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砂桥卡钻钻井事故安全评价系统

文档作者：罗刚孙萌方朝刚马海峰文档来源： 1.长江大学机械工程学院2.江汉机械研究所3.长江大学经济学院4.西南石油大学机电工程学院		点击数：	更新时间： 2021年05月23日
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石油机械
2013年第41卷第5期
 CHINA PETROLEUM MACHINERY
钻井技术与装备
砂桥卡钻钻井事故安全评价系统
罗刚2孙萌3方朝刚2马海峰
(1.长江大学机械工程学院2.江汉机械研究所3.长江大学经济学院4.西南石油大学机电工程学院)
摘要:卡钻事故是钻井作业中最为常见也极易发生的井下事故,准确及时地判断卡钻事故类
型对保障钻井作业的安全高效具有重要意义。为此,在调研国内外资料的基础上提出了造成砂桥
卡钻事故的各种因素,利用层次分析法建立了砂桥卡钻事故安全评价体系,随后采用模糊数学理
论中的指标隶属度刻画方法,建立了砂桥卡钻事故各种相关因素量化指标的隶属度函数,最后利
用VC程序开发了砂桥卡钻事故安全评价系统。现场试验结果表明,该系统可准确计算出砂桥卡
钻事故风险概率,并提供事故处理方案,对预防和处理砂桥卡钻事故具有指导作用。
关键词:砂桥;卡钻;安全评价;层次分析法;模糊隶属度;井下事故
中图分类号:TE28文献标识码: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。笔者在调研国内外资料的基础上提出了造
0引言
成砂桥卡钻事故的各种因素,利用层次分析法2-3
建立了砂桥卡钻事故安全评价体系,用模糊数学理
钻井过程存在着大量造成各类卡钻事故的因论中的指标隶属度刻画方法建立了砂桥卡钻事故各
素,故卡钻事故是钻井过程中最为常见且极易发生相关因素量化指标的隶属度函数4-,最后利用
的井下事故解决卡钻事故的措施及方法因事VC开发了砂桥卡钻事故安全评价系统。该评价系
故类型不同而不同,准确、及时、有效地判断卡钻统为有效预测砂桥卡钻事故提供了技术手段和技术
事故类型对于提高整个钻井作业的安全性起着重要保障,现场试验验证了系统的可靠性和准确性。
基金项目:中国石油天然气集团公司科学技术开发项目“陆上钻井事故模拟仿真及安全评价技术研究”(06B7101)。
石油机械
2013年第41卷第5期
层次判断矩阵,计算出B1~B各因素的权重。B
1砂桥卡钻事故安全评价体系建立层次判断矩阵如表1如示
表1砂桥卡钻指标因素重要性判断矩阵
由于造成砂桥卡钻事故的因素比较多,各因素
 Table Imp
 ent matrix for
之间并非相互独立而是具有一定的内在联系,所以
 sand bridging index factors
采用层次分析法建立砂桥卡钻事故安全评价体系模
主要地质因井的性钻设钻具组钻井参操作
茵素素B1质B2备B3合
平B
型,用模糊数学理论中的指标隶属度刻画方法,建
立砂桥卡钻事故各相关因素量化指标的隶属度
地质因143
B2
1
函数。
质B211%
1.1砂桥卡钻事故安全评价体系层次结构模型
造成砂桥卡钻的主要因素包括:地质因素
钻井设212
(B1)、井的性质(B2)、钻井设备(B3)、钻具组
钻组1%1%
合B4
合(B4)、钻井参数(B3)以及操作水平(B)
等6个方面,且主要因素又是由29个(C1-C2)
钻3231
不同的、单独的子因素构成。按照层次分析法理操作水
论,将砂桥卡钻事故安全评价体系层次结构模型分平B1
43421
为B层(主要因素)、C层(子因素)2个层次结
B层次判断矩阵的最大特征值= max eig
构,如图1所示。
岩石性质C
()=6.0458,c·0.00916n=6;查得R
地层压力C
2)=1.26,C·R=0.0073<0.1,矩阵具有满
孔隙度C
地质因素B
渗透率
意的一致性。归一化后得到权重WB=(0.2938,
地层倾角C
i=1
岩石强度C
0.0641,0.1072,0.0641,0.1771,0.2938),W
地层情况C
B
岩石吸水能力C
是最大特征值所对应的最大特征向量;C·R=
一井的性质B
井的类型C
(-n)
井段C
n-1,n为矩阵阶数。当n确定时,C·R为
□钻井设备B
操作参数监测设备C
钻型号
一常数,若C·R<0.1,认为满足一致性,计算数
钻头直径C
据真实、有效。
钻蜓直径C
为进一步细化B层次各主要因素,按照钻井
钻具组合B
扶正器个数C
钻头类型C
过程将B层次各主要因素进一步分解构造C层次
扶正器类型C
模型及其判断矩阵。依上述方法分别构造C1-C3;
起钻速度C
机械速
钻井液循环压力C
6个判断矩阵,求出C1~Ca;C~C1;C~C12;
钻井液密度C
C-C;C1-C26;C2-C29分别对于B1、B2、
钻井参数井液黏度C
B3、B4、B3、B主要因素的权重Wc,再经过归一
钻并液切力C
钻井液失水C
化处理后,最终得出C层次各子因素对砂桥卡钻
钻井液排量C
事故的权重Wc。其计算公式为:
钻井液性质C
W=W×W
(1)
规章制度及执行情况
操作水平B

及培C
式中WC层次子因素对于砂桥卡钻事故的
司钻技术等级C
权重;
图1砂桥卡钻事故安全评价体系层次结构模型
W第i个元素在C层次中所占有的比
 Fig Hierarchy model of safety evaluation
重;
 system for sand bridging
1.2砂桥卡钻事故各因素权重确定
素在B第i个元素所对应的B层次主要因
层中所占有的比重。
根据层次分析法中“1-9标度法”2,构造B
经计算得出:
2013年第41卷第5期
罗刚等:砂桥卡钻钻井事故安全评价系统
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)计算得出C层次子因素对砂桥
1
W=(0.3192,0.1840,
卡钻事故的权重WA,列于表2。
表2砂桥卡钻事故因素总排序
 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
从表2中可分析出岩石性质及岩石强度是造成度函数。
砂桥卡钻事故的主要因素。
按照层次分析法及模糊数学理论,在确定了砂
桥卡钻事故各子因素的权重及隶属度函数后,即可
2砂桥卡钻事故隶属度函数确定
以准确计算出砂桥卡钻事故发生的概率,完成砂桥
卡钻事故的定量分析。用于定量分析的计算数学模
采用基于模糊理论的指标隶属度刻画方法,建型为:
立砂桥卡钻事故各相关因素量化指标的隶属度函
(8)
数。表3列出了砂桥卡钻事故部分典型因素的隶属
y=∑w
表3砂桥卡钻事故典型因素隶属度函数
 Table 3 Membership function of typical factors of sand bridging
影响因素
各指标隶属度函数x
岩石性质C1x1取值:岩浆岩取0.5;沉积岩取0.6;变质岩取0.5
孔隙度C3
x3取值:当孔隙度∈[0,5)时,x3=0.;∈[5,10)时,x3=0.3;∈[10,15)
时,x=0.5;∈[15,20)时,3=0.7;∈[20,25)时,x)=0.9;甲≥25时,x3=1
渗透率C4
x取值:当渗透率[0,1)时,x4=0;∈[,10)时,x4=0.1;∈[10,100)时,
=0.5K10100)时,.710,=0.9渗透率单位:D
岩石强度C
x6取值:极软取0.9;中软取0.7;中取0.4;硬取0.2;极硬取0.1
并段C
质值,5,,
xa取值:直井段取0.5;斜段取0.8;水平段取0.7
x取值:当钻艇直径D[0,10)时,x14=.4;De10,20)时,x4=0.5;D>20时,
钻直径C4X14=0.6;D的单位:mm
x2取值:当钻并液密度p[00.1)时,x2=0.1;pe[1.0,1.2)时,x21=0.3;p∈
钻井液密度C2
[1.2,1.5)时,x21=0.5;pe[1.5,2.0时,x2=0.8;p≥2.0时,x21=0.9;p的单位:
 g/
钻液黏度(2取值:当钻井液粘度∈[1,10时,xn=0.3;n∈[10,40)时,xn=0.5;n∈
[40,80)时,Xn=0.7;n≥80时,Xn=0.9;n的单位:mPa
钻井液切力C2x2取值;当钻井液切力r∈[1,5)时,x=0.9r[5,10)时,x=0.7≥10时
x2=0.5;的单位:mgcm
x取值:当钻井液失水q∈[0,10)时,x24=0.4qe[10,25)时,x24=0.6q∈25
钻井液失水C2440)时,X24=0.9;q≥40时,X24=1.0;q的单位:m
钻井液排量C2x取值:当钻井液排量Qe[0,1)时,x2=01;Q1,2)时,x25=0.3;Q∈[2,
3)时,x25=0.6;Q∈[3,5)时,X2=0.8Q5时,x2=1.0;Q的单位:m3/min
1
石油机械
2013年第41卷第5期
免事故的发生,并且做好事故预案,砂桥卡钻一旦
3砂桥卡钻事故安全评价系统开发与发生,可按照系统自动提供的处理方案在第一时间
现场试验
采取有效的处理措施,以保障钻井作业的安全和
顺利。
3.1系统开发
考虑到砂桥卡钻事故各因素权重计算难度大且
各因素隶属度函数录入繁琐,利用VC开发了砂桥
卡钻事故安全评价系统。该系统可实现砂桥卡钻事
故各因素权重自动计算(用MATLAB完成);在完
成各因素隶属度函数录后,可自动准确地计算出
砂桥卡钻事故发生的概率,同时系统自动提供砂桥
卡钻事故预防处理措施。评价系统程序流程如图2
所示。
图3DP16井砂桥卡钻事故评价结果
 Fig. 3 Evaluation result of sand bridging in Well DP16
图2砂桥卡钻事故安全评价系统程序流程图
4结论
 Fig. Procedure flowchart of sand bridging
 safety evaluation system
(1)在对国内外资料调研的基础上,提出了
3.2现场试验
造成砂桥卡钻事故的各种因素,利用层次分析法建
在某气田DP6进行现场试验。该位于鄂立了砂桥卡钻事故安全评价体系。
尔多斯盆地陕北斜坡带,目的层主要有山西组、二
(2)采用模糊数学理论中的指标隶属度刻画方
叠系石盒子组和石炭系太原组,地层压力系数法,建立了砂桥卡钻事故各相关因素量化指标的隶
0.83~0.99,属低压低渗气藏。该井在水平井钻进属度函数。
施工中,由于水平段较长、钻速较快、钻井液不能
(3)利用VC程序开发了砂桥卡钻事故安全评
及时将钻屑携带至地面,在井内形成“岩屑床”,价系统,该系统可准确计算出砂桥卡钻事故风险概
在稳定器和钻杆接头等大尺寸地方,钻屑和坍塌物率,并提供事故处理方案,对预防和处理砂桥卡钻
混合堆积形成砂桥,在起钻和划眼等作业时均发生事故具有指导作用,有利于提高钻井作业的安
了砂桥卡钴事故。利用砂桥卡钻事故安全评价系统全性。
对DP16井钻井作业进行了先期预评价,结果如图
参考文献
3所示。
由图3可知,DP16并在钻井作业过程中发生1]蒋希文钻井事故与复杂问题[M]北京:石油
砂桥卡钻事故的概率为82.5%,即极易发生砂桥
工业出版社,2006
卡钻事故,因此作业过程中应采取有效措施尽量避
(下转第14页)
14
石油机械
2013年第41卷第5期
井循环介质冲蚀条件下,易出现井壁失稳现象。因
参考文献
此,在研制气体钻具时应减少循环介质对于该区域
的冲蚀,以增强井壁稳定性。而常规钻井则因为井[1]胡辛禾国外欠平衡钻井技术与装备现状[J]石
筒内稳定的液柱压力,能保持良好的压应力,井壁
油机械,2001,29(2):55-57
稳定性较好。
2]艾惊涛,余锐,廖兵,等四川油气田气体钻
井技术现状及发展方向[J]天然气工业,2009
29(7):39-41.
3]张晓东,吴臣德,张园,等气体钻井技术剖析
及研究前景展望[J]石油机械,2008,36(6):
75-79.
4]李士斌,窦同伟,董德仁.欠平衡钻井井底岩石的
应力状态[J]石油学报,2011,32(2):329-
334
5]郑德帅,冯江鹏井底压力对岩石破碎的影响机制
0.0
井壁轴向距离m8
0.40.6
及应用研究[J]·岩土力学,2011,32(增刊1):
图7气体钻井和常规钻井的井壁轴向
205-208.
距离与最大主应力的关系曲线
[6]林铁军,练章华,孟英峰,等,空气钻井中动态破
 Fig. 7 Relation of well wall axial distance to maximum
岩有限元仿真研究[J]·岩石力学与工程学报,
 principal stress at different well depths
2008,27(增刊2):3592-3597
 in gas drilling and conventional drilling
7]陈庭根,管志川,钻井工程理论与技术[M]东
营:石油大学出版社,2000
4结论
8费康,张建伟 ABAQUS在土木工程中的应用[M]
北京:中国水利水电出版社,2009:67-69.
[9]刘英,于立宏Moh- -Coulomb屈服准则在岩土工
(1)在1.6~2.8倍井径距离后,井眼轴线最
程中的应用[J]世界地质,2010,29(4):633
大主应力逐渐低至水平地应力,且随着井深增加,
-639
压应力越来越大,破岩难度增大。
[10]郑颖人,沈珠江,龚晓南岩土塑性力学原理
(2)井底面0.0~0.8倍井径区域存在低应力
M].北京:中国建筑工业出版社,2002:180
区,岩体产生应力释放效应,有利于提高机械钻
182
速,而常规钻井则是处于三向压应力状态,破岩难
度相对较大。
第一作者简介:黄志强,教授,生于1968年,研究方
(3)井底面向上0.00.2m井壁范围内出现向为石油天然气装备与技术地址610500)四川省成都
拉应力增加趋势,在冲蚀条件下,易出现井壁失稳市。电话:(02)83032148- -mail huangaq swpu edu cn
现象,因此在设计钻具时,应减少循环介质对此区
收稿日期:2012-10-31
域的冲蚀。
(本文编辑南丽华)
想
(上接第10页
2]许树柏层次分析法(AHP)在安全经济分析中的
价中的应用[]上海应用技术学院学报:自然科
应用』中国安全科学学报,1997,7(5):57
学版,2002,2(2):1-3.
-61
 [3] Saaty T. The analytic hierarchy process M ] New
 York: MeGraw-Hill, 1980
第一作者简介:罗刚,工程师,生于1983年,2007
【4]刘育骥.石油工程模糊数学[M]成都:成都科年毕业于西南石油大学石油矿场机械工程专业,现从事石
技大学出版社,1994
油矿场机械设计及开发工作。地址:(434000)湖北省荆州
5]姜启源.数学模型[M].2版北京:高等教育出市。电话:(071)812082e-mi luogang1 cnpec com
版社,1993
收稿日期:2013-01-21
[6]王小群,张兴容模糊评价数学模型在企业安全评
(本文编辑谢守平)

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