深水窄压力窗口钻井井控风险定量评价研究

刘海飞，李 成,覃 毅

1.中国石油大学（华东）石油工程学院 （山东 青岛 266580）

2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一固井分公司 （河北 任丘 062552）

深水窄压力窗口钻井井控风险定量评价研究

刘海飞1，李 成1,覃 毅2

1.中国石油大学（华东）石油工程学院 （山东 青岛 266580）

2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第一固井分公司 （河北 任丘 062552）

深水地层由于上覆海水密度低导致其压实程度低，破裂压力与坍塌压力之间的压力窗口窄，相应的钻井液安全密度窗口窄，这使得溢流和井漏频繁发生，如果处理不当易引发井喷事故。应用屏障与操作风险分析法，以事故发生实际概率相对于平均概率的增幅来描述风险高低，建立深水窄压力窗口钻井井控风险定量评价模型。以深水井涌为初始事件，在考虑呼吸效应的基础上，建立深水窄压力窗口钻井井涌事件树。初始事件井涌发生后，经过8项事件工序，最终可能产生22种结果，其中有7种结果为井喷及井喷失控的情况。根据建立的事件树设置7个预防性屏障，用以阻止井涌发展到井喷，并通过敏感性分析得出各屏障失效对整个屏障系统影响大小。根据国外文献计算出深水钻井井喷发生的行业平均概率为1.209×10-5，以一口已钻深水井为例，进行了风险定量计算，计算结果与该井实际情况一致，验证了模型的可靠性。

深水钻井;井涌;井喷;事件树;井控风险

海洋深水地区泥线以上覆盖的是海水(ρ海水≈1.025g/cm3)，而陆地同深度地层之上覆盖的是岩层（ρ岩石≥2.5g/cm3），在泥线深度位置两者相比，深水区域上覆重量要远小于陆地区域上覆重量，这就导致深水泥线以下地层压实程度远低于陆地同深度地层，其破裂压力与坍塌压力之间的压力窗口相应要窄，从而井涌事件易于发生，如果处理不当将导致井喷甚至井喷失控。为了防止此类事故发生，可以设置安全屏障来防止其发生或者阻止其发生后产生的伤害。安全屏障研究始于2003年挪威的屏障与操作风险分析工程[1]（Barrier and Operation Risk Analysis，以下简称BORA），薛鲁宁[2]、邓海发[3]、武胜男[4]、佟彤[5]、胡满[6]、Nahid Ramzali[7]、Jyoti Bhandari[8]等人也对此做过研究，但他们大多是定性探讨井喷安全屏障设置，未进行定量分析，且均未考虑深水窄压力窗口下呼吸效应给井控工作带来的影响。基于BORA方法，以井涌为初始事件(Initiating Event，以下简称IE)，在考虑呼吸效应影响[9]的基础上，对井喷发生的概率进行分析，为深水钻井井控安全提供一定的理论指导。

1 深水钻井井喷事故风险概率模型的建立

为防止初始事件发展到事故所建立的防控系统（预防性屏障）和事故发生后为防止人员伤亡、环境破坏和财产损失所建立的保护控制系统（保护性屏障）合称为安全屏障，本文研究只涉及预防性屏障。

初始事件发生后，若屏障系统部分或完全失效，则事故发生。因此，事故发生的概率等于初始事件发生概率与屏障失效概率的乘积。由于事故发生的平均概率P和实际概率P'数值非常小，用绝对值不能有效地显示波动水平，因此采用事故发生实际概率相对于平均概率的增幅R来描述风险高低，如式（1）所示：

当R＞0时，事故发生实际概率较高；当R=0时，事故发生实际概率与行业平均水平相持平；当R＜0时，即事故发生实际概率较低。

其中，事故发生的平均概率和实际概率分别如式（2）、式（3）所示：

式中：λT，λ'T分别为初始事件发生的平均概率和实际概率；Pf,BS，P'f,BS分别为安全屏障失效的平均概率和实际概率。

2 深水钻井井喷事故平均概率的计算

统计数据资料来源于美国安全与环境执法局网站上e-well系统收录的墨西哥湾外大陆架所钻的259口深水井[10]以及美国墨西哥湾83口井[11]井涌事件统计资料。记录显示在19 065个防喷器总工作日中共发生129次井涌事件，则深水钻井井涌发生的平均概率为：

2.1 深水钻井井控预防性屏障建立及失效平均概率计算

2.1.1 深水钻井井涌事件树的建立

利用事件树建立的基本原理，结合溢流产生、发展到井喷及井喷失控的过程，分析井控工艺和井控装备实施和使用后是否成功恢复对井内压力的控制，在考虑呼吸效应基础上，建立了包含8项事件工序的深水窄压力窗口钻井井涌事件树如图1所示。

图1 深水窄压力窗口钻井井涌事件树

井涌发生后，若在溢流进入隔水管之前就能检测出来，则有充足的时间初步判断是否为呼吸效应并进行关井。呼吸效应中回吐的钻井液即为之前漏失进周围地层中的钻井液，在正压差的作用下，井口处观察到钻井液的外溢速度是会逐渐减小直至停止的，而对于井涌来说，溢流会越来越严重的。若为呼吸效应则不需进行控制，可以继续安全钻进；若为井涌即可安全关井并压井。若早期溢流监测工作失败，溢流进入隔水管，则应立即关井并启动分流器通将油气及时排到平台外面。

若早期溢流监测工作成功，在初步判断为井涌后应立即关井，若无法关闭BOP密封环空的话应立即启动剪切闸板防喷器剪断钻杆彻底封闭井口防止井喷，此时井涌被压住，但溢流被圈闭在剪切闸板以下（图中红线过程）。关井成功后先判断发生的是呼吸效应还是溢流，若判断错误，则会造成地层破坏或井喷，若判断正确，则可以继续钻进或进行压井。

若早期溢流监测工作失败，但成功关井并分流，且对呼吸效应与溢流甄别正确为井涌后，即可进行压井。若分流工作失败，则须立即关闭钻杆内安全阀及剪断钻杆彻底封井，防止发生井喷。

该树发展最终有22种结果，其中有7种结果（C、H、J、L、Q、T、V）为井喷及井喷失控，3种（A、D、M）确定为呼吸效应可以继续安全钻进，2种（B、K）地层破坏，其余情况均为恢复对井内压力的控制。

2.1.2 深水钻井井喷预防性屏障的建立

图1事件树中共经历8项事件工序，其中有7项的成功和失效关乎着井控工作的成败，因此将这7项事件作为深水窄压力窗口钻井井喷的预防性屏障，其具体功能见表1。

目前国内外关于深水钻井呼吸效应的研究刚起步，相关数据较少，在下面计算时不予考虑。

2.1.3 深水钻井井喷预防性屏障平均失效概率计算

每个屏障都是由若干个组件组成，该屏障的失效平均概率为各组件失效平均概率之和，因此若要求出各屏障失效的平均概率须先求出各组件在测试周期内的平均失效概率[12]：

式中：λxi为各屏障中各组件平均失效概率，x指屏障序号，i指该屏障中各组件序号；τ为该组件测试周期。

根据文献资料[10-11]中的统计数据，应用式（5）计算出各屏障失效概率及成功概率见表2。

由图1可知，H、J、Q、T、V这5个结果为井喷事件，则由初始事件井涌发展到井喷这5个序列的屏障功能作用情况见表3。

则井控系统功能失效的平均概率为5个井喷序列概率之和，如式（6）所示。

表1 深水井控系统各级屏障功能

表2 各屏障失效及成功概率

表3 井喷事件序列屏障功能组合表

将式（4）、式（6）的结果代入式（2）中，得出井喷事故发生的平均概率为：

在实际工作中，应根据所研究的区域已经发生溢流的数据，计算相对应的井喷发生平均概率。

2.2 屏障功能的敏感性分析

各屏障功能成功或失效的概率对整个屏障系统的影响大小可以通过敏感性分析得出。当各屏障功能失效概率均降低50%后，井控系统失效概率降低情况见表4。

由表4可以看出，屏障2A和7B对屏障失效影响较大，影响程度分别为38.15%和45.93%；屏障6和8对屏障失效影响最小，分别为0.40%和0.08%，所以以下计算分析中将不考虑屏障6和8的影响。

表4 屏障功能失效对井控系统功能失效影响的敏感性分析表

3 深水钻井井喷事故发生实际概率模型的建立

事件失效发生的实际概率是在对待评价对象各风险影响因素的实际风险状况评价基础上得出的，BORA认为风险影响因素的权重（w）和风险等级（s）共同影响某一失效事件发生的实际概率，事件失效的实际概率（λ'）由式（8）计算得到[1]。

式中：n为风险影响因素个数；wi（i=1,2,3,……，n）为影响该事件发生概率的第i个因素的权重；si（i= 1,2,3,……，n）为根据该评价对象实际情况判断的第i个因素所属的风险等级；Q(si)为第i个因素风险等级的等级量化值，为事件发生的统计平均概率。

各因素的权重可以通过查阅文献资料以及专家打分获得。为了衡量各因素风险等级，给每个因素都制定一个衡量指标，将各指标按照对事故发生贡献率由低到高划分A～E 5个风险等级，根据待评价井各因素实钻资料，判断风险等级。BORA给出Q(si)的计算方法如下：设λlow为失效事件发生的实际概率λ'的下限概率值，λhigh为实际概率λ'的上限概率值，则各风险等级量化值如式（9）所示。

由此可以计算出初始事件井涌发生的实际概率λ'T，并由式（6）计算出屏障系统失效的实际概率P'f,BS，再根据式（3）计算出井喷事故发生的实际概率P'，最终结合式（7）计算出井喷事故发生的行业平均概率，由式（1）计算出待评价井井喷事故发生概率的高低。

4 实例计算分析

美国墨西哥湾深水井Block47-1井，于2007年开钻，设计井深1 937m。根据该井的实钻数据（表5中第三列数据）及资料查阅专家打分，得出各影响因素的权重、状态等级，并按式（9）得出状态等级量化值，如表5所示。应用上文中建立的模型，计算该井井喷风险大小。

4.1 计算井喷各屏障失效的实际概率

将表5中各屏障的影响因素权重w和状态等级量化值Q(s)代入式（8）中，得各屏障实际失效概率：

λ'T=0.008；λ'1=0.058 6；λ'2A=0.016 3；

λ'2B=0.073；λ'5=0.265 6；λ'7A=0.053 4；

λ'7B=0.100 6。

4.2 井控系统功能失效的实际概率

4.3 井喷事件发生的实际概率

将式（7）和式（10）代入式（1）中，得增幅R：

4.4 风险等级判断

该井井喷发生概率增幅为42.20%，及该井井喷发生的可能性比行业平均水平高出近一半的可能，风险较高，易发生井喷事故。该井实际钻进过程中实施井控工作的次数较多，这与模型所得结果一致，需要针对表5中状态等级大于C的每一个风险影响因素进行控制。

表5 Block47-1井风险影响因素及其指标、权重、状态等级及状态等级量化值

5 结论

1）依据BORA的分析方法，以井涌为初始事件，在考虑呼吸效应的基础上，建立深水窄压力窗口钻井井控风险概率模型。

2）应用事件树分析法，在考虑深水窄压力窗口影响的基础上，建立深水钻井井涌事件树。经过8项事件工序，最终可能产生22种结果，其中有7种结果为井喷及井喷失控，3种为呼吸效应可以继续钻进，2种地层破坏，其余情况均为恢复对井内压力的控制。

3）根据建立的事件树设置7个预防性屏障，用以阻止井涌发展到井喷。通过敏感性分析得知，屏障2A和7B的失效对屏障系统影响最大，屏障6和8影响最小。

4）应用文献资料计算出深水钻井井喷发生的行业平均概率为1.209×10-5，在实际工作中应根据所研究的区域已经发生溢流数据，计算相应的井喷发生平均概率。

5）以墨西哥湾一口已钻深水井的实钻资料为例，计算该井发生井喷的实际概率比行业平均概率高42.20%，计算结果与该井实际情况一致，验证了模型的可靠性。

[1]Seljelid J,Haugen S,Sklet S.Operational risk analysis total analysis of physical and non-physical barriers BORA Hand⁃ book Rev00[R].Norway:the BORA project group,2007

[2]Luning Xue,Jianchun Fan,Marvin Rausand,Laibin Zhang.A safety barrier-based accident model for offshore drilling blowouts[J].Loss Prevention in the Process Industries,2013 (26):164-171.

[3]邓海发.深水钻井作业重大事故风险评估与控制[D].青岛：中国石油大学(华东),2012.

[4]武胜男,樊建春,张来斌.基于安全屏障模型的海上钻完井作业风险分析[J].中国安全科学学报,2012,22(11):93-100.

[5]佟 彤.基于安全屏障的钻井作业风险控制的研究[D].北京:中国地质大学,2014.

[6]胡 满,吴 谦,纪永强,等.深水固井作业井喷事故的蝴蝶结模型[J].石油工业技术监督,2014,30(5):1-5.

[7]Nahid Ramzali,Mohammad Reza Miri Lavasani,Jamal Gho⁃dousi.Safety barriers analysis of offshore drilling system by employing Fuzzy Event Tree Analysis[J].Safety Science,2015 (78):49-59.

[8]Jyoti Vhandari,Rouzbeh Abbassi,Vikram Garaniya,Faisal Khan.Risk analysis of deepwater drilling operations using Bayesian network[J].Loss PreventionIN THE Process Indus⁃tries,2015(38):11-23.

[9]林雍森.深水井控中地层呼吸效应的识别与处理探讨[J].海洋石油,2014,34(1)：72-76.

[10]Holand P.Reliability of Subsea BOP Systems for Deepwater Application-Sintef Report STF38 F97417[R].Norway,1997.

[11]Holand P,Awan H.Reliability of Deepwater Subsea BOP Systems and Well Kicks[R].Houston:ExproSoft lnc,2012.

[12]Rausand M,Hoyland A.System Reliability Theory:Models, Statistical Method and Applications[M].2nd ed.New Jer⁃sey:John Wiley&Sons Inc,2004:240-247.

The compaction degree of the deepwater formation is low due to low overlying seawater density,which leads to the narrow pressure window between formation fracture pressure and collapse pressure and the corresponding narrow safe window of drilling fluid density.Therefore overflow and mud loss will occur frequently.The improper handling of the overflow and mud loss accidents can lead to blowout accident.For this reason,describing the risk level with the increase of the actual probability of accident relative to the aver⁃age probability,the quantitative evaluation model of well control risk under deepwater and narrow pressure window drilling was estab⁃lished using barrier and operation risk analysis method.Taking well burst as the initial event,a well burst event tree under deepwater and narrow pressure window was established based on the consideration of the breath effect.After the well burst,8 events may eventual⁃ly produce 22 results,7 results of which are blowout and blowout out of control.According to the established event tree,7 preventive bar⁃riers are set to prevent the well burst developing to the blowout,and the influence of each barrier failure on the whole barrier system is obtained by sensitivity analysis.According to foreign literatures,the average probability of blowout in deepwater drilling is 1.209×10-5,the quantitative calculation of the risk of a drilled deepwater well has been carried out,and the calculated result is in good agreement with the actual conditions of the well,which verifies the reliability of the model.The research result can provide theoretical guidance for the well control safety of deepwater drilling.

deepwater drilling;well burst;blowout;event tree;well control risk

�� 梅

2016-07-09

刘海飞（1993-），男，主要从事油气井力学、信息与控制及井控风险评价方向研究。