆炸、毒性指标评价法 ；1 9 7 6 年日本劳 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 动省颁布了“化工厂六阶段安全评价法 ，在此基础上又开发了匹田法等评价方法。正 是由于安全评价的现实意义，许多国家和组织都发布了规定，如欧共体于1 9 8 2 年颁布 的关于工业活动中重大危险源的指令、国际劳工组织( i l o ) 颁布的重大事故控制 指南、重大工业事故预防实用教程、工作中安全使用化学品实用规程等等汹1 。 石油工业是一个国家综合国力的重要组成部分，是一个国家重要的生命线，它关系 到一个的经济、政治、军事以及人民的生活。由于石油工业分布广，采油、集输、储存、 炼化需要连续进行，一旦发生事故，波及的范围很广，造成的损失严重。因此为避免发 生重大的安全事故，石油行业于2 0 世纪6 0 年末代就开始进行安全评价田3 。特别是2 0 世纪8 0 年代以来，国外石油公司在h s e 风险管理方面也取得了很大的成绩，美国的杜 邦公司、荷兰皇家壳牌集团公司以及英国、挪威等国家的石油公司也都研究并制定了 一整套h s e 风险管理标准。1 9 9 1 年以来，美国石油工程师学会( s p e ) 分别在荷兰、印 度尼西亚、美国召开了三次石油天然气勘探开发健康、风险与环境的讨论会，促进了 石油行业h s e 风险管理的标准化过程。1 9 9 6 年i s o t c 6 7 发布的石油和天然气工业 健康、风险与环境管理体系( 标准草案) 在许多的大型石油公司得到了成功的应用， 国外石油公司在h s e 体系发展上已经取得了很大的成绩，目前正在积极的进行h s e 的计 算机管理的研究n 羽。 1 2 2 国内石油行业安全评价现状 2 0 世纪8 0 年代初期，随着我国对外开放政策的实行，我国的石油公司也加快了国 际化进度，不断借鉴和吸收国外的先进管理方法，由于石油行业的特殊性，安全生产受 到了国内各石油公司的高度重视，并进行了积极的探索，通过借鉴国外安全评价的经验， 研究并制定了符合企业的安全管理理念，取得了很多的成果，如张华林、刘刚建立了石 油安全评价指标体系、评价标准和安全等级，对我国的石油安全状况进行了综合评价n 羽； 何贤杰、吴初国等选择6 个指标要素建立石油安全评价指标体系n 钔；葛家理等采用系统 化、集成化的方法选取几个复合指标建立了较为系统的石油安全评价体系n 钉；刘园对油 气钻井起升系统作业过程进行了安全分析和安全综合评价口1 。其中最典型的是建立和实 施了h s e 管理体系n 删。中国石油天然气集团公司在1 9 9 7 年分布了我国的石油天然气行 业标准石油天然气工业健康、风险与环境管理体系( s y t 6 2 7 6 1 9 9 7 ) 和石油地震 队健康、风险与环境管理规范以及石油钻井队健康、风险与环境管理体系指南， 这些标准的制动和颁布，标准着国内石油行业的健康、风险、环境管理体系已经基本建 3 第一章绪论 立起来，我国石油行业的安全评价和安全管理开始进入标准化的阶段。随着 ：中华人民 共和国安全生产法、危险化学品管理条例、安全评价通则等的颁布实施，我国石 油行业的安全评价工作得到了更广和更深的发展，安全评价更加有章可依，这极大的推 动了我国安全评价工作的发展。2 0 0 3 年颁布了陆上石油和天然气开采安全评价导则， 它加强了我国陆上石油和天然气开采业生产经营单位在新建、改建、扩建工程项目的安 全设施“三同时的管理，有效的提高了陆上油气开采的安全程度，减少陆上油气开采 过程中的危险因素，降低开采过程中的危险程度，极大的维护了石油企业的财产安全和 作业人员的生命和健康安全。 由于安全评价在石油企业正处在不断发展的过程中，因此仍然存在了许多的不足， 但作为预防、预测事故的重要手段，安全评价在石油企业中占有重要的地位。随着安全 技术和方法的不断进步和发展，石油企业的安全评价也将得到长远的进步。 1 3 知识管理在石油钻井的研究与应用现状 1 3 1 国外知识管理在石油钻井的研究与应用现状 国外知识管理始于2 0 世纪5 0 - 6 0 年代，在2 0 世纪8 0 一9 0 年代得到快速发展，进入 2 1 世纪，知识管理作为一种新的管理思想，在更多的行业和企业中得到实践。 对于知识管理的理解，国内外有不同的看法，到目前为止，还没有对知识管理的定 义有统一的认识，国内外普遍得到认可的理解主要有：国外的学者卡尔弗拉保罗将知 识管理理解为运用集体智慧来提高企业应变与创新的能力，从而实现知识共享的一种方 法阱1 ；艾莉( a l i e ，1 9 9 8 ) 认为知识管理是企业为增强组织的绩效从而创造、获取以及使 用知识的过程啪1 ；国内著名的管理学专家乌家培将知识管理理解为知识管理是信息管理 的一种延伸，是信息管理在新阶段的发展嘲1 ；复旦大学的郁义鸿认为知识管理是管理者 对企业内外部知识的一种管理和利用，通过知识的获取、共享、创新来达到提高组织创 造价值的目的汹1 。 自1 9 9 7 年以来，许多大型的国际石油公司如b p 石油公司、雪佛隆石油公司、美孚 石油公司、壳牌石油公司、挪威国家石油公司等就开始引用知识管理侧。就有代表性 的有壳牌石油公司的知识管理系统、s c h l u m b e r g e r ( 斯伦贝谢) 石油公司的“知识中心 以及科威特石油公司的“p e o p l e l i n k 系统。s c h l u m b e r g e r ( 斯伦贝谢) 石油公司通过建 立一个“知识中心”，将过去的钻井经验和教训提供给钻井工作人员，通过获取、分享 和应用所收集的现状和专家知识及时为做优化设计提供参考，以达到提高钻井效率和降 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 低操作风险的目的。科威特石油公司的知识管理就是通过提高决策能力和获取专门知识 来降低成本。福特布雷特认为公司应该让钻井平台的工作人员花时间来研究如何改善流 程和分享他们过去成功的想法和建议，他认为这是不通过突破性的技术改进来降低钻井 成本的好方法嗍。美孚石油公司强调了知识存储必须是积极活跃的。在日本国家石油公 司伯斯论坛上，嘉宾建议建立专家小组来进行交流知识和实时为解决方案提供新的分 析。他们认为如果钻井问题能用实时信息进行预测，那么可以节约大量的成本，同时钻 井的安全性也可以得到提高嗍。 1 3 2 国内知识管理在石油钻井的研究与应用现状 我国的知识管理始于2 0 世纪9 0 年代末期，知识管理作为一种新的管理理念，正渐 渐的被各行业和各大公司所重视，特别是进入2 1 世纪，为了提高企业的竞争力和提高 企业的管理效率，开始采用知识管理，如图书馆知识管理、电子商务知识管理等静删。 石油企业的特点决定了石油企业要告别原有的旧的管理方式，转变观念，不断的创新， 通过知识管理等新的管理模式和手段，提高石油企业的管理水平和核心竞争力，提高石 油企业的整体效益。 我国石油钻井也开始采用知识管理的思想，做了许多的探索研究，如王燕采用过程 一知识管理的方法对起下钻过程的风险评价进行了研究，建立了一套起下钻过程的安全 评价系统啪1 ；郭凤平利用知识管理的思想和方法对钻进过程的安全评价进行了研究，建 立了钻进过程的安全评价体系啪1 。结合钻井需要，研究开发了钻井事故诊断专家系统、 事故实时咨询系统，如孟祥芹在专家系统的基础上，建立了一套智能钻井事故诊断系统 m 1 ；王怡基于模糊理论对专家系统进行了研究，建立了一套卡钻事故诊断专家系统悯； 韩朝辉等对钻井事故人工智能实时监控系统应用进行了研究，建立一套钻井实时监控系 统3 等，虽然尚处于探索阶段，还存在诸多的不足，但随着认识水平的提高，也一定会 取得更好的成果洲。 1 3 3 基于过程一知识管理系统的研究 近年来，随着知识管理研究的深入，出现了一些有影响的知识管理系统的构建策略， 这些策略对不同领域中的知识管理技术进行了研究，提出了一些实现知识管理系统的方 法，但这些知识管理系统的构建策略和方法很少有关注知识处理过程问题的，所以，所 实现的系统也很难符合实际的知识管理需求。因此，对基于过程一知识管理的系统研究 就显得尤为重要嘲1 。目前对于过程一知识管理的研究正处于发展中，相关的研究成果也 5 第一章绪论 很少见于文献中，本文在前人研究基础上，基于过程一知识管理的方法对完井过程进行 了研究。 1 4 本文的研究目标、内容、方法、技术路线 1 4 1 研究目标 本文的研究目标是建立风险评估技术框架，应用风险评估技术对完井过程进行风险 辨识和评价，对完井过程存在的风险进行实时监测和评价；应用过程一知识管理理论建 立一套完井过程安全评价系统框架，建立评价数据库，对完井过程进行实时评价，得出 定性或定量的评价结果，对存在的风险提供处理方案和预防措施。 1 4 2 研究内容 本文的研究内容主要有： ( 1 ) 分析完井过程的工艺流程和工艺技术； ( 2 ) 调研和查阅资料，对完井过程发生的事故类型和事故原因进行统计和整理； ( 3 ) 对完井过程进行风险辨识； ( 4 ) 应用过程一知识管理确定完井过程的知识范围； ( 5 ) 对完井过程进行知识描述； ( 6 ) 建立完井过程的推理机制和算法； ( 7 ) 基于过程一知识管理的评价系统的软件编制。 1 4 3 研究方法 本文采用现场调研和资料分析的方法进行研究，数据来源于现场监控数据，并经 过筛选、分析和总结。 1 4 4 技术路线 本文采用的技术路线如下： ( 1 ) 对完井过程进行风险辨识和评价； ( 2 ) 应用过程一知识管理确定完井过程知识范围； ( 3 ) 对完井过程进行知识描述； ( 4 ) 应用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 语言编程。 1 5 本文的难点 本文的目标是要建立一套安全评价系统，应用安全评价系统，可以实时对钻井过程 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 进行风险评价，判断安全状况，以便采取相应的安全对策措施，防止事故的发生。因此 在课题的研究过程中，主要有以下几个需要解决的问题： ( 1 ) 基于过程一知识管理的安全评价系统模型的构建 安全评价系统模型的构建是本文的重点，也是本文的难点，模型构建的合理与否将 影响着评价系统的整体功能，因此要在充分分析评价对象的基础上，详细的进行功能划 分，建立合理的模型。 ( 2 ) 知识库和数据库的建立 知识库和数据库是本系统的重要组成部分，实时监控数据和专家知识都需要存储在 数据库和知识库中，知识如何划分与表达、数据库如何进行链接等都是本文要重点解决 的问题。 ( 3 ) 完井事故类型诊断模型的构建 完井事故类型诊断功能是本系统重要的功能模块，该模块能对完井过程中可能出现 的事故类型进行诊断，以便及时采取相应的对策措施，拟采用的方法是m a t l a b 人工 神经网络进行诊断模型建立。 ( 4 ) v b 与m i c r o s o f t a c c e s s 数据库、m a t l a b 神经网络的混合编程 本文建立的安全评价系统采用v b 进行主程序的编程，数据库采用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库构建，诊断模型采用m a t l a b 神经网络模块，因此本文的一个难点就是如何实 现v b 与m i c r o s o f ta c c e s s 数据库、v b 与m a t l a b 的混合编程。 7 第二章完井工艺过程 2 1 完井工艺方法 第二章完井工艺过程 完井( w e l lc o m p l e t i o n ) 是衔接钻井和采油的一项系统工程，是油气井建井的重要 环节，完井质量直接影响油气井的整体寿命和油井的生产能力。目前完井方式有多种类 型，每一种方式都有不同的适用条件和局限性，只有根据油气藏的类型和油气层的地质 状况来选择最合适的完井方式，才能最大程度的发挥油气井的经济效益。 2 1 1 直井的完井 直井完井是最基本的一种完井方式，它适用的范围广、工艺技术简单、建井的周期 短、成本低，在以后相当长的时间内仍然是一种重要的完井方式。 直井常见的完井方法有： ( 1 ) 射孔完井法 射孔完井是目前应用最广泛的一种完井方法，它包括：套管射孔完井法、尾管射孑l 完井法、尾管回接射孔完井法。图2 一l 为套管射孔完井示意图。射孔完井法是钻开油气 层后下入套管或尾管，注水泥后通过射孔，打开井筒和产层的油流通道。这种方法既可 以选择性的射开不同压力、不同物性油层，以避免层与层间的干扰，同时还可以避开夹 层水、底水和气顶，避免夹层的坍塌。 j 0 筐 艮| | 二 ij，0。一一：， 一： ；：， ， 二、- ：，= ；薹l y v 岩 铲 _ 一：剿一 k 1 z j ：。：+ ：，。j 。 卜产层；2 一射孔孔眼；3 一水泥环；4 一油层套管；5 一上层套管 图2 - 1 套管射孔完井示意图 f i 9 2 - 1c a s i n gp e r f o r a t i n gc o m p l e t i o nd i a g r a m c 2 ) 裸眼完井法 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 裸眼完井是在油气层段不下入套管，使井筒全部裸露的一种完井方法。根据不同的 工序，裸眼完井又分为先期裸眼完井法和后期裸眼完井法。先期裸眼完井法是将套管下 到油气层顶部再钻开油气层，如图2 2 所示。后期裸眼完井法是钻完油气层后再将套管 下到油气层顶部注水泥完井，如图2 3 所示。先期裸眼完井法应用较多，后期裸眼完井 法一般很少用。裸眼完井的最主要的特点是油层完全裸露，油层具有最大的渗流面积， 其产能较高，但这种方法的局限性很大，特别是遇水易坍塌的岩层，这种方法就不能使 用。 7 ：。 ! 】， 匪 i ： l k l 一 l、 i 4 一 j 7 7 7 0 ?o 7 | it l i i i j _ l li ， ij，ll l lliiil iiii f 。llri il i l i 。i i iili 卜油层；2 一裸眼：3 一水泥环；4 一技术套管；5 一表层套管 图2 - 2 先期裸眼完井示意图 f i 鸱- 2 i n i t i a lo p e nh o l ec o m p l e t i o nd i a g r a m ：，0 匡 |_ k 7 l - 1 0 ：，| 要 f 一i j 5 一 z i 。 0 ：，0 j 立 盘 ! 丁 2 ；i ；。i ：；i ：i 一1it l ii li f i l i l l i l if，li iiil i lll ；， 卜油层；2 一裸眼；3 套管外封隔器；4 一水泥环；5 一技术套管；6 一表层套管 图2 - 3 后期裸眼完井示意图 f i 9 2 - 3f i n a lo p e nh o l ec o m p l e t i o nd i a g r a m 9 第二章完井工艺过程 ( 3 ) 割缝衬管完井法 割缝衬管完井法按工序分为2 种：一种是钻开油气层后，将套管柱下端连接衬管的 管柱下入到油层部位，通过套管外封隔器注水泥封固油层以上井段的环形空间。这种方 法的不足是井下衬管损害后无法进行修理或更换，故一般不使用这种方法。另一种是钻 头钻到油层顶部后，先下入技术套管注水泥固井，再从技术套管下入钻头钻穿油层至完 井井深，最后在油层部位下入带割缝衬管的管柱，依靠衬管顶部的衬管悬挂器将衬管悬 挂在套管上，并密封套管和衬管间的环形空间，如图2 - 4 所示。这种方法在衬管磨损或 失效后可起出更换，故现场一般采用这种方法。 7 。“7 。”。”“。7 。二。7 7 ：。：7 0 ： l 卜 _ | j 一s 曼 f ! iil ，l ：； 豸 ： 星 牟寓 li ，li il ，_l i-li l l l l llii iil_ 卜油层；2 一割缝衬管；3 一套管外封隔器；4 一水泥环；5 一油层套管；6 一表层套管 图2 4 割缝村管完井示意图 f i z z - 4 s l o t t e dh n e rc o m p l e t i o nd i a g r a m ( 4 ) 砾石充填完井法 这种方法是先将绕丝筛管下至油层段，再用充填液循环将地面选好的砾石泵送至绕 丝筛管与井眼的环形空间或绕丝筛管与套管的环形空间，形成一个砾石充填层，阻挡砂 粒进入井筒，同时起到保护井壁的作用。这种方法又分为裸眼砾石充填完井法和套管内 砾石充填完井法。裸眼砾石充填完井法是在油层顶部下套管注水泥封固，再用扩孔钻头 将裸眼扩大至原来井径的1 5 2 倍，以便填充有足够的厚度，如图2 5 所示。套管内砾 石充填完井法是在钻头钻穿油层至完井深度后，下入油层套管，进行注水泥固井，再对 油层射孔，使用高密度的充填液进行高密度充填，如图2 - 6 所示。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 卜油层；2 一扶正器；3 一裸眼；4 一筛管；5 一扶正器；6 - 铅封； 7 一技术套管；8 一表层套管；9 一砾石；1 0 一管堵 图2 - 5 裸眼砾石充填完井示意图 f i 醇- 5o p e nh o l eg r a v e lf i l l i n gc o m p l e t i o nd i a g r a m 卜油层；2 一砾石；3 一扶正器；4 一筛管；5 一铅封；6 一油层套管； 7 一表层套管；8 一扶正器：9 - 管堵 图2 - 6 套管砾石充填完井示意图 f i 驴- 6c a s i n gg r a v e lf i l l i n gc o m p l e t i o nd i a g r a m 各种直井完井方法的特点、缺点和适用的地质条件如表2 - 1 所示。 第二章完井工艺过程 表2 - 1 各种直井完井方法比较 完井方法 特点缺点适用的地质条件 可以选择性地射开油气层，实行 对射孔、固井质量要求严格 适合多种类型油 射孔完井法 分层开采；气藏完井 可进行各种井下压裂酸化等作业 油气层完全裸露，具有最大的渗不适用出砂、井壁不稳定井；适用于地层坚 裸眼完井法 流面积；不能进行分层压裂固、单一油气层 油气流入井内的阻力最小或性质相近的多 油气层的井 可防止裸眼井眼坍塌；不能进行选择性增产作业；适用于出砂不严 割缝衬管完井法 工艺部复杂，便于作业：不能进行层段分割重的中粗砂粒油 成本较低层 可防止油层砂粒进入井内； 不能进行选择性的增产作业； 适用于胶结疏松 砾石充填完井法 可以保护井壁，防止井眼坍塌；严重出砂的地层 具有较高的渗透率 2 1 2 水平井的完井 随着完井技术的发展，水平井得到了快速的发展，目前水平井中常用的完井方法主 要有：裸眼完井、割缝衬管完井、带管外封隔器( e c p ) 的割缝衬管完井、射孔完井和 砾石填充完井。水平井按照曲率半径和造斜分为长、中、短三类如表2 - 2 所示 表2 - 2 水平井类型 标识长中短 曲率半径 10 0 0 3 0 0 0 f t1 6 5 7 0 0 f t2 0 , - - - 4 0 t t 3 0 5 , - 一91 4 m5 0 2 1 36 1 2 m 造斜 2 a ：，f t 6 垤8 p f t 3 0 啪1 5 垤 - - 3 7 0 10 0 m - 2 0o 1 0 0 m2 6 0 1 0 0 m - - - 9 8 0 l0 0 m5 0 m - - - l0 0 m ( 1 ) 裸眼完井 裸眼完井是一种最简单的水平井的完井方法，这种方法是在技术套管下到预计水平 段顶部，注水泥固井封固，再换小一级的钻头钻水平井段至设计井深，如图2 7 所示。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 | i ；j一： 卜油层；2 一裸眼；3 一技术套管 图2 - 7 水平井裸眼完井示意图 f i 9 2 - 7 h o r i z o n t a lw e l lo p e nh o l ec o m p l e t i o nd i a g r a m ( 2 ) 割缝衬管完井 这种方法是将割缝衬管悬挂在技术套管上，靠悬挂封隔器封隔管外环形空间，使用 扶正器加以扶正，保证封隔衬管在水平井眼中居中，如图2 8 所示。这种完井方法简单， 既可以防止井塌，还可以将水平井段分成若干段进行小型措施，目前这种方法在水平井 中应用较多。 ： 卜油层；2 一裸眼；3 一扶正器；4 一割缝衬管；5 一悬挂器；6 一技术套管 图2 - 8 水平井割缝衬管完井示意图 矾9 2 - 8h o r i z o n t a lw e l ls l o t t e dl i n e rc o m p l e t i o nd i a g r a m ( 3 ) 带管外封隔器( e c p ) 的割缝衬管完井 这种方法靠管外封隔器实施层段的分隔，可以按照层段进行作业和生产控制，如图 2 9 所示。 1 3 第二章完井工艺过程 卜油层；2 一割缝衬管；3 一裸眼：4 一套管外封隔器：5 一悬挂器；6 - 技术套管 图2 - 9 套管外封隔器的割缝村管完井示意图 f i 9 2 - 9 o u t e rc a s i n gp e c k e rs l o t t e dl i n e rc o m p l e t i o nd i a g r a m ( 4 ) 射孔完井 这种方法将技术套管下过直井段注水泥固井后，在水平段内下入尾管，注水泥封固， 尾管靠悬挂器挂于技术套管上，然后在尾管水平段射孔，如图2 1 0 所示。 卜油层：2 一射孔孔眼；3 一尾管；4 一扶正器：5 一悬挂器；6 一技术套管 图2 1 0 射孔完井示意图 f i 9 2 - 1 0 p e r f o r a t e dc o m p l e t i o nd i a g r a m ( 5 ) 砾石填充完井 这种方法工艺复杂，施工难度大，目前应用还很少。 上述各种水平井完井方法的优点、缺点和适用的地质条件如表2 3 所示。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 3 各种水平井完井方法比较 完井方法 优点缺点适用的地质条件 成本最低对于疏松地层，容易坍塌岩石坚硬，井壁稳定的地层 储层不受水泥浆的影响 难以避免曾段问的窜通不要求层段分隔储层 裸眼完井法可以实施生产控制和增可以实施生产控制和增产作天然裂缝性碳酸盐岩或硬砂 产作业 业 岩储层 可以实施生产检测可以实施生产检测短曲率半径水平井 割缝衬管 成本较低不能进行层段分隔井壁不稳定，存在坍塌的储层 储层不受水泥浆的影响不能进行增产增注作业 不要求层段分隔储层 完井法 防止井眼坍塌不能进行生产控制天然裂缝性碳酸盐岩或硬砂 岩储层 带管外封隔 成本相对中等管外封隔器分隔层段的有效程不要求用注水泥实施层段分 储层不受水泥浆的影响度主要取决于水平井眼的规则 隔储层 器的割缝衬 能进行层段分隔 程度、分割器的坐封和密封件的要求层段分隔，但不要求水力 管完井 能进行生产控制、检测和 耐压及耐温等因素压裂储层 增产作业井壁不稳定，存在坍塌储层 天然裂缝性或横向非均质碳 酸盐岩储层 有效的进行层段分隔成本相对较高要求层段分隔 射孔完井法能进行生产控制、检测和储层受到水泥浆的影响要求水力压裂作业储层 增产作业古井质量难保证裂缝性砂岩储层 要求射孔操作技术较高 裸眼预充填 储层不受水泥浆影响不能进行层段分隔岩性疏松，出砂严