深水窄壓力窗口鉆井井控風險定量評價研究

劉海飛，李 成,覃 毅

1.中國石油大學（華東）石油工程學院 （山東 青島 266580）

2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司 （河北 任丘 062552）

深水窄壓力窗口鉆井井控風險定量評價研究

劉海飛1，李 成1,覃 毅2

1.中國石油大學（華東）石油工程學院 （山東 青島 266580）

2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司 （河北 任丘 062552）

深水地層由于上覆海水密度低導致其壓實程度低，破裂壓力與坍塌壓力之間的壓力窗口窄，相應的鉆井液安全密度窗口窄，這使得溢流和井漏頻繁發生，如果處理不當易引發井噴事故。應用屏障與操作風險分析法，以事故發生實際概率相對于平均概率的增幅來描述風險高低，建立深水窄壓力窗口鉆井井控風險定量評價模型。以深水井涌為初始事件，在考慮呼吸效應的基礎上，建立深水窄壓力窗口鉆井井涌事件樹。初始事件井涌發生后，經過8項事件工序，最終可能產生22種結果，其中有7種結果為井噴及井噴失控的情況。根據建立的事件樹設置7個預防性屏障，用以阻止井涌發展到井噴，并通過敏感性分析得出各屏障失效對整個屏障系統影響大小。根據國外文獻計算出深水鉆井井噴發生的行業平均概率為1.209×10-5，以一口已鉆深水井為例，進行了風險定量計算，計算結果與該井實際情況一致，驗證了模型的可靠性。

深水鉆井;井涌;井噴;事件樹;井控風險

海洋深水地區泥線以上覆蓋的是海水(ρ海水≈1.025g/cm3)，而陸地同深度地層之上覆蓋的是巖層（ρ巖石≥2.5g/cm3），在泥線深度位置兩者相比，深水區域上覆重量要遠小于陸地區域上覆重量，這就導致深水泥線以下地層壓實程度遠低于陸地同深度地層，其破裂壓力與坍塌壓力之間的壓力窗口相應要窄，從而井涌事件易于發生，如果處理不當將導致井噴甚至井噴失控。為了防止此類事故發生，可以設置安全屏障來防止其發生或者阻止其發生后產生的傷害。安全屏障研究始于2003年挪威的屏障與操作風險分析工程[1]（Barrier and Operation Risk Analysis，以下簡稱BORA），薛魯寧[2]、鄧海發[3]、武勝男[4]、佟彤[5]、胡滿[6]、Nahid Ramzali[7]、Jyoti Bhandari[8]等人也對此做過研究，但他們大多是定性探討井噴安全屏障設置，未進行定量分析，且均未考慮深水窄壓力窗口下呼吸效應給井控工作帶來的影響。基于BORA方法，以井涌為初始事件(Initiating Event，以下簡稱IE)，在考慮呼吸效應影響[9]的基礎上，對井噴發生的概率進行分析，為深水鉆井井控安全提供一定的理論指導。

1 深水鉆井井噴事故風險概率模型的建立

為防止初始事件發展到事故所建立的防控系統（預防性屏障）和事故發生后為防止人員傷亡、環境破壞和財產損失所建立的保護控制系統（保護性屏障）合稱為安全屏障，本文研究只涉及預防性屏障。

初始事件發生后，若屏障系統部分或完全失效，則事故發生。因此，事故發生的概率等于初始事件發生概率與屏障失效概率的乘積。由于事故發生的平均概率P和實際概率P'數值非常小，用絕對值不能有效地顯示波動水平，因此采用事故發生實際概率相對于平均概率的增幅R來描述風險高低，如式（1）所示：

當R＞0時，事故發生實際概率較高；當R=0時，事故發生實際概率與行業平均水平相持平；當R＜0時，即事故發生實際概率較低。

其中，事故發生的平均概率和實際概率分別如式（2）、式（3）所示：

式中：λT，λ'T分別為初始事件發生的平均概率和實際概率；Pf,BS，P'f,BS分別為安全屏障失效的平均概率和實際概率。

2 深水鉆井井噴事故平均概率的計算

統計數據資料來源于美國安全與環境執法局網站上e-well系統收錄的墨西哥灣外大陸架所鉆的259口深水井[10]以及美國墨西哥灣83口井[11]井涌事件統計資料。記錄顯示在19 065個防噴器總工作日中共發生129次井涌事件，則深水鉆井井涌發生的平均概率為：

2.1 深水鉆井井控預防性屏障建立及失效平均概率計算

2.1.1 深水鉆井井涌事件樹的建立

利用事件樹建立的基本原理，結合溢流產生、發展到井噴及井噴失控的過程，分析井控工藝和井控裝備實施和使用后是否成功恢復對井內壓力的控制，在考慮呼吸效應基礎上，建立了包含8項事件工序的深水窄壓力窗口鉆井井涌事件樹如圖1所示。

圖1 深水窄壓力窗口鉆井井涌事件樹

井涌發生后，若在溢流進入隔水管之前就能檢測出來，則有充足的時間初步判斷是否為呼吸效應并進行關井。呼吸效應中回吐的鉆井液即為之前漏失進周圍地層中的鉆井液，在正壓差的作用下，井口處觀察到鉆井液的外溢速度是會逐漸減小直至停止的，而對于井涌來說，溢流會越來越嚴重的。若為呼吸效應則不需進行控制，可以繼續安全鉆進；若為井涌即可安全關井并壓井。若早期溢流監測工作失敗，溢流進入隔水管，則應立即關井并啟動分流器通將油氣及時排到平臺外面。

若早期溢流監測工作成功，在初步判斷為井涌后應立即關井，若無法關閉BOP密封環空的話應立即啟動剪切閘板防噴器剪斷鉆桿徹底封閉井口防止井噴，此時井涌被壓住，但溢流被圈閉在剪切閘板以下（圖中紅線過程）。關井成功后先判斷發生的是呼吸效應還是溢流，若判斷錯誤，則會造成地層破壞或井噴，若判斷正確，則可以繼續鉆進或進行壓井。

若早期溢流監測工作失敗，但成功關井并分流，且對呼吸效應與溢流甄別正確為井涌后，即可進行壓井。若分流工作失敗，則須立即關閉鉆桿內安全閥及剪斷鉆桿徹底封井，防止發生井噴。

該樹發展最終有22種結果，其中有7種結果（C、H、J、L、Q、T、V）為井噴及井噴失控，3種（A、D、M）確定為呼吸效應可以繼續安全鉆進，2種（B、K）地層破壞，其余情況均為恢復對井內壓力的控制。

2.1.2 深水鉆井井噴預防性屏障的建立

圖1事件樹中共經歷8項事件工序，其中有7項的成功和失效關乎著井控工作的成敗，因此將這7項事件作為深水窄壓力窗口鉆井井噴的預防性屏障，其具體功能見表1。

目前國內外關于深水鉆井呼吸效應的研究剛起步，相關數據較少，在下面計算時不予考慮。

2.1.3 深水鉆井井噴預防性屏障平均失效概率計算

每個屏障都是由若干個組件組成，該屏障的失效平均概率為各組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須先求出各組件在測試周期內的平均失效概率[12]：

式中：λxi為各屏障中各組件平均失效概率，x指屏障序號，i指該屏障中各組件序號；τ為該組件測試周期。

根據文獻資料[10-11]中的統計數據，應用式（5）計算出各屏障失效概率及成功概率見表2。

由圖1可知，H、J、Q、T、V這5個結果為井噴事件，則由初始事件井涌發展到井噴這5個序列的屏障功能作用情況見表3。

則井控系統功能失效的平均概率為5個井噴序列概率之和，如式（6）所示。

表1 深水井控系統各級屏障功能

表2 各屏障失效及成功概率

表3 井噴事件序列屏障功能組合表

將式（4）、式（6）的結果代入式（2）中，得出井噴事故發生的平均概率為：

在實際工作中，應根據所研究的區域已經發生溢流的數據，計算相對應的井噴發生平均概率。

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對整個屏障系統的影響大小可以通過敏感性分析得出。當各屏障功能失效概率均降低50%后，井控系統失效概率降低情況見表4。

由表4可以看出，屏障2A和7B對屏障失效影響較大，影響程度分別為38.15%和45.93%；屏障6和8對屏障失效影響最小，分別為0.40%和0.08%，所以以下計算分析中將不考慮屏障6和8的影響。

表4 屏障功能失效對井控系統功能失效影響的敏感性分析表

3 深水鉆井井噴事故發生實際概率模型的建立

事件失效發生的實際概率是在對待評價對象各風險影響因素的實際風險狀況評價基礎上得出的，BORA認為風險影響因素的權重（w）和風險等級（s）共同影響某一失效事件發生的實際概率，事件失效的實際概率（λ'）由式（8）計算得到[1]。

式中：n為風險影響因素個數；wi（i=1,2,3,……，n）為影響該事件發生概率的第i個因素的權重；si（i= 1,2,3,……，n）為根據該評價對象實際情況判斷的第i個因素所屬的風險等級；Q(si)為第i個因素風險等級的等級量化值，為事件發生的統計平均概率。

各因素的權重可以通過查閱文獻資料以及專家打分獲得。為了衡量各因素風險等級，給每個因素都制定一個衡量指標，將各指標按照對事故發生貢獻率由低到高劃分A～E 5個風險等級，根據待評價井各因素實鉆資料，判斷風險等級。BORA給出Q(si)的計算方法如下：設λlow為失效事件發生的實際概率λ'的下限概率值，λhigh為實際概率λ'的上限概率值，則各風險等級量化值如式（9）所示。

由此可以計算出初始事件井涌發生的實際概率λ'T，并由式（6）計算出屏障系統失效的實際概率P'f,BS，再根據式（3）計算出井噴事故發生的實際概率P'，最終結合式（7）計算出井噴事故發生的行業平均概率，由式（1）計算出待評價井井噴事故發生概率的高低。

4 實例計算分析

美國墨西哥灣深水井Block47-1井，于2007年開鉆，設計井深1 937m。根據該井的實鉆數據（表5中第三列數據）及資料查閱專家打分，得出各影響因素的權重、狀態等級，并按式（9）得出狀態等級量化值，如表5所示。應用上文中建立的模型，計算該井井噴風險大小。

4.1 計算井噴各屏障失效的實際概率

將表5中各屏障的影響因素權重w和狀態等級量化值Q(s)代入式（8）中，得各屏障實際失效概率：

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 井控系統功能失效的實際概率

4.3 井噴事件發生的實際概率

將式（7）和式（10）代入式（1）中，得增幅R：

4.4 風險等級判斷

該井井噴發生概率增幅為42.20%，及該井井噴發生的可能性比行業平均水平高出近一半的可能，風險較高，易發生井噴事故。該井實際鉆進過程中實施井控工作的次數較多，這與模型所得結果一致，需要針對表5中狀態等級大于C的每一個風險影響因素進行控制。

表5 Block47-1井風險影響因素及其指標、權重、狀態等級及狀態等級量化值

5 結論

1）依據BORA的分析方法，以井涌為初始事件，在考慮呼吸效應的基礎上，建立深水窄壓力窗口鉆井井控風險概率模型。

2）應用事件樹分析法，在考慮深水窄壓力窗口影響的基礎上，建立深水鉆井井涌事件樹。經過8項事件工序，最終可能產生22種結果，其中有7種結果為井噴及井噴失控，3種為呼吸效應可以繼續鉆進，2種地層破壞，其余情況均為恢復對井內壓力的控制。

3）根據建立的事件樹設置7個預防性屏障，用以阻止井涌發展到井噴。通過敏感性分析得知，屏障2A和7B的失效對屏障系統影響最大，屏障6和8影響最小。

4）應用文獻資料計算出深水鉆井井噴發生的行業平均概率為1.209×10-5，在實際工作中應根據所研究的區域已經發生溢流數據，計算相應的井噴發生平均概率。

5）以墨西哥灣一口已鉆深水井的實鉆資料為例，計算該井發生井噴的實際概率比行業平均概率高42.20%，計算結果與該井實際情況一致，驗證了模型的可靠性。

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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

劉海飛（1993-），男，主要從事油氣井力學、信息與控制及井控風險評價方向研究。