（安全技术及工程专业论文）沁水盆地煤层气欠平衡钻井风险评估.pdf

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针对性分析，重点分析了井壁稳定性和钻井液密度等因素对欠平衡钻井的影响，通过改 变它们的参数分析风险评估综合值的变化情况。 论文还通过编写的评估软件对沁水盆地地区钻井实例进行成功的风险评估，将理论 模型、编写的软件与工程实际相结合，便于课题成果的推广。 关键词：沁水盆地，煤层气，欠平衡钻井，层次分析法，模糊评判，风险评估 r i s ka s s e s s m e n to fu n d e r b a l a n c ed r i l l i n g f o rc b mi nt h eb a s i no fq i n s h u i b uf a n ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nx i a n g z h e n a b s t r a c t t h eu n d e r b a l a n c ed r i l l i n gi nt h eb a s i no fq i ns h u ii sac o m p l e xa n dh i g hr i s kp r o j e c t t h e r ea r eal o to fu n c e r t a i n t i e sa n dr a n d o mf a c t o r si nt h ew h o l ep r o c e s ss oi ti sp r o n et oa v a r i e t yo fa c c i d e n t s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h el a r g e s c a l ee q u i p m e n ta n dt h ec o m p l e x i t yo f t e c h n o l o g yd u r i n gu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g ，i nt h ee v e n to fa na c c i d e n t ，i tw i l lc a u s es i g n i f i c a n t h a r mt o p e r s o n sa n dp r o p e r t y o n c ea c c i d e n th a p p e n s s ot h er i s ka s s e s s m e n tf o rt h e u n d e r b a l a n c ed r i l l i n gi nt h i sp a p e rh a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h er e g i o nq i n s h u ib a s i n ，a n de s t a b l i s h e s t h em o d e lo fr i s ka s s e s s m e n to fu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g f i r s tt h ep a p e ra n a l y s i st h er i s k f a c t o r so ft h eb a l a n c e dd r i l l i n g ，t h ea n a l y s i so ft h er i s kf a c t o ri st h eb a s i so ft h er i s k a s s e s s m e n tf o rt h eu n d e r b a l a n c ed r i l l i n g i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra n a l y s i st h es t a b i l i t yo f w e l l b o r eb a s e do nf l a cs o f t w a r e t h ep a p e re s t a b l i s h e st h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo ft h er i s k f a c t o r s ，a n dq u a n t i f i e st h er i s kf a c t o r sm a i n l yu s i n g f u z z ym a t h e m a t i c sa n de x p e r t i s em e t h o d a n dt h e nc o n f i r mt h ew e i g h to ft h er i s kf a c t o r sb ym e a n so fa n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s f i n a l l yt h ep a p e re s t a b l i s h e st h em o d e lo fr i s ka s s e s s m e n tu s i n gf u z z yc o m p r e h e n s i v em e t h o d t h ep a p e ra l s oc o m p o s e st h er i s ka s s e s s m e n ts o f t w a r ef o ru n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g ，a n dt h e w h o l ew o r ko fr i s ka s s e s s m e n tc a nb ed o n et h r o u g ht h es o f t w a r e ，s oi tg r e a t l yi m p r o v e st h e e f f i c i e n c yo fa s s e s s m e n t t h ek e yr i s kf a c t o r sa r ea n a l y z e di m p o r t a n t l ys u c ha sw e l l b o r e s t a b i l i t ya n dd r i l l i n gf l u i dd e n s i t y w ea n a l y z et h ev a l u eb yc h a n g i n gt h e i rp a r a m e t e r s t h et h e s i sm o d e l ，t h es o f t w a r ea n dt h ep r o j e c tc o m b i n et o g e t h e ri nt h i sp a p e r , a n dt h i s f a c i l i t a t e st h ep r o m o t i o no fp r o j e c tr e s u l t s k e yw o r d s ：q i n s h u ib a s i n ，c o a l - b e dg a s ，u n d e r b a l a n c e dd r i l l i n g ，a n a l y t i c a lh i e r a r c h y p r o c e s s ，r i s ka s s e s s m e n t 目录 第1 章绪论l 1 1 选题的目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外风险评估应用现状一2 1 2 2 国内风险评估应用现状3 1 3 本论文的主要研究内容及路线4 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 第5 章 5 1 5 2 1 3 1 本论文的主要研究内容4 1 3 2 本论文研究的技术路线4 沁水盆地欠平衡钻井风险识别6 沁水盆地煤层气开发中采用欠平衡钻井技术的必要性6 煤层气钻井工程项目风险识别与评估7 煤层气钻井工程项目风险因素分析9 沁水盆地煤层气开采井壁稳定性分析16 井壁稳定性影响因素分析16 基于f l a c 的数值模拟18 欠压值对井壁稳定性的影响1 9 水平地应力对井壁稳定性的影响2 0 结论2 2 沁水盆地欠平衡钻井风险评估及模型建立2 3 风险评估介绍一2 3 煤层气欠平衡钻井工程项目风险评价的数学方法一2 4 4 2 1 数学方法的选择2 4 4 2 2 层次分析法的基本思路2 6 4 2 3 指标的模糊隶属度函数2 8 煤层气欠平衡钻井- t 程项目风险评价模型的建立一2 9 4 3 1 煤层气钻井项目风险评价指标隶属度函数的确定2 9 4 3 2 煤层气欠平衡钻井项目风险评价指标权重的确定3 6 4 3 3 煤层气欠平衡钻井风险评估综合模型4 3 本章小结4 4 煤层气欠平衡钻井风险评估软件开发4 5 软件歼发技术介绍一4 5 软件麻j i 4 7 第l 章绪论 5 2 1 软件特点4 7 5 2 2 软件的安装及运行4 7 5 3 软件各模块简介4 7 5 3 1 系统主界面4 8 5 3 2 数据库模块4 9 5 3 3 风险因素分析模块4 9 5 3 4 指标量化方法模块5 0 5 3 5 层次分析法确定权重模块5 0 5 3 6 风险综合评估模块5 2 5 4 煤层气钻井作业风险评估实例分析5 2 5 5 关键风险冈素对欠平衡钻井风险的影响分析5 5 5 5 1 井壁稳定性因素对欠平衡钻井风险影响5 5 5 5 2 钻井液密度控制因素对欠平衡钻井风险影响5 6 5 6 本章小结5 7 结论与建议5 9 参考文献6 1 致谢6 5 中国石油大学( 华东) 硕 ：学位论文 第l 章绪论 1 1 选题的目的和意义 在资源日益紧张的当今社会，石油和天然气越来越难以满足人类生存和社会发展的 需求，因而煤层气的开发和利用越来越受到国家的重视。煤层气，即煤矿瓦斯，其主要 成分是甲烷，是一种清洁、环保的优质能源。我国煤层气资源储量丰富，据相关部门统 计，我国煤层气资源约3 6 万亿立方米，位居世界第3 位，其储量同我国石油天然气的 储量相当，被看作是天然气的接替能源【1 】。我国的煤层气资源的可采量约为1 0 万亿立方 米，主要分布在大型的煤层气盆地群，其中沁水盆地的可采煤层气总量超过了1 万亿立 方米1 1 。同时，煤层气如果不事先开采，还会影响到煤矿的安全生产，容易引发煤矿瓦 斯爆炸事故，造成重大人员伤亡。因此开发煤层气一举多得，不仅充分利用了能源，而 且有利于从根本上解决煤矿的安全生产问题；同时有利于增加煤矿收益；有利于充分利 用洁净能源，从而更好的保护人类的居住环境【3 】，因此加强先抽后采是防范煤矿瓦斯事 故的根本性措施。 其中沁水盆地的含煤面积约占山西省含煤总面积的5 1 3 ，其煤层气资源总量约为 6 8 5 万亿立方米，煤层气储量丰富，发展也比较快，是我国近几年来重点开发的煤层气 区块【4 】。在此良好的资源优势条件下，该地区的煤层气开发有了一定的市场前景，目前 每天就有超过5 3 万立方米的煤层气进入“西气东输”的主管网，可见市场前景广阔， 具有良好的商业开发价值和经济效益【5 】。2 0 0 6 年国家发展和改革委员会下发了通知明确 提出了要全面加快沁水盆地地区煤层气产业化配套设施的建设，全面有效地加快沁水盆 地地区煤层气的开发及合理运用，这也成为我国煤层气的战略任务之一【6 】。 然而，煤层气的钻井是煤层气开发的关键环节，同时为了保护在钻井过程中煤层的 割理、裂缝不被破坏，在钻井过程中需要采用欠平衡钻井技术，以防止钻井液侵入煤层 而堵塞井壁周围的煤层裂缝，影响渗透率。加之沁水盆地地区煤层也有着自身的特点， 例如钻井区多为山区地带，作业环境恶劣，煤岩脆性大，易发生井壁坍塌，可钻性较差， 尤其是在欠平衡条件下钻水平井时，水平段井壁容易发生坍塌【7 l 。 因此，从以上分析得知在沁水瓮地煤层气的开发环节中，欠平衡钻井有着技术难度 高、作业环境恶劣、对员工素质要求高等特点。这些特点决定了该项钻井工程是一项十 分复杂、高风险的工程，其中存在大量的未知风险因素和随机因素，例如煤矿瓦斯具有 易燃易爆性，同时煤层中还会含有其他有毒有害气体，其风险性之高是可想而知的，如 第l 章绪论 果出现钻井事故或者钻井失败，还会造成巨大的经济损失。因此一些工程风险方面的问 题例如：工程项目是否足够安全，设计施工与操作是否能够保证安全，重大事故是否可 以避免等问题显得尤为重要。而要回答这些问题，就要在钻井工程项目实施之前需要将 风险评估技术引入并进行整体系统化的实施1 8 j 。对煤层气欠平衡钻井工程进行风险评估 己经成为沁水盆地地区煤层气开发不可或缺的环节，也是r 益受到关注的问题。目前， 我国的煤层气开发已形成一定的规模并发展迅速，对开发过程中欠平衡钻井进行安全风 险评估已成为必然要求，对欠平衡钻井过程中的风险认识和评估水平也需要亟待提高。 同时不断学习国际上发达国家的先进的评估经验和成果，全面认识欠平衡钻井过程中潜 在的风险，力求通过风险评估以及合理决策，使煤层气钻井风险得以有效控制或降低到 最小程度，使我国的煤层气开发事业健康稳定地发展【9 l 。 1 2 国内外研究现状 安全评价，也称为风险评价，是指对一个具有特定功能的工作系统中固有的或潜在 的危险及其严重程度所进行的分析与评估，并以既定指数、等级或概率值作出定量的表 述，最后根据定量值的大小决定所采取的预防或防护对策，其目的是实现人一机一环境系 统的安全协调运作。 1 2 1 国外风险评估应用现状 风险评估最早起源于上世纪3 0 年代，开始用于金融业，主要是针对投资风险的评 估，以确保最小的资金损失。上世纪2 0 年代末发展起来的系统安全工程又从理论上极 大地推动了风险评估技术的发展。早在1 9 6 2 年美国便将该技术用于军事工业方面，系 统安全的概念出现并首次应用于实际。此后，风险评估技术被广泛应用到航空航天、石 油化工等领域，尤其是在化工领域取得了重大发展，例如1 9 6 4 年美国道( d o w ) 化学公 司率先提出“火灾、爆炸危险指数评价法 ，该方法将化工工艺中的物料和工艺条件等 因素结合起来，求得火灾爆炸指数，通过火灾爆炸指数来衡量经济损失情况。随后，在 1 9 7 4 年英国帝国化学公司又提出了蒙特法，该方法是一个更加全面化、系统化的评估方 法，同美国道化学法相比该方法在毒性以及补偿系数等方面做了适当改进，同时增加了 几个特殊工艺的危险性，能对较广范围内的工程及工艺设备进行研究0 0 。 随着油气资源的广泛开采，加之其开采过程具有高风险、高事故发生率的特点，因 此风险评估技术在油气开采行业得到了广泛应用。在国外，风险评估技术在油气丌采方 面的应用已比较成熟，例如在1 9 9 8 年，j l t h o r o g o o d 和k s b a r d w e l l 等人对动力定位 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 钻井作业进行风险评估研究，运用定量风险评估方法评估动力定位失效的情况下井身失 稳的概率，并且识别了影响定位可靠性的关键因素，同时指出了某些关键参数的相对重 要度以及该参数受设计者所影响的程度。奥特森等人在1 9 9 9 年提出了一种新的统计方 法，该方法基于定量风险分析( q r a ) ，它提供了一种通过输入数据来评估不确定性的 方法，并且通过线弹性三维模型阐明了预期稳定度的概率是泥浆密度的函数。麦克莱伦 和霍克斯( 1 9 9 8 年) 利用多孔构模型的方法进行出砂预测。2 0 0 3 年d a n i e lm o o s a , p a v e l p e s k a 等人发表”c o m p r e h e n s i v ew e l l b o r es t a b i l i t ya n a l y s i su t i l i z i n gq u a n t i t a t i v e 鼬s k a s s e s s m e n t ”一文，改论文通过应用定量风险评估方法进行综合井壁稳定性分析，为了量 化这些不确定性因素对井壁稳定性的影响，该论文采用了概率的方法来测定对不确定性 影响最大的临界参数。通过对大量的输入数据进行模拟分析，并对模拟结果进行综合分 析，以确定哪些数据的不确定性足够大以至影响分析结果，哪些数据的不确定性很小可 以不必细化这些数据值，以及确定需要采集什么样的数据，可以优化数据采集工作，从 而确定稳定性分析结果的置信度。2 0 0 4 年d a n i e lm o o 和p a v e lp e s k a 等人应用定量风险 评估方法对钻前孔隙压力、密封性能和钻井液密度窗口进行预测。通过蒙特卡罗法进行 定量风险评估，模拟有效应力、密封性能和钻井液密度之间的关系，通过该方法还预测 了孔隙压力、油气储藏量以及钻井费用等相关数据i l 。 1 2 2 国内风险评估应用现状 我国于2 0 世纪8 0 年代初期引入安全系统工程，并在机械化工等领域得到了广泛的 应用。另外在石油化工等易燃、易爆危的高危行业，还引进了美国道化学公司开发的“火 灾、爆炸危险指数评价法 以及英国帝化学公司蒙特法进行了风险评估【1 引。 我国从1 9 9 0 年至今，己经审批了一系列关于油气开发项目的风险评估研究工作并 且完成了相关评估报告。例如1 9 9 7 年渤海石油公司和天津大学联合编写的海上油( 气) 生产设旌安全风险分析研究报告( 上、下册) ，对生产中的j z 2 0 2 平台进行了风险评估 分析，确保在役平台的安全可靠性；1 9 9 8 年胡云昌、黄海燕等人发表了基于概率影响 图的海洋平台安全风险评估方法研究，该研究报告通过概率影响图的方法对锦西2 0 2 平台的进口区域进行了风险评估。2 0 0 2 年韩圣章发表海上油气开发工程定量风险评估 方法研究，该研究方法同样也引入了概率影响图理论对平台进行风险评估；2 0 0 5 年刘 菊梅发表陆上油气钻井作业系统安全分析方法的研究一文，该论文首次成功的将模 糊数学理论应用到钻井行业的风险评估，这是一个大胆而又创新的尝试，该尝试使得钻 井风险评估向定量化迈进了重要的一步；2 0 0 7 年赵俊平发表油气钻井工程项目风险分 3 第l 章绪论 析与管理研究，采用模糊一层次分析法构建了油气钻井工程项目风险评估模型【1 3 1 。 虽然近几年风险评估在油气开采领域得到了广泛的应用，但是在煤层气欠平衡钻井 作业方面，风险评估仍然主要用于项目的初始评审以及预评价阶段，其评估内容还未对 钻井设备设计、钻井过程做出全面的系统的评价。评估方法虽然有了更好的技术，但主 要还是借助于国外开发的评估软件，因此我国在煤层气欠平衡钻井风险评估方面还没有 形成自己的特色，并且在评估中还存在着模型和数据不充分的问题【1 4 1 。 1 3 本论文的主要研究内容及路线 1 3 1 本论文的主要研究内容 本文针对煤层气欠平衡钻井项目进行风险评估，在评估过程中由于所采用的相关地 质参数是来源于沁水盆地地区，因此将本文的研究主题定为沁水盆地煤层气欠平衡钻井 风险评估。 本论文以系统安全工程以及风险工程学为理论依据，通过分析欠平衡钻井的风险因 素，建立相对全面的钻井作业风险评价指标体系，并对指标详细的量化，并借助于层次 分析法以及模糊综合评判法对影响煤层气欠平衡钻井作业的诸多非线性、离散及动态因 素进行综合评估，得到一个综合评估结果，并将整个评估过程通过软件计算来实现，通 过软件可以全面快速的得到评估结果。具体研究内如下： ( 1 ) 分析沁水盆地地区煤层气欠平衡钻井过程中的风险因素； ( 2 ) 对煤层气欠平衡钻井进行井壁稳定性分析； ( 3 ) 建立因素权重集，利用层次分析法计算各风险因素的权重； ( 4 ) 建立钻井作业风险评估模型，借助模糊数学方法进行风险评估； ( 5 ) 基于v b 程序语言编写煤层气欠平衡钻井风险评估软件； ( 6 ) 通过评估软件分析井壁稳定性等关键风险因素对钻井风险的影响规律。 1 3 2 本论文研究的技术路线 ( 1 ) 查阅国内外有关煤层气欠平衡钻井风险评估方面的文献，并学习其方法。 ( 2 ) 收集并整理沁水盆地地区煤层地质的相关的数据，为后期分析该地区欠平衡钻 井作业风险做好现场资料准备工作。 ( 3 ) 对文献中的评估方法以及现场数据进行综合分析，并在此基础上选择适合本地 区钻井作业风险评估的数学方法。 ( 4 ) 模型构建。通过对沁水盆地地区钻井作业风险因素集分析，采用层次分析法和 4 中国石油大学( 华东) 硕卜学位论文 模糊综合评判建立评估模型，并对模型进行求解。 ( 5 ) 举例分析。根据沁水盆地地区的地质参数对钻井作业进行实例分析。 。( 6 ) 编写煤层气欠平衡钻井风险评估软件，并通过评估软件分析关键风险因素对钻 井作业风险的影响规律。 具体的研究思路如图1 1 所示。 图1 - 1 本文技术路线图 t a b l e1 - 1t e c h n i c a lr o u t eo f t h ep a p e r 5 第2 章沁水盆地欠甲衡钻井风险因素识别 第2 章沁水盆地欠平衡钻井风险因素识别 沁水盆地为复向斜构造，介于太行和吕梁隆起带之间，复向斜轴线大致位于榆沁 县沁水一线，构造相对比较简单，断层不甚发育。南北翘起端呈箕状斜坡，东西两翼 基本对称，西翼地层倾角相对稍陡，一般1 0 0 2 0 。，东翼相对平缓，一般l o 。左右。边侧 下古生界出露区为倾角较大的单斜，向内变平缓，古生界和中生界背、向斜褶曲比较发 育，但幅度不大，面积较小。不同地区构造特点不同，总体来看，西部以中生代褶皱和 新生代正断层相叠加为特征，东北部和南部以中生代东西向、北东向褶皱为主，盆地中 部北部褶皱发育为主，局部地区受后期构造运动的改造，轴向改变。断层主要发育于东 西边部，断裂规模和性质不同，以j 下断层居多，断层走向长从几百米到数十公里不等， 断距从几米n 4 0 0 0 余米，有的可能是导致岩浆上升的通道，断层延伸方向以n e 向为主， 局部呈近e w 向和n w 向延伸。在盆地中部就有一组近东西向正断层，即双头一襄垣断裂 构造带【1 5 】【1 6 1 。 根据沁水衙地地区地形特点以及煤层气钻井的实际需求，本部分首先讨论欠平衡钻 井技术的必要性，在此基础上对煤层气钻井工程作业进行风险因素分析。 2 1 沁水盆地煤层气开发中采用欠平衡钻井技术的必要性 1 ) 减少和避免煤层的伤害 如果煤层气开发采用非欠平衡钻井，那么钻井液会在井筒与煤层问的压力差作用下 侵入到煤层孔隙中，对井筒周围的煤层造成伤害，且这种伤害是一个不可逆的过程，一 旦煤层受到迫害污染，其渗透率也会永久性的受到影响，尤其是钻遇水平井段时，钻井 液会长时间侵入到煤层，造成煤层渗透率的严重破坏。而欠平衡钻井使得井底钻井液液 柱的压力低于煤层的孔隙压力，钻井液不会侵入到煤层，从而避免了钻井液对煤层的污 染破坏1 1 7 i 。 2 ) 方便有效的产层显示 采用欠平衡钻井，由于井底钻井液液柱的压力低于煤层的孔隙压力，因此煤层中的 流体在压力差的作用下会流入到井筒中，并且伴随钻井液一起返回到地面。在此过程中， 煤层中的游离状态的煤层气( 约占5 1 5 ) 也会伴随钻井液返回到地面，通过对返回 地面的钻井液检测分析，并结合气测曲线以及含烃值等数值参数，将便于及时有效地发 现采用常规钻井技术所不容易发现的新的或潜在的产层。 3 ) 提高钻进机械钻速 6 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 欠平衡钻井避免了常规钻井过程中遇到的压持效应，即欠平衡钻井过程中钻头不会 重复碾压已被破碎的岩石，而是始终钻进切削新的岩石，这样将会明显地提高机械钻速， 缩短钻井时间。尤其是在钻水平井段时，钻井速度的提高更为明显。同时欠平衡钻井井 内的较低压力改变了井底岩石的应力状态，使得岩石应力强度降低因此更容易破碎，可 见从力学方面分析欠平衡钻井将有助于提高机械钻速。 4 ) 降低或避免井漏 在常规钻井过程中，由于井内钻井液的液柱压力高于地层孔隙压力，在遇到松软的 地层钻井液会发生漏失，从而造成极大地财产损失及钻井事故，延长钻井作业时间，增 加钻井成本。同时漏失到地层中的钻井液会对地层造成污染。因此井漏是采用常规钻井 技术难以避免的工程问题，而采用欠平衡钻井，井内液柱压力低于地层孔隙压力，钻井 液便不会漏失到地层中去，避免井漏的发生。 5 ) 避免压差卡钻 在常规方法钻井过程中，由于钻井液的滤失从而在井壁上形成一层厚厚的泥饼，如 果发生钻柱紧贴在泥饼上的情况，那么在正压差的作用下很有可能由于巨大的静摩擦力 而发生压差卡钻。而欠平衡钻井不存在钻井液滤失的情况因此也不会在井壁上形成泥 饼，就不会发生正压差卡钻的事故。 6 ) 降低开发成本 采用欠平衡钻井避免了煤层的伤害，从而保护了煤层的渗透率，节约了对煤层采取 压裂等增产措施的费用；同样提高了机械钻速可以缩短钻进周期，节约大量人力财力； 防止井漏，节约了钻井液的用量，而且避免了堵漏过程所带来的附加费用；避免卡钻也 避免了因发生井下事故而修井的费用。因此欠平衡钻井通过上述的几种优势，也极大地 降低了开发成本。 2 2 煤层气钻井作业风险评估准则 评估准则是衡量钻井作业过程中各种危险因素对钻井作业的后果影响所依靠的相 关法律法规以及准则，例如本文在评估过程中主要参考以下方面的法规及方针f 1 8 】： ( 1 ) 法律、国务院文件、行政法规以及部门( 地方) 规章； ( 2 ) 钻探作业方及上级主管公司制定的h s e 政策及方针； ( 3 ) 钻探作业方与承包商之间的合同要求以及规定； ( 4 ) 国际上针对钻井作业的各种行业准则及要求。 另外，判别准则还应根据具体实际情况加以制定，不同地区、不同条件下的判别准 7 第2 章沁水盆地欠平衡钻井风险因素识别 则也有所区别，本论文所研究的煤层气欠平衡钻井的相关判断准则见表2 1 、表2 2 、表 2 3 、表2 4 【19 1 。 表2 - 1 对财产损失的影响 影响情况分类定义 0 没有损失未对设备设施造成破坏 l 轻微破坏未破坏其使用功能，但要少量的修理( 维修费少于1 万人民币) 2 较小破坏 对正常操作造成轻微影响，要停工检修( 维修费少于2 0 万人民币) 3 较大破坏设备局部损坏，但维修后能恢复其功能( 维修费少于2 0 0 万人民币) 4 严重破坏设备部分功能丧失，停i t3 周以上或维修费低于6 0 0 万人民币 5特大破坏 设备失去全部功能，须更换新设备或维修费超过1 0 0 0 万人民币 表2 - 2 钻井作业对人的影响 t a b l e 2 2e f i e c to nh u m a n 影响情况分类含义 o 无伤害对人体健康未造成影响 1 轻微影响对员工继续作业以及完成当前作业不会造成较大影响 2 较小影响人员实现当前作业有一定的影响，但该伤害在一周时间内即可恢复 3 较大伤害造成员工身体某部位严重伤害，以致长期或永久失去某些工作机能 4重大影响 导致个人永久地失去所有工作能力，同时还包含3 个以下的灾害同时发生 5 多种灾害主要指在不同作业场所及不同操作下同时发生的各种灾害事故( 多于4 个) 表2 - 3 钻井作业对环境的影响 i a b l e 2 - 3e f f e c to ne n v i r o n m e n t 影响情况分类含义 0没有影响朱对井场周围环境造成任何污染及破坏 l 轻微破坏未对附近犬环境造成破坏，只对井场附近环境造成可控且可恢复的破坏 2较小破坏某单一的废弃物排放超过相应的标准，但仍仅限在井场附近的可控范围内 3局部破坏 多种有毒有害物质排放超标，或某单一的废弃物泄露到井场范围之外 4 严重破坏对井场附近的环境( 3 0 公里内) 造成污染破坏，且在一定时间内难以完全 恢复到破坏前的水平 5 巨大影响井场周围环境( 1 0 0 公里内) 造成可对人体产生危害的污染，且污染持续 扩散，短时间内难以有效控制 8 中国石油大学( 华东) 硕：e 学位论文 表2 - 4 对公众的影响 t a b l e 2 4t h ee f f e c to np u b l i e 影响情况分类 含义 0 没有影响事故后果朱造成社会效应 l 轻微影响事故后果在公众引起反映，但未引起公众的强烈不满 2 较小影响 事故受到当地( 镇、县范围) 媒体的报道并受到当地民众的谴责 3 较大影响事故后果受到整个地域( 省、市范围) 内民众的大量谴责，以及地域内媒 体的k 时间反复报道其负面后果；其作业许可会受到该地域政策的限制， 并可能引发群众性集会抗议 4 国内影响事故后果受到国内民众的强烈关注及普遍指责，国内各大媒体争相报道、 批评、指责，受到国家取消其作业许可处罚，引起全国各地的环境保护组 织集会、游行及抗议 5国际影响事故后果引起国际性的影响和全球性的关注，国际各大媒体反复报道其破 坏后果，甚至国际环保组织或联合国组织相关人员重新对该区域的本行业 进行技术性安全性评估 2 3 煤层气钻井工程项目风险因素分析 根据煤层气欠平衡钻井作业的工程特点以及风险的构成要素，现将沁水盆地地区煤 层气欠平衡钻井作业风险评估a 分为钻井事故的易发性指标( 本文用b l 表示) 和事故 后果严重度指标( 本文用b 2 表示) 两个指标体系，其层次结构图如图2 1 所示。 煤层气欠平衡钻井 风险评估体系a 钻井事故易发性指标b l 钻井事故后果严蕈度指标b 2 图2 - 1 风险指标体系分类图 f i 9 2 - 1r i s ki n d e xc l a s s i f i c a t i o nf i g u r e 其中钻井事故的易发性指标b 1 ( 也可称为成因性指标) 又可分为储层因素( 用c 1 表示) 、工程施工因素( 用c 2 表示) 、工程管理因素( 用c 3 表示) 以及安全措施资金因 素( 用c 4 表示) ；事故后果严重度指标b 2 主要包括各类事故严重度( 用c 5 表示) 、人身 伤亡严重度( 用c 6 表示) 以及事故应急能力( 用c 7 表示) 三个因素。因此整个煤层气 欠平衡钻井风险评估体系共包含c l c 7 共七个子风险因素，根据沁水盆地地区煤层气欠 平衡钻井的实际情况每个子冈素下面又分别包含诸多子因素，本文详细讨论并研究了 d l d 2 4 共2 4 个子凶素，也就是通过这2 4 个子因素来分析煤层气欠平衡钻井作业的风险 等级，评估体系的风险因素构成如图2 2 所示【2 0 】。 9 第2 章沁水盆地欠_ 甲衡钻井风险因素识别 ，、 i 煤层气欠平衡钻井风 l 险评估指标体系a 1 r 、厂 1 、 层 事故易发性指标b -事故后果严重度指标b 2 二层 r ，储层、 厂工程施工、 7 工程管理、7 安全措施、倍类事故厂人身财产赞 f ，事故j 赶急、 i 凶f f z cji 因素c 2凼素oj资金因素c 4 i 重程度c ，ii 失严蕈度c 6 l 能力c ， 00 ii j 1 一 上 士孵上士 上上上上 _ l 一 i一上上 l 煤有 壁井 固 工 作 作人 层害 稳液 井 底 安设 业 设 欠井 环 业业均 地 气质 负 伞备卫劳 备乎卜境 人 人经 质体 定性 量 压 教维生保 事衡事污 员 员 济 性 能 差 育护技用 故失故染 密 素损 d l d d 5 败 度 质失 d 3d 4隗 培保术 i 一l 训养措费 重 重重 d 1 9 d d 2 l 费费施 d 1 4 程 霞程程 层 銎嘉 h s e d 1 1d 1 2 费 度 度度度 管 操 d i ，d 1 6d 1 7d 1 0圹南甫 誓 囊 理 作 d 1 3 护护护 体 规 人装响 量 鍪 系 程 员备j 直 d 1 0 素水速 d 9 质 p 度 d 矗d d m 、l k 图2 - 2 评估体系风险因素层次结构图 t h b l e 2 - 2h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fr i s kf a c t o r s 以下将结合沁水盆地地区的相关地质参数以及实际情况对图2 - 2 中所提到的2 4 个 子因素进行具体分析。 1 煤层气钻井作业风险评估成因性指标体系 ( 1 ) 储层因素c l 储层因素是进行欠平衡钻井需要首要分析的因素。主要基于两个方面的因素：煤层 地质因素d l 以及煤层含有害气体因素d 2 。 1 ) 煤层地质因素d l 煤层的地质因素是不容忽视的，因为钻井采用的是欠平衡钻井，井底的压力低于煤 层的孔隙压力，而煤层与其他岩石储层不同，煤层具有高吸附性、低渗透性，而且容易 受到压缩而破碎，因此在钻井过程中容易发生井壁坍塌等事故，甚至导致井眼报废。因 此钻井前对煤层的地质情况需要进行详细分析，掌握其地质构造以及复杂程度等【2 。 2 ) 有害气体因素d 2 而煤层中的有毒有害气体也是必须考虑的风险因素，主要有害气体是硫化氢气体， 在煤藏中，h 2 s 大部分为气态，与甲烷等其他气体混合存在于煤层孔隙中，还有少量的 h 2 s 气体能够溶解在煤层的水中，以溶解的形式存在。硫化氢气体是一种剧毒、易燃且 1 0 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 有臭鸡蛋气味的无色酸性气体，其密度大于空气，空气中爆炸极限为4 3 - - 4 5 ，燃烧 后产生有毒气体二氧化硫，同样对人体产生伤害。当空气中的硫化氢气体体积分数大于 1 0 x 1 0 击时会引起人体不适，当气体分数超过2 0 1 0 击时会造成人体中毒。因为采用欠平 衡钻井，煤层中的流体会流入到井筒中，继而伴随钻井液返回到地面，如果流体中含有 有毒有害气体( 主要是硫化氢) ，有害气体会伴随钻井液一起返回到地面，从而对地面 工作人员以及附近人员造成伤害。同时溢出的硫化氢气体还会污染环境，对循环钻井液 也有一定的污染程度。根据沁水盆地地区煤层中含硫情况，对该地区煤藏可按以下标准 划分【2 2 1 ： 表2 - 5 含硫煤层划分 t a b l e2 5t h ec l a s s i f i c a t i o no f s u l f u r o u sc o a l 硫化氢体积分数类别 5 0 0 0 0 1 0 - 6 无硫油气藏 低含硫油气藏 含硫油气藏 中含硫油气藏 高含硫油气藏 ( 2 ) 工程施工因素c 2 工程施工因素也是钻井过程中一个重大风险因素，该因素包含众多方面，例如技术 层面的，参数选择方面等等。本文主要总结了四个方面的因素：井壁稳定性因素d 3 、 钻井液性能d 4 、固井质量d 5 以及井底负压差的控制d 6 。 1 ) 井壁稳定性因素d 3 煤层与其他储层不同，煤层具有高吸附性、低渗透性，而且容易受到压缩而破碎， 因此在钻井过程中容易发生井壁坍塌等事故，甚至导致井眼报废。即在对煤层进行欠平 衡钻井过程中，井壁稳定性始终是一个关键的问题。处于地层深处的煤岩，在未进行钻 井之前，地下的煤岩层处于应力平衡状态，但是当煤层被钻开之后，井内钻井液液柱压 力对井壁的支撑作用，取代了原来煤岩对井壁的支撑，从而打破了地层原有的平衡压力， 引起井眼周围应力的重新分布。而欠平衡钻井过程井筒内的液柱压力是相对较低的，很 难对井壁起到足够的支撑作用，加之煤层较高的脆硬性，一旦井壁周围煤岩所受应力超 过煤岩本身的应力强度，就会产生剪切破坏，以致脆性的煤层便会发生坍塌，造成钻井 失败。因此，井壁的稳定性是一个不容忽视的风险因素，一定要将其综合详细的考虑1 2 3 1 。 2 ) 钻井液性能d 4 钻井液足欠平衡钻井的一项重要环节，因为钻井液的参数选择直接关系到井下压力 第2 章沁水盆地欠平衡钻井风险因素识别 的控制。钻井液的参数主要包括密度、酸碱度以及固液气三相的比例等等。早期的欠平 衡钻井采用的钻井液介质为空气，在钻进过程中，地层中的流体包括一些可燃性的气体 会侵入到井内的循环介质中，这种情况下可燃性的气体会与空气混合，从而出现了发生 火灾爆炸的可能性。后来随着技术的发展采用了氮气、天然气、泡沫和充气作为钻井液。 也就是我们常说的氮气钻井、天然气钻井、泡沫钻井和充气钻井。随着钻井现场所使用 的轻便型制氮设备的工业化生产，氮气钻井得到了广泛的运用。 钻井液的性能也主要通过其各项参数来衡量，就其密度来说，密度必须符合工程的 实际需要，要根据所钻地层的地层压力、孔隙压力以及钻井液的流变参数加以确定。如 果密度过低，造成欠平衡过量，井底压力过低，很容易会发生井壁坍塌，造成钻井失败； 如果钻井液密度过高，造成欠平衡失效，便失去了欠平衡的作用。在流变参数中，动塑 比( 动切力与塑性粘度之比值) 也是一个关键的参数，它反映了钻井液中结构强度和塑 性粘度的比例关系，它决定钻井液在环空中的流态，与钻井液携带岩屑