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砂橋卡鉆鉆井事故安全評價系統(tǒng)

文檔作者：羅剛孫萌方朝剛馬海峰文檔來源： 1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院2.江漢機械研究所3.長江大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院4.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月23日
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石油機械
2013年第41卷第5期
 CHINA PETROLEUM MACHINERY
鉆井技術(shù)與裝備
砂橋卡鉆鉆井事故安全評價系統(tǒng)
羅剛2孫萌3方朝剛2馬海峰
(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院2.江漢機械研究所3.長江大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院4.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院)
摘要:卡鉆事故是鉆井作業(yè)中最為常見也極易發(fā)生的井下事故,準(zhǔn)確及時地判斷卡鉆事故類
型對保障鉆井作業(yè)的安全高效具有重要意義。為此,在調(diào)研國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上提出了造成砂橋
卡鉆事故的各種因素,利用層次分析法建立了砂橋卡鉆事故安全評價體系,隨后采用模糊數(shù)學(xué)理
論中的指標(biāo)隸屬度刻畫方法,建立了砂橋卡鉆事故各種相關(guān)因素量化指標(biāo)的隸屬度函數(shù),最后利
用VC程序開發(fā)了砂橋卡鉆事故安全評價系統(tǒng)。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)可準(zhǔn)確計算出砂橋卡
鉆事故風(fēng)險概率,并提供事故處理方案,對預(yù)防和處理砂橋卡鉆事故具有指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞:砂橋;卡鉆;安全評價;層次分析法;模糊隸屬度;井下事故
中圖分類號:TE28文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Adoi:103969 9/ issn.1001-4578.2013.05.002
 Safety Evaluation System for Sand Bridge Sticking Accident
 Luo Gang.2 Sun Meng? Fang Chaogang?Ma Haifeng'
 (1. College of Mechanical Engineering, Yangtze University 2. Jianghan Machinery Research Institute 3. College Economics,
 Yangtze University 4. College of Mechanical and Electrical Engineering, Southcest Petroleum University)
 Abstract: Sticking is the most common downhole accident which is easiest to take place in the process of drill-
 ing. Exact and timely judgment of sticking type is of great importance to guaranteeing the safe and high -efficiency
 drilling operation. Therefore, the factors which cause sand bridging were summarized on the basis of investigating
 nd foreign information concerned. The analytic hierarchy process (AHP) was used to establish the stick-
 afety evaluation system. Then, the index and hierarchy characterization method in the fuzzy math-
 oplied to establish the membership function of the quantitative indexes of various relevant factors
 sticking. Finally, the VC program was applied to develop the sand bridge sticking safety evaluation
 s that the system can precisely calculate the risk probability of sand bridging, providing
t
 lent. The study can serve as a guide to prevention and handling of sand bridging
 sticking; safety evaluation; AHP: fuzzy membership: downhole accident
的作用。筆者在調(diào)研國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上提出了造
0引言
成砂橋卡鉆事故的各種因素,利用層次分析法2-3
建立了砂橋卡鉆事故安全評價體系,用模糊數(shù)學(xué)理
鉆井過程存在著大量造成各類卡鉆事故的因論中的指標(biāo)隸屬度刻畫方法建立了砂橋卡鉆事故各
素,故卡鉆事故是鉆井過程中最為常見且極易發(fā)生相關(guān)因素量化指標(biāo)的隸屬度函數(shù)4-,最后利用
的井下事故解決卡鉆事故的措施及方法因事VC開發(fā)了砂橋卡鉆事故安全評價系統(tǒng)。該評價系
故類型不同而不同,準(zhǔn)確、及時、有效地判斷卡鉆統(tǒng)為有效預(yù)測砂橋卡鉆事故提供了技術(shù)手段和技術(shù)
事故類型對于提高整個鉆井作業(yè)的安全性起著重要保障,現(xiàn)場試驗驗證了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。
基金項目:中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)開發(fā)項目“陸上鉆井事故模擬仿真及安全評價技術(shù)研究”(06B7101)。
石油機械
2013年第41卷第5期
層次判斷矩陣,計算出B1~B各因素的權(quán)重。B
1砂橋卡鉆事故安全評價體系建立層次判斷矩陣如表1如示
表1砂橋卡鉆指標(biāo)因素重要性判斷矩陣
由于造成砂橋卡鉆事故的因素比較多,各因素
 Table Imp
 ent matrix for
之間并非相互獨立而是具有一定的內(nèi)在聯(lián)系,所以
 sand bridging index factors
采用層次分析法建立砂橋卡鉆事故安全評價體系模
主要地質(zhì)因井的性鉆設(shè)鉆具組鉆井參操作
茵素素B1質(zhì)B2備B3合
平B
型,用模糊數(shù)學(xué)理論中的指標(biāo)隸屬度刻畫方法,建
立砂橋卡鉆事故各相關(guān)因素量化指標(biāo)的隸屬度
地質(zhì)因143
B2
1
函數(shù)。
質(zhì)B211%
1.1砂橋卡鉆事故安全評價體系層次結(jié)構(gòu)模型
造成砂橋卡鉆的主要因素包括:地質(zhì)因素
鉆井設(shè)212
(B1)、井的性質(zhì)(B2)、鉆井設(shè)備(B3)、鉆具組
鉆組1%1%
合B4
合(B4)、鉆井參數(shù)(B3)以及操作水平(B)
等6個方面,且主要因素又是由29個(C1-C2)
鉆3231
不同的、單獨的子因素構(gòu)成。按照層次分析法理操作水
論,將砂橋卡鉆事故安全評價體系層次結(jié)構(gòu)模型分平B1
43421
為B層(主要因素)、C層(子因素)2個層次結(jié)
B層次判斷矩陣的最大特征值= max eig
構(gòu),如圖1所示。
巖石性質(zhì)C
()=6.0458,c·0.00916n=6;查得R
地層壓力C
2)=1.26,C·R=0.0073<0.1,矩陣具有滿
孔隙度C
地質(zhì)因素B
滲透率
意的一致性。歸一化后得到權(quán)重WB=(0.2938,
地層傾角C
i=1
巖石強度C
0.0641,0.1072,0.0641,0.1771,0.2938),W
地層情況C
B
巖石吸水能力C
是最大特征值所對應(yīng)的最大特征向量;C·R=
一井的性質(zhì)B
井的類型C
(-n)
井段C
n-1,n為矩陣階數(shù)。當(dāng)n確定時,C·R為
□鉆井設(shè)備B
操作參數(shù)監(jiān)測設(shè)備C
鉆型號
一常數(shù),若C·R<0.1,認(rèn)為滿足一致性,計算數(shù)
鉆頭直徑C
據(jù)真實、有效。
鉆蜓直徑C
為進(jìn)一步細(xì)化B層次各主要因素,按照鉆井
鉆具組合B
扶正器個數(shù)C
鉆頭類型C
過程將B層次各主要因素進(jìn)一步分解構(gòu)造C層次
扶正器類型C
模型及其判斷矩陣。依上述方法分別構(gòu)造C1-C3;
起鉆速度C
機械速
鉆井液循環(huán)壓力C
6個判斷矩陣,求出C1~Ca;C~C1;C~C12;
鉆井液密度C
C-C;C1-C26;C2-C29分別對于B1、B2、
鉆井參數(shù)井液黏度C
B3、B4、B3、B主要因素的權(quán)重Wc,再經(jīng)過歸一
鉆并液切力C
鉆井液失水C
化處理后,最終得出C層次各子因素對砂橋卡鉆
鉆井液排量C
事故的權(quán)重Wc。其計算公式為:
鉆井液性質(zhì)C
W=W×W
(1)
規(guī)章制度及執(zhí)行情況
操作水平B
安全教育及培C
式中WC層次子因素對于砂橋卡鉆事故的
司鉆技術(shù)等級C
權(quán)重;
圖1砂橋卡鉆事故安全評價體系層次結(jié)構(gòu)模型
W第i個元素在C層次中所占有的比
 Fig Hierarchy model of safety evaluation
重;
 system for sand bridging
1.2砂橋卡鉆事故各因素權(quán)重確定
素在B第i個元素所對應(yīng)的B層次主要因
層中所占有的比重。
根據(jù)層次分析法中“1-9標(biāo)度法”2,構(gòu)造B
經(jīng)計算得出:
2013年第41卷第5期
羅剛等:砂橋卡鉆鉆井事故安全評價系統(tǒng)
8
Wc=(0.3221,0.1452,0.0359,0.0359,
0.1094,0.3192,0.0683)T(5)
0.0872,0.2294,0.0895,0.0559)
W=(0.0342,0.0342,0.0528,0.0236,
(2)
W=(0.25,0.75)
(3)
0.2110,0.1335,0.0830,0.2110,0.1335)(6)
29
W=(0.0658,0.1490,0.0785)T(7)
W=(0.25,0.75)
(4)
11
按照公式(1)計算得出C層次子因素對砂橋
1
W=(0.3192,0.1840,
卡鉆事故的權(quán)重WA,列于表2。
表2砂橋卡鉆事故因素總排序
 Table 2 Overall sequencing of sand bridging factors
 Wco Wce Wens Wca Wcann
0.09430.04270.01050.01050.02560.6740.02630.01640.01600.0480
 Wcut Wca WCAD3 WCANA WCAIS WCuI16 Wcau Wcas Wcns Wcon
00
0.02680.08040.02050.01180.00700.02050.00440.00610.00610.0094
 Wcut Wcon Wco Wco4 Wcas Wcos Wco Wcas Wca Wco
0.00420.03740.02360.01470.0740.02360.01470.01930.04380.0231
從表2中可分析出巖石性質(zhì)及巖石強度是造成度函數(shù)。
砂橋卡鉆事故的主要因素。
按照層次分析法及模糊數(shù)學(xué)理論,在確定了砂
橋卡鉆事故各子因素的權(quán)重及隸屬度函數(shù)后,即可
2砂橋卡鉆事故隸屬度函數(shù)確定
以準(zhǔn)確計算出砂橋卡鉆事故發(fā)生的概率,完成砂橋
卡鉆事故的定量分析。用于定量分析的計算數(shù)學(xué)模
采用基于模糊理論的指標(biāo)隸屬度刻畫方法,建型為:
立砂橋卡鉆事故各相關(guān)因素量化指標(biāo)的隸屬度函
(8)
數(shù)。表3列出了砂橋卡鉆事故部分典型因素的隸屬
y=∑w
表3砂橋卡鉆事故典型因素隸屬度函數(shù)
 Table 3 Membership function of typical factors of sand bridging
影響因素
各指標(biāo)隸屬度函數(shù)x
巖石性質(zhì)C1x1取值:巖漿巖取0.5;沉積巖取0.6;變質(zhì)巖取0.5
孔隙度C3
x3取值:當(dāng)孔隙度∈[0,5)時,x3=0.;∈[5,10)時,x3=0.3;∈[10,15)
時,x=0.5;∈[15,20)時,3=0.7;∈[20,25)時,x)=0.9;甲≥25時,x3=1
滲透率C4
x取值:當(dāng)滲透率[0,1)時,x4=0;∈[,10)時,x4=0.1;∈[10,100)時,
=0.5K10100)時,.710,=0.9滲透率單位:D
巖石強度C
x6取值:極軟取0.9;中軟取0.7;中取0.4;硬取0.2;極硬取0.1
并段C
質(zhì)值,5,,
xa取值:直井段取0.5;斜段取0.8;水平段取0.7
x取值:當(dāng)鉆艇直徑D[0,10)時,x14=.4;De10,20)時,x4=0.5;D>20時,
鉆直徑C4X14=0.6;D的單位:mm
x2取值:當(dāng)鉆并液密度p[00.1)時,x2=0.1;pe[1.0,1.2)時,x21=0.3;p∈
鉆井液密度C2
[1.2,1.5)時,x21=0.5;pe[1.5,2.0時,x2=0.8;p≥2.0時,x21=0.9;p的單位:
 g/
鉆液黏度(2取值:當(dāng)鉆井液粘度∈[1,10時,xn=0.3;n∈[10,40)時,xn=0.5;n∈
[40,80)時,Xn=0.7;n≥80時,Xn=0.9;n的單位:mPa
鉆井液切力C2x2取值;當(dāng)鉆井液切力r∈[1,5)時,x=0.9r[5,10)時,x=0.7≥10時
x2=0.5;的單位:mgcm
x取值:當(dāng)鉆井液失水q∈[0,10)時,x24=0.4qe[10,25)時,x24=0.6q∈25
鉆井液失水C2440)時,X24=0.9;q≥40時,X24=1.0;q的單位:m
鉆井液排量C2x取值:當(dāng)鉆井液排量Qe[0,1)時,x2=01;Q1,2)時,x25=0.3;Q∈[2,
3)時,x25=0.6;Q∈[3,5)時,X2=0.8Q5時,x2=1.0;Q的單位:m3/min
1
石油機械
2013年第41卷第5期
免事故的發(fā)生,并且做好事故預(yù)案,砂橋卡鉆一旦
3砂橋卡鉆事故安全評價系統(tǒng)開發(fā)與發(fā)生,可按照系統(tǒng)自動提供的處理方案在第一時間
現(xiàn)場試驗
采取有效的處理措施,以保障鉆井作業(yè)的安全和
順利。
3.1系統(tǒng)開發(fā)
考慮到砂橋卡鉆事故各因素權(quán)重計算難度大且
各因素隸屬度函數(shù)錄入繁瑣,利用VC開發(fā)了砂橋
卡鉆事故安全評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)砂橋卡鉆事
故各因素權(quán)重自動計算(用MATLAB完成);在完
成各因素隸屬度函數(shù)錄后,可自動準(zhǔn)確地計算出
砂橋卡鉆事故發(fā)生的概率,同時系統(tǒng)自動提供砂橋
卡鉆事故預(yù)防處理措施。評價系統(tǒng)程序流程如圖2
所示。
圖3DP16井砂橋卡鉆事故評價結(jié)果
 Fig. 3 Evaluation result of sand bridging in Well DP16
圖2砂橋卡鉆事故安全評價系統(tǒng)程序流程圖
4結(jié)論
 Fig. Procedure flowchart of sand bridging
 safety evaluation system
(1)在對國內(nèi)外資料調(diào)研的基礎(chǔ)上,提出了
3.2現(xiàn)場試驗
造成砂橋卡鉆事故的各種因素,利用層次分析法建
在某氣田DP6進(jìn)行現(xiàn)場試驗。該位于鄂立了砂橋卡鉆事故安全評價體系。
爾多斯盆地陜北斜坡帶,目的層主要有山西組、二
(2)采用模糊數(shù)學(xué)理論中的指標(biāo)隸屬度刻畫方
疊系石盒子組和石炭系太原組,地層壓力系數(shù)法,建立了砂橋卡鉆事故各相關(guān)因素量化指標(biāo)的隸
0.83~0.99,屬低壓低滲氣藏。該井在水平井鉆進(jìn)屬度函數(shù)。
施工中,由于水平段較長、鉆速較快、鉆井液不能
(3)利用VC程序開發(fā)了砂橋卡鉆事故安全評
及時將鉆屑攜帶至地面,在井內(nèi)形成“巖屑床”,價系統(tǒng),該系統(tǒng)可準(zhǔn)確計算出砂橋卡鉆事故風(fēng)險概
在穩(wěn)定器和鉆桿接頭等大尺寸地方,鉆屑和坍塌物率,并提供事故處理方案,對預(yù)防和處理砂橋卡鉆
混合堆積形成砂橋,在起鉆和劃眼等作業(yè)時均發(fā)生事故具有指導(dǎo)作用,有利于提高鉆井作業(yè)的安
了砂橋卡鈷事故。利用砂橋卡鉆事故安全評價系統(tǒng)全性。
對DP16井鉆井作業(yè)進(jìn)行了先期預(yù)評價,結(jié)果如圖
參考文獻(xiàn)
3所示。
由圖3可知,DP16并在鉆井作業(yè)過程中發(fā)生1]蔣希文鉆井事故與復(fù)雜問題[M]北京:石油
砂橋卡鉆事故的概率為82.5%,即極易發(fā)生砂橋
工業(yè)出版社,2006
卡鉆事故,因此作業(yè)過程中應(yīng)采取有效措施盡量避
(下轉(zhuǎn)第14頁)
14
石油機械
2013年第41卷第5期
井循環(huán)介質(zhì)沖蝕條件下,易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。因
參考文獻(xiàn)
此,在研制氣體鉆具時應(yīng)減少循環(huán)介質(zhì)對于該區(qū)域
的沖蝕,以增強井壁穩(wěn)定性。而常規(guī)鉆井則因為井[1]胡辛禾國外欠平衡鉆井技術(shù)與裝備現(xiàn)狀[J]石
筒內(nèi)穩(wěn)定的液柱壓力,能保持良好的壓應(yīng)力,井壁
油機械,2001,29(2):55-57
穩(wěn)定性較好。
2]艾驚濤,余銳,廖兵,等四川油氣田氣體鉆
井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]天然氣工業(yè),2009
29(7):39-41.
3]張曉東,吳臣德,張園,等氣體鉆井技術(shù)剖析
及研究前景展望[J]石油機械,2008,36(6):
75-79.
4]李士斌,竇同偉,董德仁.欠平衡鉆井井底巖石的
應(yīng)力狀態(tài)[J]石油學(xué)報,2011,32(2):329-
334
5]鄭德帥,馮江鵬井底壓力對巖石破碎的影響機制
0.0
井壁軸向距離m8
0.40.6
及應(yīng)用研究[J]·巖土力學(xué),2011,32(增刊1):
圖7氣體鉆井和常規(guī)鉆井的井壁軸向
205-208.
距離與最大主應(yīng)力的關(guān)系曲線
[6]林鐵軍,練章華,孟英峰,等,空氣鉆井中動態(tài)破
 Fig. 7 Relation of well wall axial distance to maximum
巖有限元仿真研究[J]·巖石力學(xué)與工程學(xué)報,
 principal stress at different well depths
2008,27(增刊2):3592-3597
 in gas drilling and conventional drilling
7]陳庭根,管志川,鉆井工程理論與技術(shù)[M]東
營:石油大學(xué)出版社,2000
4結(jié)論
8費康,張建偉 ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M]
北京:中國水利水電出版社,2009:67-69.
[9]劉英,于立宏Moh- -Coulomb屈服準(zhǔn)則在巖土工
(1)在1.6~2.8倍井徑距離后,井眼軸線最
程中的應(yīng)用[J]世界地質(zhì),2010,29(4):633
大主應(yīng)力逐漸低至水平地應(yīng)力,且隨著井深增加,
-639
壓應(yīng)力越來越大,破巖難度增大。
[10]鄭穎人,沈珠江,龔曉南巖土塑性力學(xué)原理
(2)井底面0.0~0.8倍井徑區(qū)域存在低應(yīng)力
M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:180
區(qū),巖體產(chǎn)生應(yīng)力釋放效應(yīng),有利于提高機械鉆
182
速,而常規(guī)鉆井則是處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),破巖難
度相對較大。
第一作者簡介:黃志強,教授,生于1968年,研究方
(3)井底面向上0.00.2m井壁范圍內(nèi)出現(xiàn)向為石油天然氣裝備與技術(shù)地址610500)四川省成都
拉應(yīng)力增加趨勢,在沖蝕條件下,易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)市。電話:(02)83032148- -mail huangaq swpu edu cn
現(xiàn)象,因此在設(shè)計鉆具時,應(yīng)減少循環(huán)介質(zhì)對此區(qū)
收稿日期:2012-10-31
域的沖蝕。
(本文編輯南麗華)
想
(上接第10頁
2]許樹柏層次分析法(AHP)在安全經(jīng)濟(jì)分析中的
價中的應(yīng)用[]上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報:自然科
應(yīng)用』中國安全科學(xué)學(xué)報,1997,7(5):57
學(xué)版,2002,2(2):1-3.
-61
 [3] Saaty T. The analytic hierarchy process M ] New
 York: MeGraw-Hill, 1980
第一作者簡介:羅剛,工程師,生于1983年,2007
【4]劉育驥.石油工程模糊數(shù)學(xué)[M]成都:成都科年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油礦場機械工程專業(yè),現(xiàn)從事石
技大學(xué)出版社,1994
油礦場機械設(shè)計及開發(fā)工作。地址:(434000)湖北省荊州
5]姜啟源.數(shù)學(xué)模型[M].2版北京:高等教育出市。電話:(071)812082e-mi luogang1 cnpec com
版社,1993
收稿日期:2013-01-21
[6]王小群,張興容模糊評價數(shù)學(xué)模型在企業(yè)安全評
(本文編輯謝守平)

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