基于蝴蝶结模型的海上钻井井漏事故分析

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(1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249； 2.中海油研究总院 钻采研究院，北京 100028)

基于蝴蝶结模型的海上钻井井漏事故分析

魏嘉怡1，张来斌1，郑文培1，冯桓榰2，刘书杰2

(1.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京102249； 2.中海油研究总院钻采研究院，北京100028)

为了有效地预防和控制井漏事故，建立基于安全屏障的井漏事故蝴蝶结模型。阐述井漏风险的国内外研究现状，总结井漏事故的原因及后果，建立井漏事故的事故树并分析其最小径集，得到能引起井漏事故的最危险事件，根据井漏事故的蝴蝶结模型，结合BD气田给出井漏风险的预防与控制策略。结果表明：蝴蝶结模型不但可以表示出事故原因，还能直观地显示出事故的后果以及预防和控制措施，对预防和控制井漏事故有一定的指导意义。

井漏事故；事故树；安全屏障；蝴蝶结模型；海洋钻井

0 引 言

在钻井作业过程中，井漏事故是常见的事故之一，严重的井漏会浪费大量的生产时间，耗费巨大的人力、物力和财力。如果井漏得不到及时处理，还会引起井塌、井喷和卡钻事故，导致部分井段或全井段的报废，并对产层造成损害[1]，因此对井漏事故进行预防和控制是十分必要的。

国内外的专家学者在研究井漏风险方面进行了很多研究。李克智等[2]通过对红河油田地层特征和井漏原因进行综合分析，利用邻井风险信息确定井漏风险因素，建立基于邻井信息的井漏风险识别模型，具有一定的实用性。袁本福等[3]采用神经网络算法对邻井风险样本进行分析，获取井漏风险因素之间的内在联系，对蕴含在钻井工程运行中的规律进行映射，从而使井漏风险推理更具参考性和准确性。蔡汶君[4]系统地研究各种钻井井漏事故，建立井漏类型诊断模型，然后采用神经网络建立井漏严重度评价模型，并对发生井漏的层段进行井漏严重度评价。ALIREZA等[5]运用人工神经网络的方法预测井漏事故的严重度，所得结果准确并与实际情况相符。JAHANBAKHSHI等[6]用支持向量回归方法预测井漏事故的严重度，该方法可以弥补人工神经网络法在预测井漏方面的不足，如记忆训练数据等，相比而言，支持向量回归方法得出的结果更准确。现有研究大部分是基于人工神经网络的方法，且大多是对井漏及其严重度的预测，而对其原因、后果及防控措施的系统研究则相对较少，本文所建立的蝴蝶结模型在一定程度上弥补了这个不足。

1 流花和BD油气田井漏事故统计

本文以流花和BD 2口井发生的井漏事故为例，分析其井漏事故发生的原因。根据钻井日志及相关资料统计，以流花某井为例，对该井2015年3月14日至2015年7月27日期间的钻井日志进行统计分析，发现该段时间内主要钻井事故有7类，见表1。该井在2015年7月23日发生了井漏事故，主要原因是流花油田孔隙结构复杂，地层中有空隙和裂缝，使钻井液有漏失通道和较大的足够容纳液体的空间。

表1 流花井主要事故类型统计表 起

根据钻井日志及相关资料统计，BD-A井在钻井过程中共发生49起主要事故，见表2。其他事故包括：套管黏附、井眼缩径和回收密封装置失败等，其中井漏事故比例最大。2016年3月15日，BD-A井在8-1/2井段、钻井液密度为16.0 ppg(1 ppg=0.119 8 g/cm3)时发生井漏事故。该气田为特殊的砂泥岩、灰岩地层，发生井漏的主要原因：井深环境条件差，地质条件不佳使得裂缝发育良好，钻井液密度窗口窄等等。

表2 BD-A井主要事故类型统计表 起

由于流花及BD油气田发生井漏事故较多，分别占事故总数的19.8%和40.8%，所以有必要对2口井的井漏事故进行分析。

2 海上钻井井漏模型分析

2.1 井漏事故树分析

根据流花及BD油气田井漏事故原因，查阅井漏事故相关资料，总结出诱发井漏事故的直接原因，大体可分为3类：井身环境条件差、井底压力大以及应急措施失效，这3种因素共同作用可能诱发井漏事故。

井身环境条件差可能是由于地质条件不佳、压力预测不准或套管下深不够。其中，地质条件不佳的因素包括：地层中有空隙、裂缝或溶洞，裂缝发育良好使钻井液有漏失通道和较大的足够容纳液体的空间，地层破裂压力低以及地层应力方向复杂。

造成井底压力大的直接原因有很多，包括：环空循环不畅、下钻速度过快或钻井液性能不佳[7]。当钻头泥包或者岩屑堆积时可能造成环空循环不当。造成钻头泥包的原因包括：钻压不均匀、钻头中心孔流道小、钻井液性能不佳、泵排量小以及钻井地层特性差。造成岩屑堆积的原因包括：钻井地层特性差、井壁坍塌、泵排量小以及钻井液性能不佳。下钻速度过快时，会造成井下过高的激动压力，从而压漏钻头以下的地层。钻井液是用来维持井内压力平衡的，它可以平衡岩石侧压力，维持井壁稳定[8]，其密度过大或黏切力过高时，若开泵过猛会造成过高的压力激动，从而压漏钻头附近的底层。

形成应急失效的直接原因为堵漏技术缺陷和应急管理失误。造成堵漏技术缺陷的原因包括基础资料虚假不实、缺乏合理的应急预案以及补救措施不恰当等因素。导致应急管理失误的原因包括盲目指挥、操作人员失误、处理措施未落实以及备用设备不能使用[2]。

基于以上原因分析可以建立井漏事故的事故树，如图1所示。各符号代表的事件见表3。根据布尔代数法，求事故树最小割集以及最小径集，由于最小割集数量太多，最小径集数量较少，所以采用最小径集法进行分析。

图1 井漏事故事故树

由图1得井漏的计算公式为

A=B+C+D=X17B2X18+X19C2C3+D1D2= X17X18X1X2X3+X19X4X5X6X7X8X9X20X21+X10X11X12X13X14X15X16 (1)

由计算可知：事故树中存在3个最小径集，分别为：{X17，X18，X1,X2,X3},{X19,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X20,X21},{X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16}。

一个最小径集中的基本事件不发生，则整个事件就不会发生。假设各基本事件的发生概率相等，则结构重要度排序的依据是各个最小径集中基本事件的个数，基本事件个数少的径集结构重要度最大，反之则最小。各基本事件的结构重要度排序为

I(17)=I(18)=I(1)=I(2)=I(3)>I(19)==I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)=

I(20)=I(21)>I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16)

由基本事件的结构重要度排序可以看出：基本事件X17(压力预测不准)、X18(套管下深不够)、X1(裂缝发育良好)、X2(地层破裂压力低)、X3(地层应力方向复杂)等的结构重要度较大，对顶事件的发生具有较大影响，属于危险事件，需要格外重视。

井漏事故造成的后果也比较严重：轻微的漏失会使正常的钻井施工中断；严重的漏失不仅会耽误大量的生产时间，还会耗费巨大的人力、物力和财力。如果井漏发生后不及时处理，随着地层压力的逐步降低，还会引起井塌事故，造成井眼报废，同时导致井内设备的损失[9]。除此之外，还会发生卡钻、溢流事故，如果溢流控制不当，严重的话可能会导致井喷，发生火灾爆炸，造成人员伤亡。

2.2 井漏蝴蝶结模型的建立

蝴蝶结模型[10]是将事故树分析方法和事件树分析方法合为一体，全面分析某一事件的发生原因和事故后果的建模方法。典型的蝴蝶结模型如图2所示。

图2 典型蝴蝶结模型示意图

由图2可以看出：蝴蝶结模型可以将事故的原因、后果以及预防和控制事故的措施有机地结合起来，表达非常直观，因此本文采用蝴蝶结模型作为预防和控制事故风险的管理工具[11]。

安全屏障是用来预防、控制和降低事故后果的措施和方法。按照发生作用的时间，可以将安全屏障分为预防性屏障和保护性屏障[12]。按照安全屏障的功能又可分为4类：物理屏障系统、功能屏障系统、符号屏障系统和非物理屏障系统。各个屏障的功能见表4。

表4 安全屏障的分类以及功能

总结事故原因及后果的安全屏障，建立井漏事故的蝴蝶结模型，如图3所示。

图3 井漏事故蝴蝶结模型

3 预防与控制措施

2016年3月15日，BD-A井在8-1/2井段，钻井液密度为16 ppg时发生井漏事故。根据BD气田特殊的砂泥岩、灰岩地层特性，存在泥岩裂缝发育、钻井液密度窗口窄等风险。依据作业经验，基于本文所建立的井漏事故蝴蝶结模型，提出相应的井漏预防与控制措施，为该气田下一步安全有效地钻进提供借鉴，预防在相应井段发生井漏事故。

(1)降低钻井液密度。在钻井过程中，通过实时风险分析，安全的钻井液密度是预防井漏事故发生的关键指标。根据裸眼井段的孔隙压力、坍塌压力、漏失压力、破裂压力确定合理的防塌、防漏的安全钻井液密度。BD-A井在井段8-1/2井段时，钻井液密度为16 ppg时发生井漏，采用钻井液密度为15.8 ppg时，井漏逐渐得到控制。

(2)钻井漏失速率监测与控制。钻井录井参数的实时监测可以对井漏事故实行早期预测。钻井过程中如发现井漏，先提高泵排量和泵压，检查漏失速率，后降低泵排量和泵压控制漏失。如出现无返出现象，须通过MPD系统降低钻井液密度并堵漏，直至有返出。当堵漏之后仍旧出现漏失量小于10 bbl/h(1 bbl=0.159 m3)时，须继续降低泵排量，直至堵漏成功。

(3)钻井过程设备维护。定期监测和维护泥浆泵、回压泵、RCD及其密封组件，确保恒定的井底压力。对节流阀及其管汇系统进行失效监测，确保在井漏时能够正常压井。

(4)钻井过程注意事项。备足钻井泥浆量及堵漏剂，以便在钻进漏失层或堵漏时使用；控制下钻、接单根、结单个和下套管速度，避免压力激动；控制开泵泵压，采用“先转动后开泵、小排量、缓慢开泵”的原则；控制钻井液加重速度，防止加重不均或加重过快造成井内液柱压力过高；每循环一周钻井液密度上升值不超过0.05 g/cm3，严防加重过猛而造成环空压耗增高；循环钻井液时要尽量避开可能出现漏失的层位，保持低速层流循环，以免冲蚀井壁，引起井漏；下钻时分段循环，开泵避开漏层；尽量降低钻井液滤失量，改善泥饼质量，防止因形成厚泥饼而引起环空间隙缩小，导致环空压耗的增加；采用合理的钻具组合，减少钻具结构的复杂性，增大环空间隙，使用不膨胀的胶皮护箍，减少使用大尺寸扶正器。

4 结 论

本文通过分析流花及BD油气田的井漏事故，总结出井漏事故的主要原因及后果，建立了海上钻井井漏事故的事故树模型，并分析出其最小径集，得到引起井漏事故的最危险事件，并基于此建立了井漏事故的蝴蝶结模型，结合BD气田给出井漏风险的预防与控制策略，为该气田下一步安全有效地钻进提供借鉴，预防相应井段的井漏事故。该模型的优势在于其既能显示出事故的原因、后果，又能显示出预防与控制事故的措施，直观易懂，便于海上钻井作业者在实际生产作业时制定相应的预防和控制措施，有一定的指导意义。

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AnalysisofLostCirculationAccidentinOffshoreDrillingBasedonBow-TieModel

WEI Jiayi1， ZHANG Laibin1， ZHENG Wenpei1， FENG Huanzhi2， LIU Shujie2

(1.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China； 2.Drilling Research Institute, CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

In order to prevent and control the lost circulation accident effectively, the bow-tie model based on the safety barrier is established. The current situation of the domestic and foreign research on the risk of lost circulation is presented. The reason and consequence of lost circulation are summarized， and the most dangerous events are obtained by building the fault tree and analyzing the minimal path set. According to the bow-tie model of lost circulation accident, the prevention and control measures of its risks based on BD gas field are given. The results show that the bow-tie model can not only show the cause, but also directly show the accident consequences, prevention and control measures. It has some significance on prevention and control of lost circulation accidents.

lost circulation; fault tree; safety barrier; bow-tie model; marine drilling

1001-4500(2017)06-0074-06

2016-06-28

中海石油(中国)有限公司科研项目(YXKY-2015-ZY-12)

魏嘉怡(1993-)，女，硕士研究生

P75

A