（安全技术及工程专业论文）基于过程知识管理的起下钻作业风险评价研究.pdf

r i s ka s s e s s m e n t0 1 1t r i p p i n go p e r a t i o nb a s e do n p r o c e s s - k n o w l e d g em a n a g e m e n t w a n g y 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 ya s s o c i a t ep r o f z h a n gj i n - z h o n g a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m sa tr a i s i n gt h el e v e lo fr i s km a n a g e m e n tt oa v o i da c c i d e n t st h r o u g h i n t r o d u c i n gt h ep r o c e s s k n o w l e d g em a n a g e m e n t ( p k m ) i n t oe v a l u a t i o no ft h er i s ko fd r i l l i n g o p e r a t i o n s p a p e rd i s c u s s e so nt h ei d e n t i f i c a t i o na n dc o n t r o lo ft h ed r i l l i n go p e r a t i o nh a r m f u l f a c t o r sm a i n l yo nt h es t a g eo ft r i p p i n go p e r a t i o n 、t h ee s t a b l i s h m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no f p r o p e rr i s ka s s e s s m e n tm o d e l 、t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o m p r e h e n s i v ed a t a b a s ea n dt h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h er i s ka s s e s s m e n ts o f t w a r es y s t e mb a s e do nt h ep k m f i r s t t h em e a n i n ga n db a c k g r o u n do ft h ea s s e s s m e n ts y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fs a f e t ya s s e s s m e n t 、o i la n dg a sd r i l l i n gp r o j e c ta n dk n o w l e d g em a n a g e m e n t s y s t e mb e i n go u t l i n e da n dt h e nt h ep r o c e s so fd r i l l i n go p e r a t i o n sa n dp o s s i b l ei n c i d e n t sa r e a n a l y z e di nd e t a i l e da n dt h ee x i s t i n gr i s kf a c t o r s 、h a z a r d o u sa n da c c i d e n t sa l ei d e n t i f i e d t h r o u g ht h ea s s o c i a t i n gc h a r ta n a l y s i s s e v e r a le v a l u a t i o nm e t h o d sa p p l i c a b l et ot h ed r i l l i n g o p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nd e t e r m i n e da n da p p l i e di nd e t a i l sb a s e do nt h es t u d yo ft h es a f e t y e v a l u a t i o nm e t h o d s t h r o u g hr e s e a r c h , t h em a i nr e a s o n sf o rt h ea c c i d e n t sa n df a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et r i p p i n ga r ei d e n t i f i e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n c r e t er i s ka s s e s s m e n t s y s t e ms o f h a r eh a sb e e np r e p a r e d t h ew h o l ed r i l l i n gr i s ka s s e s s m e n ts y s t e mi sm a d eu po f t h ee v a l u a t i o ns y s t e mo ft h ep r o c e s so fp r e p a r a t i o nb e f o r ed r i l l i n g 、d r i l l i n g 、t r i p p i n ga n ds oo n a n di n t e g r a t e dd a t a b a s ec o m p o n e n t w i t ht h ee x p r e s s i o no fk n o w l e d g eb yp r o d u c t i o nr u l e s a n dt h ei n t r o d u c t i o no fa p r e c i s em e t h o do fr e a s o n i n g ，t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fav a r i e t yo f e v a l u a t i o nm e t h o d s ，t h e e x i s t i n ge m p i r i c a lk n o w l e d g e i s e x c h a n g e di n t o as y s t e m a t i c k n o w l e d g ei nt h ek n o w l e d g eb a s e a f t e ras e q u e n t i a lr e a s o n i n gm e c h a n i s m ，t h ei n i t i a l i n f o r m a t i o nw h i c hu s e r si n p u ta n dt h eu s a g eo fk n o w l e d g ei nt h ek n o w l e d g eb a s e ，r e a s o n a b l e r e s u l t sa r er e a s o n e d t h em a i ns y s t e mf u n c t i o n so ft h i ss o f t w a r ea l er e a l i z e d 、析t 1 1v i s u a l b a s i c f i n a l l y ，o b j e c t i v e ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n st ot h es y s t e ma r eg i v e n k e yw o r d s ：r i s ka s s e s s m e n t ，p r o c e s s - k n o w l e d g em a n a g e m e n t ，t r i p p i n go p e r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：王 主莹日期：矽口辟岁月叩日 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：呈整 指导教师签名： 1 日期：俳岁月即日 日期：2 矽乎r 年，月2 d 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题选题的依据及研究意义 在石油天然气工业中，钻井占据了重要的位置。勘探、开发石油和天然气等埋藏在 地下的资源，钻井是必需采用的手段【i 】。为了找到石油和天然气，首先要寻找有可能储 存石油和天然气的地质构造，要钻地质井、基准井、制图井、构造井等。在地质普查之 后是区域勘探阶段，此时任务就是确定前一阶段所找到的地质构造中是否含有具有工业 开采价值的油、气流，并研究其油层性质、含油气情况、面积、储量等，为此需钻凿预 探井、详探井、边探井等。当决定对某一油区进行开发时，更需要钻井，如生产井、注 水井、估价井、观察井等【2 】。所以，从寻找油、气到生产出油、气的各个环节都离不开 钻井作业。尽管各阶段所钻井的名称、用途、直径大小以及深度各不相同，其钻井过程 却是相似的。 特别是在油气勘探开发中，钻井更是必不可少的基本环节，且其具有资金和技术密 集型工程特征。迈进2 1 世纪，我国地下油气资源的可持续利用问题更加突出，在技术、 成本及环保等方面对油气钻井提出了更高的要求，也使钻井科技工作者面临许多新的挑 战和技术难题，需要认真规划、研究与解决。在钻井工程中，地下的地质环境不仅复杂 多变，而且具有一定的隐蔽性，需要长期进行探索，找到切实有效的风险预测方法。同 时，井下钻井系统受狭长井眼的约束及恶劣工况的影响，其技术性能很难适应各种井况 的要求，需要在机械、测量与控制等方面对系统进行不断的改进或革新。对复杂钻井问 题，目前的研究与技术现状，仍缺少深入的科学认识及有效或高效的技术手段，从而极 大地影响了复杂钻井的速度和效益，甚至造成巨大的损失1 3 j 。 石油天然气钻井作业是高投入、高风险和高技术水平的特殊作业，存在各种各样的 风险。钻井作业包括整个一口井的钻井活动，即修建井场、安装钻机设备、钻进施工、 下套管固井、测井、试油完井等一系列作业。由于钻井工艺和场所的特殊性，在钻井的 不同阶段和环节中，均存在对人员身体健康、人员与设备安全和生态环境等不同程度和 不同形式的影响和危害，即形式各异的风斛1 1 。而对钻井过程风险评价的目的是查找、 分析和预测钻井工程系统存在的危险、有害因素及可能导致的危害后果及损害程度，提 出合理可行的安全对策措施，指导危险源监控和事故预防，以达到最低事故率、最少损 失和最优的安全投资效益。 对钻井作业过程进行风险评价，有利于防范和削减钻井作业中的各种风险，充分体 第一章绪论 现“以人为本、预防为主、防治结合、持续改进 的原则。 在钻井作业推行风险评价和风险管理体系，其意义在于： ( 1 ) 减少事故的发生，降低钻井作业的风险。 通过贯彻执行风险管理体系，增强员工对安全事故和环境污染事故的预防意识，努 力避免事故的发生。另外，当事故发生时，也可以通过有效的控制和处理，将影响和损 失降低到最低限度。 ( 2 ) 减少作业成本，节约能源。 钻井行业是高风险的行业，一旦发生重大事故，如发生井喷失控，会造成人员伤亡、 钻机设备毁坏、环境污染，其损失和影响是无法估量的。风险管理体系摒弃了传统的事 后管理与处理的方式，采取风险评价和积极的预防措施，对钻井生产实行整体控制。这 样可以大量节约用于安全事故处理的资金和设备，节约能源，降低钻井作业的成本，从 而提高经济效益。 ( 3 ) 提高钻井行业的管理水平。 推行风险管理体系，可以帮助钻井队规范管理，加强安全培训，提高安全意识。通 过引进新的监测、评价等管理技术，加强审核，健全管理机制，提高管理质量和水平【。 目前国内外风险评价的方法随着科技的进步有了长足的发展，已研究开发出几十种 安全评价方法和商业化的安全评价软件包，但由于安全评价涉及的相关领域众多，并且 安全评价指标及其权值的选取与生产技术水平、安全管理水平、管理者的素质等因素密 切相关，现有的各种评价方法都有一定的适用范围和限度【 】。风险评价在钻井行业中 占有重要地位，然而到目前为止，实际工作中还没有合适且有效的评价方法来应用，因 此，为满足钻井生产的迫切需要和准确方便的进行钻井过程的风险评价，必须建立一套 智能的风险评价系统即专门应用于钻井过程的评价软件，进而分析钻井系统发生故障或 易出事故的原因，找出薄弱环节，在生产中加以预防，来避免事故的发生。因此本课题 的研究将具有十分重要的意义。 1 2 安全评价研究与发展概况 1 2 1 国外安全评价概况 安全评价技术在2 0 世纪6 0 年代得到很大的发展，最先用于美国军事工业f 2 】。1 9 6 4 年美国道( d o w ) 化学公司根据化工生产的特点，首先开发出著名的“火灾、爆炸危险 指数评价法”，用于对化工装置进行安全评价，现已发展到第七版【蜘，由于该评价方法 日趋科学、合理，在世界工业界得到一定的应用，引起各国的广泛研究和探讨，推动了 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 评价方法的发展。1 9 7 4 年英国帝国化学公司( i c i ) 蒙德( m o n d ) 部在道化学公司评价 方法的基础上提出了“蒙德火灾、爆炸、毒性指标评价法”；1 9 7 4 年美国原子能委员会在 没有核电站事故先例的情况下，应用系统安全工程分析方法，提出了著名的核电站风 险报告( w a s h 1 4 0 0 ) ，并被后来发生的事故所证实；1 9 7 6 年日本劳动省颁布了“化工 厂安全评价六阶段法，1 8 - 1 0 】，该法采用了一整套系统安全工程的综合分析和评价方法，使 化工厂的安全性在规划、设计阶段就能得到充分的保证。近期的国外资料中出现的用于 钻井风险评价的过程知识管理系统( p r o c e s s k n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e m ) 是比较先 进的管理体系。这种管理体系用于监测天然气水合物环境下的钻井过程，可以辨识潜在 的矿井风险( 井控、钻孔稳定性和井口完整性) ，并且能基于钻井参数和井况而改变控 制措施。 在世界各国，安全评价工作也越来越普及和专业化，美国、加拿大等国就有5 0 多 家专门从事安全评价的“安全评价咨询公司”。当前，大多数工业发达国家已将安全评价 作为工厂设计和选址、工艺过程系统设计、制定事故预防措施及应急计划的重要依据。 近年来，为了适应安全评价的需要，世界各国还开发了包括危险辨识、事故后果模型、 事故频率分析、综合危险定量分析等内容的商用化安全评价计算机软件包1 2 。1 4 1 。 1 2 2 国内安全评价现状 石油系统工程分布范围广，“采集输储炼”连续运行，由此发生的事故具有突发性、 广泛性、连锁性及严重性的特点，灾情一旦发生，造成的损失和不良影响极大。 为加强陆上石油和天然气开采业生产经营单位新建、改建、扩建工程项目安全设施 “三同时”及安全生产管理工作，提高陆上油气开采的本质安全程度和管理水平，减少 和控制油气开采中的危险有害因素，降低开采风险，预防事故发生，保护企业的财产安 全及人员的健康和生命安全，2 0 0 3 年8 月8 日国家安全生产监督管理局编制印发了陆 上石油和天然气开采业安全评价导则。 许多国有石油化工企业出于对安全生产的高度重视，建立了自成体系的安全评价机 构，并在实践中积累了许多有益的经验。许多企业通过开展安全预评价及安全现状评价， 逐步认识到安全评价“预知事故”和“构筑防线的重要作用，进一步提高了生产管理 水平，实现了生产和安全同步发展，使企业的安全生产工作真正转移到“预防为主的 轨道上。安全评价是石油系统安全生产领域的新兴事物，目前如何有效的开展安全评价， 解决发展过程中存在的不足，已成为油田安全生产发展的关键【2 l 。 由于没有现成的评价方法可以直接应用于油田生产，评价方法的选择和根据行业特 第一章绪论 点灵活的应用评价方法也成为目前油田安全评价的难题。每种评价方法都有一定的适用 范围和限度【2 1 ，比如定性评价方法主要依靠经验判断，不同类型评价对象的评价结果没 有可比性；美国道化学公司开发的火灾、爆炸危险指数评价法，主要用于评价规划和运 行的石油、化工生产经营单位生产、贮存装置的火灾、爆炸危险性，该方法在指标选取 和参数确定等方面还存在缺陷；概率风险评价方法以人机系统可靠性分析为基础，要求 具备评价对象的元部件和子系统以及人的可靠性数据库和相关的事故后果伤害模型；定 量安全评价方法还需进一步研究各类事故后果模型、事故经济损失评价方法、事故对生 态环境影响评价方法、人的行为安全性评价方法，以及不同行业可接受的风险标准等。 因此需要在吸纳现有评价方法精髓的同时，根据行业特点，进行一定的修改、综合与完 善，找到适合于本行业的安全评价方法。 1 2 3 安全评价系统软件的发展概述 安全评价技术在国外属于系统安全工程领域。系统安全工程是采用系统工程方法， 识别、分析、评价系统中的危险，调整工艺、设备、控制、操作、管理、生产周期和投 资等因素，使系统可能发生的事故减至最小并达到安全状态的科学方法和技术。到目前 为止，安全评价技术经历了3 个发展阶段【1 5 】：大致分为2 0 世纪7 0 至8 0 年代人工安全 评价阶段、9 0 年代计算机辅助安全评价阶段和9 0 年代后期计算机辅助与定性、定量动 态仿真结合的安全评价阶段。由于人工进行安全评价在方法上无统一的模式，而且评价 本身是一个创造性很强的工作，因此人工评价存在着难于克服的缺点，主要表现为：人 工评价即使有专家参与也难免漏评不少事故或危险；对于比较复杂的生产过程，口头讨 论的评价方式不严格，常出现概念上的混乱；人工评价费时、费力、成本高；人工评价 得出的分析结果文件和说明事后很难看懂。随着计算机技术的普及，技术发达国家从上 世纪7 0 年后期就开始致力于采用计算机辅助危险识别。2 0 多年来，基于计算机的危险 识别和分析方法取得了许多成果，现简述如下： 早期的计算机辅助方法在安全分析方法上没有突破，主要用于辅助人工分析方法， 用计算机程序生成危险和可操作性分析( h a z a r da n do p e r a b i l i t ys t u d y ，h a z o p ) 的结果说明文本。例如，c a f o s 就是这类软件，它可以产生关于h a z o p 的文字说明， 采用了广泛使用的文字处理技术。基于微型机的软件有s a n d o e ，h a z o p p c 等商品化 软件，可以用于工业危险分析，采用h a z o p 方法进行分析时，软件可记录分析结果， 软件具备语句文字处理能力，还能编辑检查表及计算风险值。2 0 世纪7 0 年代的软件开 发比较成功的方面是计算机辅助绘制故障树和编辑故障树，但是没有任何智能化的自动 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 建立故障树模型的功能。8 0 年代后期人工智能技术得到迅速发展。将专家系统引入故障 树计算机辅助构建方面产生了前景。1 9 9 2 年由意大利、丹麦和芬兰三国合作开发的 s t a r s 计划采用专家系统自动建立故障树和事件树。将专家系统用于辅助危险识别方面 的另外一大领域是自动实现危险与可操作性分析。s h i m a d a 等开发了一个专家系统用于 h a z o p 。该系统由4 个知识库和1 个推理机组成。知识库中存储有工厂工艺流程结构、 工厂参数说明、化学物质说明和工厂部件的特性及h a z o p 的关键词等专家系统的知识。 如果该专家系统输入了一个关键词或指令，推理机就会从知识库查询后果并得出结论。 相似的系统还有h a z e xp e r t ，p s a i s ，h a z o p e x 在安全评价和危险识别领域目前 应用最多的是商品化的专家系统“外壳”g 2 ，它是g e n s y m 公司的产品，该软件具有清晰 的知识库结构、强大且实时的推理机，为用户提供了一个理想的专家系统支撑平台【1 6 1 。 随着微型机的计算能力、容量和多媒体功能日新月异，特别是大众化的w i n d o w s9 5 推出以后，使得2 0 世纪9 0 年代后期计算机仿真技术，尤其是动态仿真技术和计算流体 动力学技术走进了大众化的工程技术应用，取得了突破性进展。其中著名的计算流体力 学商品化软件是英国a e a 公司的c f x - 4 多相流、燃烧化学反应软件、c f x 5 复杂几何 内外流传热软件及c f x t a s cf l o w 旋转机械、燃烧、多相流软件。在此基础上，壳牌 石油公司推出了p i p e s 管道危险和风险评估软件、s c o p e 气体泄漏爆炸预测软件和p r t 过程系统厂区危险评估软件。另外，在国外依据过程知识管理系统发展的典型样机已 经出现，这个系统的建立，证明了工程仿真可以和综合考虑各种不确定因素的专家系统 互相结合，共同发展。 1 2 4 安全评价方法的分类 ( 1 ) 安全评价的定性方法 这类方法主要是根据经验和判断力对生产系统的工艺、设备、环境、人员、管理等 方面的状况进行定性的评价。属于这类评价的方法主要有安全检查表、预先危险性分析、 故障类型和影响分析以及危险与可操作性研究方法等【销】。 ( 2 ) 安全评价的定量方法 安全评价的定量方法有两大类：指数评价法和概率评价法。 指数评价法 指数评价法以系统中的危险物质和工艺为评价对象，指数值的确定同时包括事故频 率和事故后果两个方面的因素，目前在石油、化工等领域得到应用。美国d o w 化学公 司的火灾爆炸指数法、英国帝国化学公司蒙特法、日本的六阶级安全评价法、化工厂危 第一章绪论 险程度分级法等均属于指数评价方法。 概率评价法 概率评价法是根据元部件或子系统的事故发生概率，求整个系统的事故发生概率。 目前，这种方法在系统结构简单、相同元件的基础数据相互借鉴性强的领域得到了广泛 应用。事件树和事故树分析法等属于这种方法。 ( 3 ) 定性与定量相结合的安全评价方法【2 】 实际上，安全评价方法定性或定量的区分并不是绝对的，除少数评价方法只能作定 性评价或只能作定量评价外，大部分安全评价方法都既可作定性评价又可作定量评价。 1 2 5 安全评价的程序 安全评价包括危险性确认和危险性评价两部分，如图所示。为了评价比较，对于危 险性的大小要尽量给出定量的概念。当然，若能够明确事故发生的概率大小及损失严重 程度，则可以进行定量安全评价。危险性确认的另一个方面就是要对危险进行反复校核， 看看还有什么新的危险以及在系统运行过程危险性会有什么变化。为了衡量危险性，产 生了公认的安全指标。把反复校验过的危险性定量结果和安全指标进行比较，界限值以 内即认为是安全的，界限值以外必须采取措施，然后根据反馈信息进行再评价。 安全评价 士 士 危险性确认 危险性评价 +0士 危险的查出危险的定量化危险排除允许界限 ( 检查)( 确认)( 确认) ( 评价标准) 1 新的危险1 发生的概率l 使危险变小 社会对危险性 2 危险的变化 2 损害程度2 消除危险的允许界限 tu 再评价一t 图i - i 安全评价程序 f i g l 一1 s a f e t ) ，a s s e s s m e n tp r o c e e d i n g 1 3 知识管理系统发展概况 随着企业信息系统建设的不断深入，各企业对信息的收集、传输、存储的能力不断 提高，但绝大多数管理信息系统对于信息利用和处理的程度还很有限【1 7 1 。知识的创新和 应用使企业在竞争中不断发展，并创造巨大财富。越来越多的企业开始认识到知识管理 的意义，并开始探索建立实现知识管理的平台知识管理系统。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 知识管理是企业对其所拥有的知识资源进行管理的过程，帮助企业解决知识共享和 再利用的问题。从如何识别、获取、开发、分解、储存到传递知识，知识管理的目标是 使每个员工在最大限度地贡献出其积累的知识的同时，也能享用他人的知识，系统能够 提供丰富的学习功能并实现知识共享，确保每一个员工都能随时根据需要向现有知识学 习，从而大大提高企业的整体创新和应变能力。例如，对危险有害因素的识别和处理经 过标准化和规范化后，以知识的形式积累下来，必将有助于日后的事故预n t l 8 1 。 知识管理是一个系统工程，目标是帮助企业发现作业过程潜在知识、定位拥有专门 知识的人、传递知识和有效利用知识。知识管理意味着在恰当的时间，将正确的知识传 给正确的人，使他们采取最适合的行动，避免重复错误和重复工作。知识管理关注的是 如何获取、组织、利用和传播散在系统和人们头脑中的知识。 现有的知识管理解决方案全部统一到“人、设备和环境这些评价系统核心要素的 主题下，为构建知识管理的评价系统提供强有力的帮助，使系统能够将晟恰当的知识在 最恰当的时候传递给最恰当的人，以便使他们做出最好的决策、取得最佳的行动效果u 9 1 。 1 4 课题的研究目标、研究内容 本课题研究的目标是对基于过程知识管理系统的钻井作业过程安全评价系统软件 的研制，该软件可以根据使用者要达到的目标，对钻井作业总体过程主要是起下钻过程 进行评价，得出合理的评价结论，体现智能化的特点。 本课题的研究内容是： ( 1 ) 对钻井过程各工艺阶段进行分析，整理相关工程、系统的技术材料，并对油田钻 井事故和故障发生原因及统计数据进行整理和研究。 ( 2 ) 识别和分析钻井过程各阶段危险有害因素及其影响。 ( 3 ) 对钻井过程各阶段进行风险评价，建立合适的评价模型，并进行评价系统总体结 构设计。 ( 4 ) 建立钻井过程综合数据库和起下钻子系统数据库。 ( 5 ) 基于过程知识管理系统( p 1 似s ) 的评价系统的软件编制。 7 第二章油气钻井工程概述 第二章油气钻井工程概述 石油及天然气在世界能源构成中占有十分重要的地位，而石油、天然气勘探、开发 的各个阶段都离不开钻井。我国钻井工程在2 0 世纪8 0 年代有了长足发展，研究和开发 了一系列配套的先进钻井技术和实用钻井方法，如喷射钻井、平衡压力钻井、优选参数 钻井、定向钻井及丛式钻井技术，在各地区应用后取得巨大的社会经济效益【2 0 】。 2 1 钻井工艺过程 2 1 1 钻前准备 开钻以前的准备工作主要指： 1 ) 平井场，打水泥基础。 2 ) 钻井设备的搬迁和安装。 3 ) 井口准备工作即打导管和钻鼠洞。 4 ) 备足钻井所需各种器材，如钻杆、钻铤、钻头及钻井泵等必要的配件。 2 1 2 钻进 钻进时用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头的刃部吃入岩石中。钻头上接 钻柱，用钻柱带动钻头旋转以破碎井底岩石，井就会逐渐加深。一口井从开钻到完钻， 实质上是如下三个过程：一是破碎岩石；二是取出井底岩屑，保护好井壁，以便继续钻进； 三是加固己钻成井眼的井壁，避免坍塌以形成油流通道。 2 1 2 1 全井钻进过程 1 ) 第一次开钻，下表层套管； 2 ) 第二次开钻，从表层套管内，用小一些的钻头往下钻进，如地层情况不复杂， 可直接钻到预定井深完井。若遇到了复杂地层，用泥浆难以控制时，便要起钻下技术套 管( 中间套管) ； 3 ) 第三次开钻，从技术套管内用更小一些的钻头往下继续钻进。依上述同样道理， 或钻达预定井深，或再下第二层技术套管，再进行第四次，第五次开钻，最后钻至完全 井深，下油层套管，进行固井完井作业。 2 1 2 2 钻进作业 钻进，概括起来可包括如下几道工序： ( 1 ) 下钻将由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻杆下入井中，使钻头接触井底，准备 钻进。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 下钻包括下述操作： 1 ) 挂吊卡，以高速档提升空吊卡至一立根高度； 2 ) 二层台处扣吊卡，将立根稍提移至井中心，对扣； 3 ) 用大钳上扣和紧扣； 4 ) 稍提钻柱，移出吊卡； 5 ) 用机械刹车和水刹车控制下放速度，将钻柱下放一立根距离； 6 ) 借助吊卡将钻柱轻轻座在转盘上，从吊卡上脱开吊环。再去挂吊卡，重复上述 操作，直至下完全立根，接上方钻杆准备钻进； ( 2 ) i e 常钻进启动转盘通过钻杆带动井底施转，借用手刹车，给钻头施加适当的 压力以破碎岩石。与此同时，开动泥浆泵循环泥浆，冲洗井底，携出岩屑，保护井壁， 冷却钻具。要根据不同的地层情况、钻进深度、钻头类型等，使转速、钻压、排量和泥 浆性能都处于各自最佳参数值，才能获得最快的钻进速度。 接单根随着正常钻进的继续进行，并眼不断加深，需不断地接长钻杆柱；每次 接入一根钻柱，此作业称为接单根。 ( 3 ) 起钻当钻头工作一段时间后便磨损不能再用，需要更换新钻头，为此，要将 井中钻柱全部取出，此称起钻作业。起钻包括以下操作： 1 ) 上提钻柱至方钻杆全露，并将钻柱座在转盘上； 2 ) 旋下方钻杆，将方钻杆及水龙头置大鼠洞中； 3 ) 提升钻柱至一立根高度，并让钻柱座在转盘上； 4 ) 用大钳崩扣； 5 ) 上钳卡住公接头，转盘正转卸扣； 6 ) 移立根入钻杆盒和二层台指梁中，摘开吊卡； 刀下放空吊卡至井口； 起下一立根时要重复上述操作步骤，每一立根构成一个起钻操作循环。 ( 4 ) 换钻头起钻最后将钻头提出井口，用专用工具卸下旧钻头，换上新钻头。 换完钻头，便又开始下钻，重复上述作业。下钻一正常钻进一接单根一起钻一换钻 头一下钻，构成正常钻进作业的大循环，重复不已，直至钻达预定井深。 浅井地层软的情况下，不存在起下钻头问题，钻进的辅助时间主要消耗在接单根上。 技术人员更多想到的是使接单根操作机械化，安全省力，以缩短辅助操作时间，减轻工 人的劳动强度，改善操作条件。 9 第二章油气钻井工程概述 在深井，特别是超深井钻进中，地层越来越难钻，一只钻头进尺有时不到半米，四、 五千米甚至八、九千米的钻杆柱每起下一次，要费几十个小时，井越深，起下钻换钻头 愈频繁。钻进生产的辅助操作时间主要消耗在起下钻作业上，纯钻进时间所占比重越来 越小。为此除了在钻头及钻进技术措施上下功夫外，技术人员更应想到如何使起下钻操 作机械化【2 。 2 1 3 测井 测井是伴随着钻进过程进行的作业，是确定和评价油、气层的重要手段并可解决油 井生产过程中的问题。按照油田的勘探和开发生产两大阶段可将测井分为裸眼测井和生 产测井。裸眼测井是指钻进过程中和钻到设计井深所进行的测井项目；生产测井是指下 套管后所进行的测井项刚2 1 。 2 1 4 固井与完井 当钻穿油、气层达到了预定井深时，钻进阶段即告结束。接下来就要进行油井的加 固和完井，即固井与完井。 2 2 机械钻速的影响因素 机械钻速指的是纯钻进时每小时进尺数。影响钻进速度的因素很多，除了钻头类型， 水力功率的利用外，主要是钻压、转速、排量和泥浆性能。 2 2 1 钻压、钻速和排量对机械转速的影响 ( 1 ) 钻压作用在钻头上的压力简称“钻压，以吨计。钻压大小是由司钻通过控制 钻具悬重而调节的，由安装在钻台上的指重表显示出来。 一般说来，钻速是随钻压增大而加快的，但钻压提高也受到了钻头质量、洗井液条 件、设备动力、地层软硬程度等因素的限制。 ( 2 ) 转速指钻头转速，对转盘而言，即转盘转速，r r a i n 。 机械钻速随转速提高基本上成比例地提高，特别是在浅井软地层。 ( 3 ) 泥浆排量指泥浆泵每秒钟排出泥浆的数量。 井底岩屑未被及时冲洗干净时，增大排量可使钻速随之提高，当排量大到足以洗净 井底、并携带岩屑返回地面时，再增大排量对钻速的影响便不显著了。 ( 4 ) 钻压、转速和排量的配合 综合考虑钻压、转速和排量对钻速的影响，三者配合的基本原则是： 软地层，刮刀、大排量、高转速、适当钻压，排量是主要影响因素。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 中深井段，较硬地层，牙轮钻头、高钻压、适当排量、较低转速，钻压是主要影响 因素阎。 2 2 2 泥浆性能对机械钻速的影响 泥浆，被称为钻井的血液。在钻进过程中它起着冲洗井底，携带岩屑，保护井壁， 冷却钻头和平衡地层压力等方面的作用。 泥浆性能通常用比重、粘度和切力表示。 ( 1 ) 比重比重越大，井中液柱对岩石的压力加大，岩石愈被压紧，愈难以破碎，致 使机械钻速下降。 ( 2 ) 粘度和切力粘度和切力增大时，清洗井底的能力减弱，显然会使钻速减慢。 除上述外，泥浆中固相物质含量少或泥浆中含少量原油都能提高机械钻速。 2 3 目前钻井技术存在的问题 钻井地质条件复杂多变，所钻井身穿越地层的地质和油藏参数、所钻井身的工程和 井眼参数等实时随钻信息往往是不精确的、模糊的、不确定的、非数值化的，对这些信 息的实时分析、处理与解释目前尚缺乏适当的数据处理方法和技术。另外，石油钻井的 经验和知识主要积蓄在有实践经验的专家和工程技术人员头脑中，是一个个单体，没有 形成体系，也没有充分发挥其应有的作用，鉴于钻井跨地域野外作业的环境，组织各方 专家亲临现场进行决策指导极为不便【1 7 1 。 2 4 钻井发展趋势 钻井工程事故在钻井施工中有随时发生的可能性，是威胁钻井安全的最大隐患，必 须不断研究和提高钻井整体技术和装备水平，尤其是随钻实时监测系统和智能化钻井系 统的研究，需要不断加强。 随钻实时监测系统首先是应用综合录井仪进行随钻录井，实时录取钻井工程多项参 数，再将这些数据曲线变化的状态输入计算机进行智能分析，从而及时综合分析、判断 钻井工程参数的异常变化，做出工程异常预报，使作业人员及时采取措旖，以避免工程 事故的发生和事故的进一步恶化【2 3 】。 井下智能化钻井系统一般由执行机构、随钻测量系统及控制系统组成。在钻进过程 中，执行机构的动作应根据控制系统的指令来完成，而指令则根据设计井的要求及随钻 测量反馈信息来确定。井下智能化钻井系统的未来发展，必将以底部钻具组合的不断更 新、测量系统的不断完善及自动化控制程度的不断提高为基本特征。井下智能化钻井系 第二章油气钻井工程概述 统的最终发展目标，是“地下钻掘机器人”。这种地下钻掘机器人必须能够在地下极其 复杂的地质环境及非常恶劣的工况下进行有效的工作，必须能够精确探测前方和周围的 地质环境及本身的状态，进而做出正确的分析和决策，并且能够自动适应所处的工作环 境，这种地下钻掘机器人，是自动化钻井的核心，将是多种高新技术和产品的进一步研究 和开发及其微型化集成的结果，代表着未来钻井与掘进技术的发展趋势【3 1 。 2 5 钻井过程危险因素分析 钻井施工前期准备过程和钻进施工过程中的危险主要有：物体打击、车辆伤害、机 械伤害、起重伤害、高处坠落、爆炸、中毒、流体伤害、触电等。钻井作业过程中可能 发生的重大危险事故是井喷失控或井喷着火。井喷时大量天然气从井口喷出，在空气中 形成爆炸云团，当浓度达5 0 o , - - 1 4 时，遇点火源( 明火、电气火花、静电火花等) 形成 爆炸，在爆炸浓度范围内，极易发生火灾。如果井场发生井喷失控，可能会带来灾难性 的事故。现场和危险区域的人员如果不及时撤离，可能发生人员中毒和死亡的事故，危 害范围大、影响恶劣。 2 5 1 首次开钻过程中的危险因素 首次开钻时设备运行状态是否正常，气、电路控制系统是否存在漏气、漏电或接错 的现象等，都会对人身、设备安全构成影响。另外，首钻时用的钻头、钻具、鼠洞、套 管等工具提交都比较大，工人在操作过程中劳动强度大，如配合不好，容易发生人身伤 害事故。首次开钻时，钻台下的井口无保护措施，而转盘方瓦则需要经常提出，使转盘 中孔的开口尺寸加大，容易造成井口工具从转盘孔中掉入井内。下表层套管时，在钻台 大门前扣好吊卡后，人员如不及时躲避，容易造成碰、撞、砸伤事故。 2 5 2 再次开钻过程中的危险因素 第二次开钻的工作内容主要包括：高压试运转、下钻、钻进和起钻等。和第一次开 钻相比，其工作内容基本相似，但工作过程较复杂，危险因素多。 高压试运转。在一口井的施工中，高压试运转是设备第一次在较大负荷和高泵压下 工作，一旦憋泵，轻则会造成钻井泵、高压管线等设备的损坏，重则会造成人员伤亡。 下钻。下钻是钻井施工中的一项经常性的工作，随着井深的不断增加，每次下钻的 时间会越来越长，可能会遇到的井下复杂情况也会越来越多，如井眼垮塌、缩径、沉砂、 油气上窜等，如果司钻在操作中注意不够或判断失误，有可能将钻具贸然下入复杂井眼， 造成卡钻、顿钻等事故；如果下钻速度快，会产生很大的激动压力，容易憋漏地层。另 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 外，在下钻过程中，大绳进指梁会挂坏井架或井架操作台；如高、低速离合器不放气， 处置不当就有顶天车的危险；用大钳紧扣操作猫头失误时，有可能造成人员伤害；在二 层平台工作时，有可能会高处坠落或高处落物。 钻进。由于钻井是一项隐蔽的地下工程，在钻进过程中，往往会遇到许多复杂的井 下情况，在井浅时，因进尺快，钻井液性能尚不完善，造壁性和悬浮性能差，可能会造 成井眼垮塌或沉砂埋住钻具。井深时，可能会遇到地层压力异常、盐岩层对钻井液的破 坏等。遇到这种情况，处理稍有不慎就可能酿成严重事故。 起钻。与下钻一样，起钻也是钻井施工中一项经常性的工作，会遇到诸多井下复杂 情况，其中最严重的当属各种原因引起的上提遇卡、转盘憋劲大、打倒车、灌不进钻井 液等。起钻速度过快或钻头泥包“拔活塞”，会产生很大的抽吸力，容易抽喷油气层或 抽塌结构松软的地层。在具体的操作中，当司钻操作失误或与井口操作人员配合不好时， 则会造成“单吊环起钻 、砸飞井n i 具、顶天车等事故f 2 4 1 。 2 6 钻井事故分析 2 6 1 井喷 发生井喷的主要原因有以下几点： 1 ) 井内钻井液液柱压力低于地层孔隙压力 地层孔隙压力掌握不准确，设计的钻井液密度偏低 在钻井设计时，对地层的孔隙压力尤其是异常高压地层的孔隙压力和深度掌握不准 确，在没有准备或准确不充分的情况下钻开了异常高压油、气层，往往会发生井涌、井 喷。 钻井液密度过低 在钻遇异常高压地层时，地层流体侵入井筒又没有及时地排除。使钻井液密度下降， 由于液柱压力下降，从而使地层液体更易侵入井内，使密度和液柱压力进一步降低，最 后导致井喷。 另外，钻井液中混入原油或其他密度低的处理剂过量、混合速度不均匀，也会造成 钻井液密度降低。 钻井液液柱高度降低 起钻若不及时向井内灌钻井液或灌量不足、钻遇漏失层和其他因素引起的井漏，处 理不及时或措施不当，使钻井液大量漏失，井内液面下降，井筒内的液柱压力降低，当 液柱压力低于地层孔隙压力时，地层流体就会侵入井内导致井涌甚至井喷。 第二章油气钻井工程概述 2 ) 起钻时的抽汲作用 起钻上提时，由于抽汲作用使井底压力暂时降低，上提速度越快、钻井液粘切性越 高，抽汲作用就越大。 3 ) 裂缝和孔隙性碳酸盐岩油气藏 该气藏产层往往也是漏层，因此，有时是先漏失，出口管返出量减少甚至断流，待 井筒液面下降到一定程度后导致井喷。 4 ) 井身结构设计不合理 表层套管技术或技术套管的下深不够，当钻到下部地层遇异常压力关井时，套管鞋 处憋漏，引起地下井喷，给二次井控带来困难。 另外，防喷器配套标准低，安装、试压不符合要求；钻遇异常高压地层；相邻注水 井不停注，未泄压，造成封闭区块过高蹩压；发现溢流不及时或处理措施不当，未能及 时地关井；有关岗位人员未通过合格的井控培训，井控素质差，产生误操作，思想麻痹， 违章操作等都是导致井喷发生的直接或间接原因。 井喷的危害： ( 1 ) 油气资源将受到严重损失和破坏； ( 2 ) 喷出的油气及其中的有害物质会严重污染环境； ( 3 ) 井喷危及人身安全，容易造成人员伤亡； ( 4 ) 井喷失控，极易失火，烧毁钻机，报废油气井； ( 5 ) 恶性井喷，井喷失火，极难处理，既耽误时间，又耗费大量人力、物力、财力， 经济损失巨大。 预防措施： ( 1 ) 合理的井身结构设计。应依据地层孔隙压力和破裂压力曲线确定井身结构； ( 2 ) 要有准确的地层压力预告。地质设计应提供准确的地层压力预告，实现近平衡压 力钻井，预防井喷的发生； ( 3 ) 合理设计井控装置，配齐各种井控工具。根据最高地层压力，选用不低于该压力 等级的液压防喷器、节流、压井管汇及控制系统。配齐液气分离器、除气器等除气设备， 方钻杆旋塞、回压凡尔等内防喷工具及钻井液净化、搅拌、加重设备与检测仪器仪表； ( 4 ) 采用合理的钻井液密度； ( 5 ) 钻遇油气层段，严格控制起下钻速度； ( 6 ) 打开油气层后，任何时候都不能降低井内液柱压力。井内混油或实施任何其他降 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 低液柱压力的作业时，必须确保钻井液液柱压力在整个施工过程中不低于地层孔隙压 力，并控制混入速度，防止诱发溢流、井喷； ( 7 ) j f l 强井控培训，严格执行井控管理规定和制度； ( 8 ) 减少空井时间，起钻后应立即下钻； ( 9 ) j h 大投入，更新装备，满足井控工作的需型2 1 。 2 6 2 井漏 引起井漏的原因有： 1 ) 地层压力异常低； 2 ) 地层孔隙度大，渗透性好； 3 ) 地层有裂缝溶洞； 4 ) 钻井液密度过高，下钻速度过快或开泵过猛