石油天然氣鉆井工程風險控制技術研究

楊 智

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司培訓中心井控培訓中心 四川成都 610213

隨著我國社會經濟水平的不斷提高，石油和天然氣在我國經濟發展中的占比也進一步提升。作為供應我國能源的主要來源，需要首先重視石油天然氣開采過程中風險控制問題，以進一步提高石油天然氣的開采效率。

1 自動化鉆井技術

1.1 自動化鉆井裝備

隨著自動化技術在石油天然氣鉆井開采工作中的應用，包含自動化鉆機、自動化控制系統、自動化測量系統的研用，促使自動化鉆井技術再度發展到了一個高潮。由意大利某公司研發的AHEAD 自動化鉆機同時兼備電動驅動和液壓驅動，并且其又配置了全自動的離線處理、流量監測及連續循環系統，可以當作智能鉆桿使用，且其又具備流量監控和自動送鉆、連續循環功能，使用這種鉆機，可提升鉆井效率超50%。另外由另一家油井公司研發的自動化閉環鉆井系統，可以自動獲取到井底壓力、鉆壓、井下振動等參數信息，同時又可以完成地面和井下設備以及工具參數的優化工作，這種鉆井系統在美國某頁巖區開采中的實踐應用，做到了機械鉆速最大化，且其系統日均進度提升了17%。不僅如此，某公司研發的在線鉆井液測試系統，可以同時完成鉆井液流變性、慮失量、硫化氫含量以及密度、pH 值、粒徑分布、固相含量、電導率等參數，能夠完整地預測并分析出鉆井液性能的變化情況并適當給出調整建議。挪威某機器人鉆井系統研發公司研制的全自動鉆臺機器人能夠完成鉆桿自動化處理，且目前該系統已投入實際應用中。

1.2 井下自動控制技術

事實上，這種技術的發展核心應該從井下自動鉆井系統和井下信號隨鉆傳輸技術兩方面體現出來。如果從隨鉆測量信號傳輸的角度來分析，除了能提高鉆井液脈沖信號傳輸性能以外，同時也開發了有線鉆桿、電磁傳輸、聲波傳輸等在內的多重技術。斯倫貝謝公司研制的MWD 鉆井液脈沖數據傳輸平臺DigiScope 以及XACT 公司研制的鉆柱聲波傳輸系統，成功地克服了以往鉆機傳輸速率低、數據量小、脈沖噪聲影響和調速受限、泡沫鉆井信號傳輸困難、空氣鉆井信號等問題。另外由某公司研發的Intelliserv 智能鉆桿的傳輸速率達到了2Mb/ s，此為近年來鉆井技術研發領域邁出的重要一大步。

而對于井下自動鉆井系統而言，主要從旋轉導向系統與自動垂直鉆井系統的研發及其性能的提升來體現其發展，能在做到地層多參數精細評價與眼軌跡高精度控制的基礎上，大幅提升其測控性能[1]。

2 鉆井液技術

關于鉆井液的研發，重點體現在其能夠抵抗高溫的能力、抗抑制性、環保性及防堵漏性幾個方面體現出來。時下水基鉆井液最高可以在243℃的高溫下使用，且密度最大可達到2.87g/ cm3。而油基鉆井液其參數則分別為265℃和2.39g/ cm3，另由斯倫貝謝公司研發的超高溫高壓油基鉆井液的密度則為2.39g/ cm3，這種鉆井系統在260℃的高溫下性能也同樣比較穩定，而高溫高密度水基鉆井液參數則分別為232℃和2.3g/ cm3。

由貝克休斯和哈里伯頓等部分公司研發的頁巖氣水基鉆井液可以同時抵抗封堵微裂縫及空隙壓力傳遞，并且其同時具備高潤滑性、強抑制性、低慮失性、降摩阻性及阻絕泥包與環境友好等特征，這種技術多被應用于頁巖氣鉆井工作中。此外由德克薩斯大學研發的納米顆粒頁巖抑制劑，成功地攻破了頁巖井壁失穩的問題，再者也保證了水基鉆井液鉆穿頁巖地層工作的安全開展。

沙特阿美公司與挪威Wellcem 公司研發的熱活性樹脂堵漏材料能在很短的時間內于地層溫度下固化，固結發生時的溫度為20～150℃，此時的密度控制為0.75～2.5g/ cm3，該系統適用于密度較窄的窗口鉆井工程中。

另外氟基抗高溫鉆井液是由哈里伯頓公司研發的，且它是由氯化鈣鹽水、全氟聚醚、氟乳化劑共同配制合成的，這種鉆井液不僅熱穩定性高，且抗氧化性也較強，受抵溫度可以超343℃。由中國石油研發的高溫高密度水基鉆井液的參數分別為232℃和2.3g/ cm3。中石化工程院研發的超密度鉆井液密度高達2.87g/ cm3[2]。

3 隨鉆地層測試技術

國外關于隨鉆地層測試技術的研發基本已經實現了地層取樣測試分析及地層壓力測量。例如，由哈里伯頓公司研發的智能測試系統就可以經測量實時獲取到儲層動態數據和井下數據、井下信息等，達到了及時優化鉆井方案并且快速決策的目標。系統的構成包括智能測試閥、單相取樣器和無線傳輸系統，可忍耐最高溫度為204℃，最高可抵抗140MPa 壓強。相較于其它系統而言，該無線傳輸系統可以實現雙向傳輸，即不僅能夠把井底的壓力數據傳輸到地面，對其測試狀態進行實時監控，同時又能把地面產生的指令傳輸到工具。壓力計托筒、油管試壓閥、選擇測試閥、OMNI 循環閥共同構成了智能測試閥，且適用于井下開關及循環等作業中，可以快速反應出操作結果。此外，單向取樣器附帶了9 只取樣腔，因此它可以實現全工作過程全封閉、壓力補償、多次取樣預防樣品被污染，又可以精確地將取樣地層溫度與壓力記錄下來。再者，斯倫貝謝公司研發的三維徑向探測儀具備徑向探測和延伸的性能，可用于取樣地層動態流體參數及測量壓力參數。系統配置有4 個間隔90°的自封吸附式探測器，因此可以探測到周圍0.05m2以內的流體范圍，是常規探測流體范圍的12 倍，又可以測試0.01mD（mPa·s）的低流動性與低滲透性地層中的壓力，墨西哥成功地完成了在抗壓強度300pi（2068.8kPa）欠膠結地層中的流體取樣作業。

隨鉆地層壓力測試儀是中海油田服務股份有限公司研制開發的鉆機系統，它能夠定點定時地完成地層壓力與地層密度的測量工作，且系統能抵抗的最高溫度為150℃，以及系統能抵抗的最高壓強為138MPa，此外，能抵抗的地層最高測量壓力為110MPa。經由中石油工程院研發的井底環空壓力隨鉆測量系統可以保證被測量井底環空和柱內的壓力及溫度，同時系統既可以單獨使用也可以對接MWD 聯合使用，該系統能抵抗最高使用溫度為150℃，且系統能抵抗最高壓強為170MPa。微芯片測量儀是由塔爾薩大學研發出來的，該儀器設備能夠充分利用鉆井液經循環測量得到環空壓力數據、井底溫度等信息參數，不僅操作起來簡便而且應用成本也不高[3]。

4 石油天然氣鉆井工程風險控制技術

4.1 確定風險量化原則

基于以往作業經驗可以得知，鉆井工程風險具有突發性高、預測困難度高等特點，因此在對其展開控制時，需要應用不同的量化原則，以此來確保事故出現后應急處理過程的時效性，降低安全風險事故帶來的危害性。在量化原則的擬定中，需要對其進行適當簡化，借此來方便計算工作的進行。現階段所使用的固有風險指數為G，其評分范圍在0～100 分，如果得分較高，那么表示目前存在較為嚴重的安全風險，并且也具備了較高的事故發生概率；而易發性的風險指數設定為Y，其評分范圍在0～100 分，若得分較高那么表示風險事故發生概率較大；嚴重類型的風險指數設定為S，其評分范圍在0～10 分，得分越高表明風險帶來的后果越嚴重。

4.2 明確風險分級標準

在對石油天然氣鉆井工程作業風險展開控制時，也需要明確相應的風險等級劃分標準，此過程也需要交給專業人員進行負責，而且所擬定的分級標準需具備較強的細化度，這樣也可以提高評估結果的可靠性，不斷提升工程運行過程的安全系數。一般情況下會將風險標準劃分為四個應用等級，具體內容如下：

（1）1 級風險，其對應評分為0～100 分，表示鉆井工程不存在較大的風險問題；

（2）2 級風險，其對應評分為100～200 分，表示鉆井工程存在中等風險問題；

（3）3 級風險，其對應評分為200～500 分，表示鉆井工程存在較高等級風險問題；

（4）4 級風險，其對應評分超過500 分，表示鉆井工程存在非常高等級的風險問題，需及時組織專業人員進行處理，以降低工程帶來的風險性。

4.3 建立風險評估體系

完成上述工作內容后，進入風險評估體系的搭建階段，相關作業人員需要對風險體系中的相關內容展開深入了解，同時也需要做好實地考察工作，對于該地區基本作業環境、地質結構、氣候條件等內容，這些都是非常重要的影響因素需對其展開針對性，以此來得出鉆井工程施工期間的常見風險、突發性風險、嚴重性風險，提高后續風險分析評估過程的可靠性，確保所擬定施工決策的可行性。而且在體系建設過程中，也會基于信息技術對于系統運行數據進行實時獲取，以此來作為風險評估活動的重要參考，提高預防措施的有效性。

4.4 突發事故應急處理

在石油天然氣鉆井工程施工過程中，也會面臨一些突發性事故，這也是風險處理時重點關注的內容，常見突發性事故包括井噴失控、鉆井局部塌陷等，這也需要及時采取應急處理措施來進行整理，以降低突發事故帶來的危害性。以井噴失控事故為例，在對其展開應急處理時，應注意以下幾點：

（1）出現井噴失控事故時，需要及時成立救援小隊，向井筒內噴水降溫，控制失控狀況。相關管理人員要及時進行現場指導，與施工人員之間做好協調工作，借此避免井噴事故影響擴大化，減少此問題帶來的負面影響。

（2）監管部門也需要在現場做好監測工作，檢查空氣中天然氣、硫化氫濃度，若超出安全值需及時組織人員進行處理，減少火災、爆炸、中毒等次生災害。應急處理中需秉持安全第一原則，避免對施工人員造成生命威脅。

5 結語

綜上所述，在石油工業工程中，石油鉆井技術扮演著非常重要的角色，且基于行業性激烈的競爭趨勢影響作用下，研究和優化石油鉆井技術更有利于石油資源勘探，且對其行業性發展極具現實性影響意義。隨著我國各種鉆井工程技術的發展和優化，當前所取得的經濟效益比較可觀，然而，受到環境因素的影響，石油資源也逐漸變得緊缺，為此，就需要在原有的鉆井技術的基礎上進一步進行深化研發，嚴控鉆井測量技術實踐中的風險因素，將工作重點放在油氣層保護鉆井液技術研發上面來。