潞安矿区西部煤层气水平井钻井风险分析与评价

2023-03-17郭红

山西焦煤科技 2023年1期

关键词：钻具水平井钻井液

郭红

(山西潞安金源煤层气开发有限责任公司，山西长治 046000)

1 工程概况

1.1 地质概况

山西潞安集团余吾煤业公司井田位于沁水煤田潞安矿区西部，井田内仅北部沟谷中有二叠系上统上石盒子组、石千峰组地层出露，其余地层均为钻孔揭露，具体井田内揭露地层情况见表1.

表1 余吾煤业公司导眼井揭露地层简表

1.2 钻井工程

为有效探查井田范围内的煤层气赋存情况，从矿井安全生产及维护井壁稳定、保证高效抽采的角度考虑，本次布置的一开采用d444.5 mm钻头，塔式钻具组合防斜打直钻进至基岩面以下不小于20 m(实钻至69.20 m，入上石盒子组基岩50余米)，下入d339.7 mm表层套管经固井、候凝后以6.0 MPa试压合格；二开直井段采用d311.1 mm钻头，塔式钻具组合，至造斜段后下部更换为MWD定向钻具组合，上部钻具倒装，以克服井壁阻力，导眼井钻穿煤层底板后采用G级油井水泥固井回填至水平井侧钻点，凝固48 h后下入套管，进一步采用G级油井水泥固井，最终试压达到15 MPa后即可。三开斜井段采用加重钻杆倒装钻具，水平段前期采用EW-MWD定向钻进组合钻进至直井段前100 m左右下入强磁导向短接与直井对接连通后下入d139.7 mm生产套管，采用G级油井水泥固井，水泥浆返出钻台面，候凝72 h，试压(压力20 MPa)，实钻井身结构见图1.

图1 2018LA-U水平井井身结构示意图

2 钻井风险辨识及权重分析

2.1 钻井风险辨识

风险通常情况下由风险事故、风险因素以及风险后果3部分组成，三者之间相辅相成，针对作业期间存在的风险，主要研究如何控制风险、降低风险带来的损失，根据本次钻井工程条件，辨识出本次风险的特征如下：

1) 风险的差异性。风险因素在不同的钻井作业过程、相异的钻井工艺过程、不同的钻井作业环境存在的形式各不相同。

2) 风险的严重性。因钻井技术不娴熟、钻井作业人员操作失误以及钻井设备质量不佳、配备不合理等因素导致的事故后果极其严重。

3) 风险的多样性。钻井过程中，风险种类多，存在着有毒有害物质、设备损坏、物体打击等多种风险因素对人员的伤害。

4) 风险的隐蔽性。钻井作业中风险隐蔽性较高，由隐蔽性带来的风险较多，包括钻井设备、钻井人员、钻井环境、作业环境等，均会为钻井工程施工带来一定的隐蔽风险，且这种风险带来的损失难以估算。

5) 风险的可转化性。由于钻井作业过程复杂，各要素之间紧密联系，由于人为因素还是环境因素或是物的因素而产生钻井事故时，可能会牵连出更多严重的事故。

根据本次钻井工程，得出本次水平井钻井过程中影响安全的主要因素为：钻井技术、钻井环境、钻井人员、钻井设备和井场管理。综合分析实践中水平井钻井作业发生的事故原因，结合目前水平井钻井众多研究成果[1-4]，最终绘制出水平井钻井作业风险辨识鱼刺图，见图2.

图2 水平井钻井作业风险辨识鱼刺图

2.2 钻井风险权重分析

为有效评价水平井钻井作业相关安全风险，需要建立风险因素指标体系，通过指标体系对风险因素进行权重分级，最终保障系统的安全实施。现采用数学加权法yaahp软件进行水平井钻井过程中风险因素权重的分析，根据水平井钻井过程中存在的风险，建立评价层次结构及判断矩阵，见图3.

通过专家打分的方式进行钻井过程中各项风险权重的评价分析，基于评价结果得出各项风险因素的权重，见表2.

表2 水平井钻井风险相关判断矩阵及其权重结果表

分析表1可知，水平井钻进过程中，影响钻井安全顺利进行的主要因素分别为钻井技术、钻井设备、钻井环境和井场管理。其中由于钻井技术的特殊性，其可能导致钻井过程中发生更多的井下事故；钻井设备是直接关系钻井工作顺利进行的主要因素；钻井环境和井场管理是影响安全钻井不可忽视的因素。

3 安全风险预防控制

根据现场工程实践，结合井下事故的Bow-tie 模型[5-7]，分析得出井下事故主要是由钻井液密度、钻井液性能、钻井人员操作技术、煤层地质特征及钻具设备等造成；水平井钻井井下事故所造成的典型后果主要包括：设备损坏、煤层破坏、工期延长等。

现根据施工现场情况，对钻井液性能、钻井人员操作技术、煤层地质特性、钻井设备4个安全风险进行管控措施的分析与阐述。4种因素井下事故控制屏障图见图4.

图4 各类影响因素引起的井下事故控制屏障图

1) 钻井液性能风险控制。在设备方面合理的设计钻井液性能，确保其能有效保护井筒，防止井壁坍塌；在组织管理方面，应加强设计和检测人员能力的培训，以进一步提高技术水平。

2) 钻井人员操作技术风险控制。加强对钻井操作人员的培训和考核，使操作人员真正学到钻井相关知识，避免因知识缺乏而导致的不必要事故；其次应时刻关注钻井人员的生理和心理状态，避免疲劳操作、带病上岗等现象；最后是预防各类外界因素的干扰，尽量为钻井操作人员创造舒适的工作环境，为其正常进行操作提供外界环境保障。

3) 煤层地质特性风险控制。在钻井前，通过各项探测技术，尽可能地精准掌握煤层地质赋存条件，为钻井工作的顺利展开提供基础条件。

4) 钻井设备风险控制。在设备技术方面，钻井操作人员需要掌握各种钻具间的组合机制，需要加强作业人员工作能力的培养；在组织管理方面，加强钻井设备的监督和管理，避免因设备缺少导致钻井过程中设备选型使用不当而产生事故。