智能井系统井喷失控风险事故树分析

时间：2024-09-03

刘录翔，高永海, 蒋宏伟，陈野，赵欣欣，王迪，宋武强

(1常规油气开发教育部重点实验室 2中国石油大学石油工程学院·华东 3中国石油集团工程技术研究院有限公司 4中石油渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司)

智能井是20世纪末提出的油气田勘探开发新兴技术[1]。与传统技术相比，智能井技术具有耐高温、抗高压、可远程操控等卓越的特性，既能适用于环境较为苛刻的储层，又能为提升各油藏间的经营管理水平提供可能，因此受到了石油行业的广泛关注[2-3]。包括斯伦贝谢、贝克休斯在内的国际知名油服公司都成功研发出了各具特色的智能井系统[4]。目前，已有上百套完整的智能井系统在全球范围投入了实际生产[5]。

智能井系统一般由:井下信息收集传感模块、井下生产控制模块、井下数据传输模块以及地面数据收集、分析和反馈控制模块等部分组成[6]。这些模块结构同常规井相比更为繁冗，所包含的电子元件也更为精密，易于受损。另外，智能井系统多被应用于情况复杂、环境恶劣的油藏[7]，使得作业过程中系统面临的潜在风险更大，需要重点关注的安全因素更多，一旦发生井喷失控，将会造成重大损失。因此，有必要对智能井井喷失控风险进行分析，为其高效、安全地作业提供理论支撑。

事故树法是系统工程中识别安全隐患并进行相应评价的常用方法之一[8]。其运用逻辑思维将各个风险的前因与后果紧密联系在一起，既能够定性分析，又能够定量分析，具有简洁直观、通俗易懂的优点[9]。本文采用事故树法对智能井井喷失控风险进行评价，确定了基本事件的重要程度，得到风险最大的事件及其影响因素。

一、智能井井喷失控的主要风险因素

1.传感器失灵导致监测不准

智能井系统中传感器众多，包括温压传感器、多相流量计、地震检波器等，统统安装在地表以下的储层中。通过对井下储层温压、流量以及地震波等参数的监控，平台工作站可以实时了解井下各产油层情况，有效地减少层间干扰，延长油井使用寿命[10-11]。此外，井下情况发生异常时，储层温压均会变化，以此为根据，预防和控制井喷失控的发生。

然而，由于传感器多为精密仪器，所处储层环境又较为苛刻，在实际作业过程中可能发生传感器精度失准或者测量失效的状况。此时，地面上收集到的数据并不能准确反映井下储层实际情况，一旦发生井喷，难以及时采取有效处理措施。

2.传导系统受损导致控制失效

埋藏在储层下的传感器所采集的数据，需通过传导系统传输到地面[12]；地面做出的控制命令，也需通过传导系统传输到井下。这一过程包含编程、解码等复杂环节，稍有差池就导致整个系统崩溃。且电缆、光纤等部件强度较差，受环境腐蚀后容易发生短路、断裂。一旦传导系统受损，井下与地面的双向信号传递不畅，当异常情况时，难以操作相应的装置进行控制处理，从而导致事故扩散，增加损失。

3.传统钻井体系井喷风险因素

传统钻井体系中涉及到其他风险在智能井系统中同时存在，包括：地质条件、井控装备、节流管汇、井涌检测方法、关井、压井方法以及人员操作技术水平及应对突发事件的能力等[13-17]。

二、智能井井喷失控事故树模型及分析

在利用事故树法对智能井井喷失控风险进行分析评价时，确定事故树的顶事件、底事件以及最小割集，是重要环节之一。考虑智能井系统自身结构特点，结合常规钻井风险因素，建立智能井井喷失控事故树模型，同时在其基础上预测顶事件发生的概率。

1.建立事故树模型

在钻井过程中，一旦发生井喷失控，会引发极端恶劣的事故灾难。因此在分析智能井系统风险时，可选择将其井喷失控作为顶事件。

智能井系统发生井喷的主要原因是井筒内压力低于地层压力，井涌后没能够及时发现。而井筒内压力不足的原因包括：钻井液量不够、起下钻的抽汲作用、钻井液密度过低、溢流监控不及时、地层层位不清或为多压力层系、停泵时间过长、钻井液漏失以及在特殊工况下钻遇高压油气层或浅层流体等。当然，在作业前的设计失误以及作业过程中的操作失误等也会引发智能井系统发生井喷事故。

智能井系统在发生井喷后，控制失败的主要原因是在施工和设备环节上井口压力超过安全极限，其中包括作业人员前期的培训不到位、作业过程中操作不规范、防喷器设计制造维修出现故障(光纤、电缆在内的传导系统设计制造维修出现故障)、节流阀故障、压井泵故障、恶劣的储层环境腐蚀了相应的设备以及更换设备不及时等因素。

通过事故树法构建智能井井喷失控模型，以全面清晰地反映整个井喷事故发生原因。根据以上风险因素分析，建立智能井井喷失控事故树如图1。

图1 智能井井喷失控事故树

A智能井井喷 B控制失败 C井筒压力不足 D施工问题 E设备问题 F钻井液量不够 G钻井液密度低 H溢流监控不力 I钻井液地层问题 J灌浆不够及时 K漏失 L钻井液受污染 M层位不清 N钻速过快 O下钻太快 P开泵过猛 Q地层特性 X1钻井液泵入速度不合理 X2设计失误 X3操作失误 X4钻井液密度过大 X5孔隙度大渗透性好 X6有裂缝或溶洞 X7套管破裂或密封失效 X8抽汲作用 X9地层压力预测不准 X10气侵 X11液侵 X12配比计算失误或配料不合格 X13监测方法不合格 X14各类传感器故障 X15人员疏忽或制度不完善 X16多压力层系 X17停泵时间过长 X18钻遇高压油气或者浅层流 X19培训不到位 X20防喷器设计制造维修故障 X21传到系统设计制造维修故障 X22节流阀故障 X23压井泵故障 X24储层环境恶劣腐蚀设备 X25更换设备不及时 X26超过安全极限

2.求取最小割集与最小径集

在事故树模型中，最小割集和最小径集对定性和定量分析都起着重要作用。通过最小割集与最小径集，可以分析并控制事故树顶事件的发生。采用最小割集还是最小径集进行分析，需要根据事故树的结构来确定。

针对智能井井喷失控事故树模型，求取最小割集144组。

针对智能井井喷失控事故树模型，求取最小径集，具体过程为将事故树的与门换成或门，而或门换成与门，各类事件发生换成不发生，利用上述方法求出成功树的最小割集，再转化为故障树的最小径集。

用布尔代数化简法求成功树的最小割集，其结构函数式为：

T′=A′+B′=C′X18′+D′E′=F′X8′G′H′I′X17′X18′+(X26′+X3′X19′)·(X26′+ X20′X21′X22′X23′X24′X25′)=(X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X9′X10′X11′X12′X13′X14′X15′X16′X17′X18′)+(X26′)+(X20′X21′X22′X23′X24′X25′X26′)+(X3′X19′X26′)+(X3′X19′X20′X21′X22′X23′X24′X25′)

(1)

由(1)式可知，最小径集为5个。

由此可知，智能井井喷失控事故树涉及到的最小割集数量过大，不利于对顶事件进行简单而形象的分析；涉及到的最小径集数数量合宜，可以以此为基础，经济、有效地选择采用预防事故的方案。

3.结构重要度分析

本文在分析结构重要度时，采用针对最小径集，兼顾频率与频数双重考虑的方法，由此所得到的事件结构重要度的顺序如下：

I(26)>I(3)>I(19)>I(20)=I(21)=I(22)=I(23)=I(24)=I(25)>I(1)=I(2)=I(4)=I(5)=I(6)=I(7)=I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16)=I(17)=I(18)

(2)

由式(2)可以看出，事件26的重要程度最高，说明最容易导致智能井系统井喷失控的条件事件，主要是在施工或设备环节出现的种种问题导致井口压力超过安全极限。事件3仅次于事件26，说明作业过程中各种操作失误也是引发井喷失控的重要因素。其次是事件19，代表施工前培训不到位。接着，事件20、21、22、23、24、25重要程度相同，说明防喷器、传导系统、节流阀、压井泵等装置自身的设计制造维修原因导致的故障以及储层环境恶劣腐蚀设备且更换设备不及时也是影响智能井井喷失控的重要原因。其他影响井喷失控的因素众多，且结构重要度基本相同，无法从消除单一事件的风险来控制顶事件风险，说明智能井系统发生井喷失控的风险较大。

假定事故树中26个基本事件发生的概率均为0.1，则井控成功率为：

P′=1-(1-0.918)×(1-0.9)×(1-0.97)×(1-0.93)×(1-0.98)=0.9931564

(3)

井喷失控的风险概率为:

P=1-P′=0.0068346

(4)

与常规钻井相比较，可假定事件14、16、21的发生概率为0，常规钻井井控成功率为：

P′=1-(1-0.917)×(1-0.9)×(1-0.97)×(1-0.96)×(1-0.93)=0.9944802

(5)

则井喷的风险失控概率为：

P=1-P′=0.0055198

(6)

在上述条件下，智能井系统井喷失控风险比常规油气钻井高23.7%。

由于智能井系统多被应用于环境较为复杂的储层，设备受损，信号中止的可能性较大，因此事件14、16、21、24发生的概率相对常规钻井而言要大。本文假设事件14、16、21、24发生概率为0.2，其他事件发生概率仍为0.1，则井控成功的概率为：

P′=1-(1-0.916×0.82)×(1-0.9)×(1-0.95×0.82)×(1-0.93)×(1-0.96×0.82)=0.99187

(7)

井喷的风险概率为：

P=1-P′=0.00813

(8)

经过计算，智能井系统发生井喷失控的风险比常规钻井高出47.3%，在作业过程中存在较大的安全隐患。因此，加强智能井系统井喷事故的预评估，做好防范措施，并在出现异常情况时及早进行事故处理，以免造成重大损失甚至灾难。

三、智能井系统风险控制的方法

针对分析得到的事故树模型、基本事件以及最小径集，控制智能井系统井喷失控风险的方法可以从以下几个方面展开：

(1)在作业前期做好有效的预防措施。包括采用固化水完井液体系，对储层进行屏蔽暂堵，降低漏失；在合理的窗口范围内，尽可能提高完井液密度；在钻台上备有应急设备，以便快速切断事故电缆；预组装好循环头与循环阀，放置在平台上以便应急。

(2)对常规钻井的井控设计与风险控制。包括合理的工程设计、水力参数设计，及时的井涌检测，合适的起下钻速度，保证井控装备的完好和有效工作，尤其注意设备故障、设计方法及操作失误的影响不能超过安全极限，加强对相关人员防范井喷事故的安全培训，提高防控意识和技能，做好井控演习与抢先准备工作[18]。

(3)除了常规风险控制，针对智能井系统，要重点分析其传感和控制环节的安全问题。包括定期检测站台各传感器的灵敏性与可靠性；采用可双向试压的优质密封接头，确保接头内外均能够有效密封；针对缆线滑轮组做好防跳线机构的设置，以避免跳线引起的管线绞断；在包括光纤、电缆在内的传导管线发生受损时，及时更换并配置应急接头，以确保监测与控制信号能够有效地双向传递。