油井鉆井工程中的能量分析與事故管理*

劉靜 符乃創

（1.重慶忠慶環境工程咨詢服務有限公司；2.重慶地質礦產研究院；3.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室；4.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心；5.油氣資源與探測國家重點實驗室重慶頁巖氣研究中心）

油井鉆井工程中的能量分析與事故管理*

劉靜1符乃創2，3，4，5

（1.重慶忠慶環境工程咨詢服務有限公司；2.重慶地質礦產研究院；3.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室；4.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心；5.油氣資源與探測國家重點實驗室重慶頁巖氣研究中心）

以油井鉆井工程為研究對象，根據鉆井工程現場實際用能狀況建立能量平衡模型。結合能量守恒定律，運用能級分析法對鉆進過程中的能量進行分析和計算，揭示這一過程的能量耗散及能量釋放特性。實驗中探討了鉆井工程中卡鉆、井漏、井噴、鉆具與落物事故等的事故原因和處理方法，提出了油井鉆井工程中鉆井事故的預防措施，為油井鉆井工程中能量的最佳合理性利用以及鉆井事故預防提供了依據。

鉆井工程 能量分析 熱效率 事故管理

石油鉆井工程中的每一個環節都伴有能量（機械能、熱能、電能等）的輸入與輸出，任何一個環節能量的不合理利用都會出現故障或發生事故，如卡鉆、井塌、井漏、井噴、鉆具和落物事故等，對整個系統構成威脅，甚至對整個油田的生產產生影響。所以，為了避免或減少鉆井事故風險，首先要對能量的利用狀況進行合理的分析，為鉆井工程能量系統的優化設計提供技術依據，為事故管理提供風險評價依據。

1 能量分析理論

1.1 能量分析方法

能量分析是應用能量傳遞和轉換理論分析用能過程的合理性和有效性，用能的合理性是指用能方式是否科學合理，用能的有效性則是指用能的效果，即能量被有效利用的程度[1-2]。能量分析方法就是在對實際用能設備和系統進行能量分析時，制定一套分析模型、建立能量平衡方程以及確立用能評價準則的方法。

常用的能量分析方法主要有兩種，即熱力學第一定律分析法（焓分析法）和熱力學第二定律分析法（熵分析法和■分析法）[1]。目前在工程上應用較多的是■分析法，它可以直接表征質的參數，易于理解和計算簡便。

1.2 能級分析法

從熱力學及工程應用的觀點來看，■分析法雖優于焓分析法，但并非完美無缺。實際上■分析法只是解決了能量分析結論的準確性和可靠性問題，并未解決也不可能解決供能與用能雙方如何合理匹配，以獲取最佳技術經濟效益的問題。鑒于此，我國學者楊東華教授于1982年提出了能量分析的新方法——能級分析法，他指出能級才是最恰當的描述能量的質量，而不是■，此后又有一些學者對能級分析方法及分析指標進行了研究[3]。

能級分析，就是依據能量平衡與■平衡原理，以能級匹配和能量減少、能量損失為用能指導思想，以供、用戶的能級差ΔΩ或能級系數 ξΩ和第一定律效率ηt作為能量利用合理性的質量和數量水平的兩個定量準則[4]，這兩者合在一起就能全面反映能量利用過程的質量和數量水平。能級分析的結果為解決供、用能之間能級的合理匹配，為能量系統的優化設計提供了技術依據。

1.3 能級分析通用模型

楊東華教授提出用ΔΩ和ηt兩個標準結合起來評價用能過程，并建立了一個通用用能過程的模型，如圖1。

圖1 楊東華教授通用用能過程模型示意圖[3]

現對該通用用能過程進行整體能量平衡分析。圖中設備的的熱平衡方程為：

設備的■平衡為：

考慮到由環境輸入設備的能量全部由■（Anergle）組成，即=0，整理式（1）、（2）得：

由式（3）、（4）可得整個系統的能級差：

式中：

Qu、 Eu——用戶的凈輸入能量和凈■輸入；

ΔΩ——能級差（系統輸入能量的能級與用戶所需能量的能級間的差值）；

ΔΩ1——系統內、外■損失引起的能級差；

ΔΩ2——系統的“沖淡”或“濃縮”作用引起的能級差；

ηt——設備的熱效率；

ηex——設備的■效率；

ηex，in——設備的內部■效率；

ηex,ext——設備的外部■效率。

能級匹配才是正確用能的關鍵。在能量的轉換過程中，應使ΔΩ盡量趨于0才能達到真正的按質用能，ΔΩ＞0與ΔΩ＜0的情形都要盡可能地避免。根據等式（5），若 ΔΩ＞0，則ηex＜ηt，這表明用能系統中有大量的■損耗，是不合理的；當ΔΩ＜0時， ηex＜ηt，這表明有大量的低能級的能量沒有得到利用就排放到環境中去了，根據能級平衡思想這也是不合理的用能方式。如果用能系統的供能和用戶能級有差異，對于ΔΩ＞0的情形，要采取措施“沖淡”輸入能量的能級；當ΔΩ＜0時，須在輸出處“濃縮”用戶的能級[5-6]。

2 創建能量平衡模型

2.1 建立能量平衡模型

油井鉆井工程是一項多工種、多工序、立體交叉和連續作業的復雜系統工程，也是一個由能源、設備、環境和用戶組成的大系統，該系統的任何一個部分或環節都伴有能量。系統中既存在由發電機等產生的電能，也存在由于位差或宏觀運動而產生的機械能以及因機械摩擦等產生的熱能。為此，本文引入大系統的能級分析法對鉆井工程中能量進行分析、計算，并以設備供能的能級與用戶能的能級之差或能級平衡系數作為設備的能量利用合理性的質量指標[7]。

以某油田某油井鉆井工程為研究實體，該油井采用旋轉鉆（轉盤鉆）以欠平衡壓力鉆井方式進行鉆進作業，油井的原始參數見表1。另外，在0～4240 m井段，井徑、鉆柱外徑和鉆柱內徑分別為220 mm、127 mm和100 mm；在4240～4340 m井段，井徑、鉆柱外徑和鉆柱內徑分別為216 mm、158 mm和74 mm。結合該鉆井工程的數據資料，參照楊東華教授提出的用能過程通用模型建立該油井能量平衡模型（圖2）。

圖2 油井能量平衡模型示意圖

表1 基本原始參數

2.2 實例分析

按照大系統的能級分析法要點不難得出：天車、井架、游車、大鉤、水龍頭、絞車、泥漿泵、泥漿池、污水池、防噴器、柴油機和電動機的能級分別為 0.85、0.56、1.0、1.0、0.68、1.0、1.0、0.57、0.62、0.79、1.0和 1.0，0～4240 m井段鉆柱、鉆頭、泥漿、套管的能級分別為0.46、0.78、0.65、0.52， 4240～4340 m井段鉆柱、鉆頭、泥漿、套管的能級分別為0.83、0.97、0.82、0.75，將這些數據帶入能量平衡模型中的能源、設備、環境、用戶子系統，得： Ω能源=1.0， Ω設備=0.769 6，Ω環境=0.485，Ω用戶=0.581。

所以，設備供能的能級與用戶能的能級差ΔΩ=Ω設備－Ω用戶=0.769 6－0.581=0.188 6，設備的熱效率ηt=88.35%。

從計算結果可以看出，該油井鉆井工程的熱效率不是很好，只有88.35%，設備供能的能級與用戶能的能級差很大，為0.1886，這說明該鉆井工程的能量利用不論是從數量上，還是從質量上都不太理想，沒能達到能量的最佳合理性利用，同時也說明該工程節能潛力很大。對于鉆井工程的節能工作，不僅要從數量上降低設備的能量損失，提高熱效率，而且要做到“按質供能、按級供能”，降低設備供能能級與用戶能級之間的能級差。

3 油井鉆井事故管理

由于受地質條件、裝備能力、技術水平、管理規范、施工經驗以及現場作業者熟練程度等因素的限制，加上鉆井管理體制和鉆井運行機制等因素的制約，鉆井過程中不可避免地會發生各種各樣的事故，造成重大的人力、物力、財力損失，甚至導致全井報廢，從而延緩勘探和開發進程[8]?？梢?，鉆井工程事故是鉆井施工過程的難題，減少或杜絕鉆井工程事故的發生，始終是鉆井科技工作者的工作目標。

3.1 事故分析比較

鉆井工程中卡鉆、井漏、井噴、鉆具與落物等事故的比較分析見表2。

從表2可以看出，鉆井事故發生的原因是多方面的，在實際工作中可以運用事故樹分析法對鉆井事故進行分析，從中找出事故致因[12]。其實，鉆井事故的發生與鉆井工程中的能量是否得到合理利用是有關聯的，因為在鉆井工程中任何一個環節出現能量的不合理利用，就會對整個鉆井工程構成威脅，處理不當就會發生事故，所以，能量理論及其分析法不僅可以用在鉆井工程中，也可以用來分析、解釋鉆井事故。

3.2 鉆井工程事故預防措施

為減少或杜絕鉆井工程事故的發生，降低鉆井成本，縮短建井周期，提高鉆井質量，最終提高整體效益。石油企業應采取以下措施來加強鉆井工程事故管理：

表2 鉆井工程中卡鉆、井漏、井噴、鉆具與落物事故的原因及處理方法[8-11]

1）加強隊伍建設，提高現場操作者的技術素質和業務水平，尤其是現場指揮者的素質。落實崗位責任制，加強崗位培訓，抓好崗位之間的配合，實現井隊全面質量管理。

2）加強施工過程中的技術、安全、質量監督。建立職業監督隊伍，加強人員培訓，完善監督機構；嚴格履行鉆井監督職責，堅持施工過程中“安全”否決權，嚴格按設計施工，嚴格執行國家標準、行業標準和企業標準。

3）不斷完善HSE管理體系，定期與國際石油企業HSE管理組織或機構進行技術交流。

4）組建鉆井工程事故處理中心，堅持“三不放過”原則，加強鉆井工程安全與事故處理科研工作，使鉆井施工各個環節都建立在可靠的技術基礎之上。

5）逐步建立規范化的鉆井工程市場。要主動規范內部鉆井市場，采用合理的標價和科學的程式，招攬優秀的鉆井工程隊伍進行施工。

6）建立人機智能交互系統，并加快鉆井裝備的更新改造，用較先進的裝備武裝鉆井隊伍。

4 結論

能級分析法是以能級差ΔΩ（或能級平衡系數ηΩ）作為能量利用合理性的質量指標，與作為能量利用合理性的數量指標ηt一起，可以全面評價和分析用能過程的合理性。這一分析法是基于對節能本質新的認識而產生的。只有能級平衡法才能獲得供能與用戶所需能量質量間的匹配關系。為了合理有效地利用鉆井工程中的能量和減少或杜絕鉆井事故的發生，引進了能級分析法，并結合能量守恒定律，對油井鉆井工程中的能量進行分析、計算，為能量的最佳合理性利用提供指導思想，為鉆井事故的預防提出相應措施和對策。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2014.004.014

2014-01-24）

劉靜，2009年畢業于西南大學，從事環境工程、環境影響評價方面工作，E-mail：154926118@qq.com，地址：重慶市渝中區煤建新村37號4-1，400000。

重慶市國土房管局重大科技攻關項目（CQGT-KJ-2012-6）