楊傳書(shū)

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)DrillRisk的研發(fā)與應(yīng)用

楊傳書(shū)

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制是提高鉆井綜合效率、確保施工安全和實(shí)現(xiàn)降本增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的鉆井實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏鉆前潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及鉆后風(fēng)險(xiǎn)跟蹤評(píng)價(jià)的能力。基于鉆井風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理，采用地質(zhì)因素和工程因素相耦合的方法，建立了鉆井潛在風(fēng)險(xiǎn)可能性及嚴(yán)重度量化評(píng)價(jià)模型，基于鉆井風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的征兆規(guī)律建立了風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，同時(shí)融合鉆井風(fēng)險(xiǎn)案例知識(shí)庫(kù)，研發(fā)了鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)DrillRisk，構(gòu)建了“鉆前—鉆中—鉆后”的閉環(huán)評(píng)價(jià)體系。利用5口井的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬應(yīng)用和模型改進(jìn)優(yōu)化，并在10余口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明，在地質(zhì)資料較為全面準(zhǔn)確的條件下，常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)現(xiàn)率達(dá)到86%，對(duì)高級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)的防控起到了重要作用。鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)DrillRisk為區(qū)塊鉆井方案持續(xù)優(yōu)化和最終實(shí)現(xiàn)“無(wú)風(fēng)險(xiǎn)”鉆井目標(biāo)提供了可行的技術(shù)手段。

鉆井風(fēng)險(xiǎn)；預(yù)測(cè)；閉環(huán)；風(fēng)險(xiǎn)案例；地質(zhì)力學(xué)；方案優(yōu)化

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)不斷向深層、非常規(guī)油氣發(fā)展，鉆井作業(yè)的潛在風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高，鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制已經(jīng)成為提高鉆井綜合效率、確保施工安全和實(shí)現(xiàn)降本增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。國(guó)外Schlumberger公司開(kāi)發(fā)的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井系統(tǒng)NDS基本實(shí)現(xiàn)了鉆井全過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[1]，取得了一定應(yīng)用效果。國(guó)內(nèi)近些年也開(kāi)展了一些鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及預(yù)警方面的研究:李琪等人[2]研發(fā)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，采用專家打分及綜合評(píng)判方法進(jìn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià);樊洪海[3]研發(fā)的鉆井工程監(jiān)測(cè)與輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)施工情況的實(shí)時(shí)分析和井下故障的實(shí)時(shí)警示;中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院研發(fā)了鉆井工程決策支持系統(tǒng)[4]，實(shí)現(xiàn)了鉆井過(guò)程中的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；管志川等人[5-6]建立了基于區(qū)間分析的鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，并依此進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究；楊進(jìn)等人[7]建立了鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖版，實(shí)現(xiàn)了巖土縱波速度趨勢(shì)線與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)；還有人研究了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警算法，但大多采用概率統(tǒng)計(jì)方法，而非基于風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)在機(jī)理[8-10]。國(guó)內(nèi)對(duì)于鉆井潛在風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)仍然主要依靠人工分析，給出的風(fēng)險(xiǎn)提示相對(duì)比較籠統(tǒng)，不能準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。國(guó)內(nèi)針對(duì)施工過(guò)程研發(fā)了實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，但大多不具備進(jìn)一步對(duì)比評(píng)價(jià)功能。

筆者基于井漏、井涌、壓差卡鉆等常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)在機(jī)理，采用地質(zhì)與工程因素相耦合的方法，建立了風(fēng)險(xiǎn)可能性評(píng)價(jià)和嚴(yán)重度量化模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)表征；基于鉆井井下故障的現(xiàn)場(chǎng)征兆規(guī)律，建立了鉆井井下故障實(shí)時(shí)預(yù)警診斷模型；并借鑒PDCA質(zhì)量環(huán)模型，研發(fā)DrillRisk了鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。

1 常見(jiàn)鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)問(wèn)題分析

現(xiàn)有鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，除國(guó)外的NDS功能較為全面、體系性較強(qiáng)外，其他鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)、尤其是國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)均側(cè)重于某一方面的功能，尚難以完全滿足鉆井全過(guò)程、連續(xù)性和精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的應(yīng)用需求，主要表現(xiàn)在以下方面：

1) 對(duì)鉆井潛在風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)較宏觀或者僅考慮地質(zhì)因素，難以針對(duì)具體的鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度評(píng)價(jià);

2) 鉆井過(guò)程中主要通過(guò)參數(shù)異常波動(dòng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，發(fā)出警報(bào)時(shí)已經(jīng)有了征兆，意味著某種風(fēng)險(xiǎn)正在發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)處理的最佳時(shí)間窗口非常窄，因此還需要更具“提前量”的預(yù)警方法;

3) 尚未建立鉆前、鉆中和鉆后全過(guò)程閉環(huán)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，各個(gè)階段的評(píng)價(jià)信息難以共享，不足以精確支撐區(qū)域鉆井方案的持續(xù)優(yōu)化。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體思路

鉆井風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)是一個(gè)連續(xù)且循環(huán)改進(jìn)的過(guò)程，而PDCA質(zhì)量環(huán)模型適用于解決此類問(wèn)題，并已在其他行業(yè)進(jìn)行了成功應(yīng)用[11]，因此設(shè)計(jì)了由計(jì)算機(jī)輔助控制的PDCA鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)閉環(huán)框架。在一口井的設(shè)計(jì)、施工到完鉆過(guò)程中，鉆前預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)并依此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；鉆中根據(jù)實(shí)鉆數(shù)據(jù)修正潛在風(fēng)險(xiǎn)剖面，同時(shí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)征兆預(yù)警，出現(xiàn)井下故障時(shí)調(diào)取知識(shí)庫(kù)中的預(yù)案信息，結(jié)合線下技術(shù)進(jìn)行處理；完鉆后對(duì)預(yù)測(cè)、預(yù)警記錄與實(shí)際發(fā)生的情況進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，得出改進(jìn)方案和有價(jià)值的風(fēng)險(xiǎn)案例。這些改進(jìn)信息和案例保存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并直接進(jìn)入下一口井的設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鉆井方案的持續(xù)優(yōu)化，從而通過(guò)閉環(huán)框架實(shí)現(xiàn)線上風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)信息與線下方案優(yōu)化和工藝技術(shù)的關(guān)聯(lián)?；赑DCA閉環(huán)鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示，其基礎(chǔ)部分是鉆井風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，技術(shù)關(guān)鍵是利用地質(zhì)信息、工程信息和案例知識(shí)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型。

圖1 基于PDCA閉環(huán)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路Fig.1 General principles for design of drilling risk-assessment system

2.2系統(tǒng)運(yùn)行流程

2.2.1鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的前提條件是需要構(gòu)建待鉆井區(qū)塊的地質(zhì)力學(xué)模型或者利用鄰井測(cè)井解釋成果預(yù)測(cè)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，然后加載鉆井設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)系列的處理和計(jì)算，得到鉆井風(fēng)險(xiǎn)可能性和嚴(yán)重度的量化值，其關(guān)鍵流程如圖2所示。

圖2 鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)關(guān)鍵流程Fig.2 Key process for pre-drill risk prediction

2.2.2鉆中風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)

鉆中風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)同時(shí)采用基于成因的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法和風(fēng)險(xiǎn)征兆報(bào)警方法等2種方法，二者各有優(yōu)勢(shì)，結(jié)合使用，其主要流程如圖3所示。

圖3 鉆中風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵流程Fig.3 Key process for risk monitoring while drilling

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1潛在鉆井風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)模型及表征方法

鉆井風(fēng)險(xiǎn)成因是建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型的理論依據(jù)。在文獻(xiàn)及井史資料中，均有實(shí)際鉆井風(fēng)險(xiǎn)案例的原因分析[12-13]。前人對(duì)井漏、井涌、卡鉆等常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)的成因及其征兆規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)很全面了。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警的量化模型。

3.1.1潛在鉆井風(fēng)險(xiǎn)可能性的預(yù)測(cè)及表征

鉆井風(fēng)險(xiǎn)的可能性預(yù)測(cè)一般分為概率方法和非概率方法2類：國(guó)外GMI等軟件采用了概率統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法，國(guó)內(nèi)管志川等人提出了基于區(qū)間分析的非概率方法[5]。概率方法要求有足夠完整且準(zhǔn)確的信息來(lái)描述參數(shù)的概率分布特征，在鉆井工程中應(yīng)用難度很大，因此選擇非概率方法。鉆井液密度、地層壓力和鉆井施工致險(xiǎn)參數(shù)之間的關(guān)系是鉆井風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵成因[5]，依次建立井漏、井涌和壓差卡鉆的評(píng)價(jià)函數(shù)：

ml=pf=Sg-Sc-ρd

(1)

mk=ρd-pp-Sb-Δρ

(2)

(3)

式中：ml，mk和msk分別為用于判別井漏、井涌、壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)可能性的壓差當(dāng)量密度，g/cm3；pp和pf分別為地層孔隙壓力、破裂壓力的當(dāng)量密度，g/cm3；Sb，Sg和Sc分別為抽汲壓力、激動(dòng)壓力和循環(huán)壓耗當(dāng)量密度附加值，g/cm3；ρd和Δρ分別為鉆井液密度及鉆井液密度附加值，g/cm3；Δp為壓差卡鉆允值，MPa；h為井深，m。

該線性函數(shù)中的變量均為區(qū)間變量，因而可以借鑒非概率可靠度度量方法，將上述函數(shù)中的表達(dá)式理解為廣義強(qiáng)度和應(yīng)力之間的關(guān)系。比如ml函數(shù)中，可將pf理解為井筒強(qiáng)度，將Sg，Sc和ρd理解為導(dǎo)致井筒破裂漏失的應(yīng)力。分別根據(jù)這些函數(shù)，利用區(qū)間數(shù)學(xué)和非概率可靠度計(jì)算方法，推導(dǎo)出無(wú)風(fēng)險(xiǎn)可靠度的計(jì)算式。為了在系統(tǒng)中將鉆井風(fēng)險(xiǎn)的可能性以更加形象的方式表征，對(duì)計(jì)算式作進(jìn)一步轉(zhuǎn)換：

(4)

式中：x為函數(shù)中的自變量；xc為x的均值；xr為x的離差；a為x的加權(quán)值。

借鑒概率表征方法，定義It∈(0,1)，It以0.5分界，It值越大表示發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的可能性越大。根據(jù)井漏、井涌、壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)函數(shù)，可分別計(jì)算出相應(yīng)自變量的均值和離差，進(jìn)而計(jì)算出It，同時(shí)可結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和鄰井案例確定a的合理值。

3.1.2潛在鉆井風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度的預(yù)測(cè)及表征

目前業(yè)界普遍采用統(tǒng)計(jì)預(yù)估方法，從歷史鉆井事故造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失角度進(jìn)行預(yù)估，這種嚴(yán)重度是指風(fēng)險(xiǎn)損失嚴(yán)重度。要給現(xiàn)場(chǎng)施工人員提供技術(shù)指導(dǎo)，這種描述不夠直接，還需要從鉆井風(fēng)險(xiǎn)本身的嚴(yán)重度入手。從風(fēng)險(xiǎn)成因可以看出，井漏、井涌和壓差卡鉆等常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重度均由井筒壓力與地質(zhì)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系決定。

3.1.2.1潛在井漏的嚴(yán)重度

預(yù)測(cè)潛在井漏的嚴(yán)重度時(shí)，既要考慮溶洞、斷層、不整合面等構(gòu)造因素，又要考慮常規(guī)地質(zhì)條件下井筒動(dòng)壓力與地層三壓力之間的關(guān)系。構(gòu)造因素可定性判斷，比如根據(jù)溶洞發(fā)育程度等定性給定漏失的嚴(yán)重度。壓力因素需要通過(guò)計(jì)算漏失速度進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，可針對(duì)不同的巖性特征選用孔隙型和裂縫性地層漏失速度的計(jì)算公式。

對(duì)于裂縫性地層，可利用下式計(jì)算漏失速度[14]：

(5)

式中：Q(t)為漏失速度，m3/s；w為裂縫寬度，m；rw為井眼半徑，m；Δpw為井筒動(dòng)壓力與孔隙壓力之差，Pa；μ為鉆井液黏度，Pas；ρ為鉆井液密度，kg/m3；Ct為地層綜合壓縮系數(shù)；t為時(shí)間，s。

對(duì)于孔隙型地層，依據(jù)漏失壓力、漏失流量及漏層厚度之間的關(guān)系[14]，轉(zhuǎn)換可得到漏失速度的計(jì)算公式[15]：

(6)

式中：QL為漏失速度，m3/s；ηp為鉆井液塑性黏度，Pas；rw為井眼半徑，m；re為漏失半徑，m；τ0為鉆井液動(dòng)切力，Pa；φ為巖石孔隙度；K為巖石滲透率，m2；hl為漏層厚度，m。

最后，將定性判別結(jié)果和漏失速度計(jì)算結(jié)果結(jié)合起來(lái)，對(duì)應(yīng)得到嚴(yán)重度級(jí)別，研發(fā)出計(jì)算模型。參照標(biāo)準(zhǔn)Q/SH0243—2009，對(duì)井漏嚴(yán)重度進(jìn)行分級(jí)(見(jiàn)表1)。

表1 井漏風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度分級(jí)表征Table 1 Classification of lost circulation severity

3.1.2.2 潛在井涌的嚴(yán)重度

對(duì)井涌嚴(yán)重度的評(píng)價(jià)，主要考慮井筒與地層之間負(fù)壓差的大小，然后參考欠平衡鉆井的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或推薦做法，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行分級(jí)。另外，在計(jì)算井筒壓力時(shí)，除了考慮抽汲壓力影響外，還需要考慮氣侵對(duì)鉆井液密度的影響，業(yè)界已有相應(yīng)的計(jì)算方法，本文不再詳述。井筒與地層負(fù)壓差的計(jì)算公式為：

Δpf=9.81×10-3(pp+Sb+Δρ-ρd)h

(7)

式中：Δpf為井內(nèi)負(fù)壓差，MPa；h為井深，m。

為了對(duì)鉆井風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重度進(jìn)行一致化表征，借鑒欠平衡鉆井壓力控制要求，將井涌嚴(yán)重度也分為5級(jí)(見(jiàn)表2)。

3.1.2.3 潛在壓差卡鉆的嚴(yán)重度

影響壓差卡鉆嚴(yán)重度的因素很多，鉆井液的性能影響濾餅質(zhì)量，井眼幾何參數(shù)、鉆具靜止時(shí)間和濾餅質(zhì)量進(jìn)而影響鉆具與濾餅之間的接觸面積，而接觸面積與濾餅的摩阻系數(shù)直接影響鉆具與井壁的摩擦系數(shù)，該摩擦系數(shù)與鉆具側(cè)向力直接形成鉆具與井壁的摩擦力，摩擦力越大，壓差卡鉆的嚴(yán)重度越高。潛在壓差卡鉆嚴(yán)重度預(yù)測(cè)建模原理如圖4所示。

但是，由于無(wú)法計(jì)算摩擦力，而只能推測(cè)形成這種摩擦力的趨勢(shì)，因此難以建立準(zhǔn)確的計(jì)算公式，只能利用模糊方法進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。首先分別找出可以代表壓差卡鉆影響因素的可測(cè)量物理量，然后根據(jù)該物理量對(duì)摩擦力形成趨勢(shì)的影響程度進(jìn)行歸一化處理，形成對(duì)應(yīng)的模糊量(見(jiàn)表3)。

圖4 潛在壓差卡鉆嚴(yán)重度預(yù)測(cè)建模原理Fig.4 Principle of differential pressure sticking severity evaluation modeling

影響因素物理量對(duì)應(yīng)的模糊量及隸屬度井斜角井斜角正弦值 ξ1:取正弦值鉆具與井眼直徑鉆具與井眼直徑比 ξ2:取直徑比濾餅質(zhì)量濾失量VAPI ξ3:VAPI<4mL取0.3;4mL≤VAPI<12mL取0.7;VAPI>12mL取1.0鉆井液黏度表觀黏度η ξ4:η<30mPa·s取0.2;30mPa·s≤η<45mPa·s取0.4;45mPa·s≤η<60mPa·s取0.6;60mPa·s≤η<75mPa·s取0.8;η≥75mPa·s取1.0鉆井液切力10s靜切力θ ξ5:θ<3Pa取0.2;3Pa≤θ<4Pa取0.4;4Pa≤θ<5Pa取0.6;5Pa≤θ<6Pa取0.8;θ≥6Pa取1.0鉆柱靜止時(shí)間靜止時(shí)間t ξ6:t<4min取0.3;4min≤t<10min取0.7;10min≤t<30min取0.9;t≥30min取1.0壓差及鉆柱重量側(cè)向力F(環(huán)空壓力-地層壓力+鉆柱重力分量) ξ7:F<12MPa取0.3;12MPa≤F<18MPa取0.6;18MPa≤F<20MPa取0.9;F≥20MPa取1.0濾餅?zāi)ψ铻V餅黏附系數(shù)Kf ξ8:Kf≤0.06取0.2;0.06≤Kf<0.1取0.5;0.1≤Kf<0.15取0.6;0.15≤Kf<0.2取0.8;Kf≥0.2取1.0

由于這些因素在形成壓差卡鉆過(guò)程中是一種耦合關(guān)系(類似于相乘關(guān)系)，一般采用幾何平均預(yù)測(cè)法建立評(píng)價(jià)模型。由于上述因素對(duì)于壓差卡鉆的貢獻(xiàn)程度不同，可引入加權(quán)概念，最終建立的壓差卡鉆嚴(yán)重度模糊評(píng)價(jià)公式為：

(8)

式中：R為壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重度,R∈(0,1]；fν為每個(gè)因子的加權(quán)系數(shù)；ξν為風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)應(yīng)的模糊量，其隸屬度取值見(jiàn)表3。最終可間隔0.2分一級(jí)，共分為5級(jí)。

3.2鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆報(bào)警模型

鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆是根據(jù)鉆井實(shí)時(shí)參數(shù)的異常波動(dòng)來(lái)識(shí)別，因此，選用灰色關(guān)聯(lián)方法建立報(bào)警模型。首先建立鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆標(biāo)準(zhǔn)矩陣，設(shè)定每個(gè)向量的權(quán)重;然后計(jì)算當(dāng)前實(shí)時(shí)參數(shù)變化特征向量與該標(biāo)準(zhǔn)矩陣之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；最后得到每種風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)，根據(jù)關(guān)聯(lián)度系數(shù)門(mén)限啟動(dòng)報(bào)警[16]。

3.2.1鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆標(biāo)準(zhǔn)特征向量矩陣的設(shè)定

根據(jù)前人關(guān)于鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆特征的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆特征的向量矩陣(見(jiàn)表4)，也稱為標(biāo)準(zhǔn)矩陣XR(1，-1和2分表代表增大、減小和不考慮)。

XR標(biāo)準(zhǔn)矩陣的表達(dá)式為：

表4 鉆井風(fēng)險(xiǎn)征兆特征矩陣Table 4 Matrix of drilling risk symptom characteristics

(9)

式中：xmn表示每個(gè)錄井參數(shù)的變化特征，取值見(jiàn)表4。

3.2.2 參數(shù)波動(dòng)特征與標(biāo)準(zhǔn)矩陣關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

首先，確定T時(shí)刻每項(xiàng)錄井參數(shù)的波動(dòng)特征yi(增大取1，減小取-1，否則取2)，并據(jù)此構(gòu)建T時(shí)刻整組數(shù)據(jù)的異常波動(dòng)特征向量YT={y1,y2，…,yn}；然后計(jì)算實(shí)際參數(shù)異常波動(dòng)特征向量YT與標(biāo)準(zhǔn)特征向量矩陣XR的關(guān)聯(lián)度：

(10)

(11)

(12)

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(13)

式中：δmin和δmax分別為YT和XR的最小絕對(duì)誤差和最大絕對(duì)誤差；ρ為分辨系數(shù)，0<ρ<1，一般取0.5；ξij為關(guān)聯(lián)系數(shù)；ωj為第j種參數(shù)對(duì)第i種風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)的權(quán)重系數(shù)；r(i)為第i種風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)度，r(i)∈(0,1]。

r(i)越接近1，表明正在發(fā)生第i種風(fēng)險(xiǎn)的可能性越大，在系統(tǒng)中可設(shè)定一個(gè)報(bào)警門(mén)限，當(dāng)超過(guò)門(mén)限值時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，需要及時(shí)采取措施，避免情況惡化。

3.3鉆井風(fēng)險(xiǎn)案例庫(kù)的構(gòu)建與應(yīng)用

在同一地區(qū)發(fā)生的鉆井風(fēng)險(xiǎn)存在一定相關(guān)性，所以鄰井案例對(duì)于鉆井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)具有重要參考價(jià)值。DrillRisk系統(tǒng)設(shè)計(jì)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)案例主要涵蓋了井號(hào)、井型、井別、隸屬單位、工況、復(fù)雜情況類型、井深、鉆井風(fēng)險(xiǎn)描述、風(fēng)險(xiǎn)處理流程及專家評(píng)價(jià)意見(jiàn)等信息，然后進(jìn)行分析應(yīng)用。

1) 區(qū)域鉆井風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)分析。分別以區(qū)塊、風(fēng)險(xiǎn)類型和層位為關(guān)鍵詞，開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)案例統(tǒng)計(jì)分析功能，并將分析結(jié)果以柱狀圖形式展現(xiàn)，以便于鉆井設(shè)計(jì)人員對(duì)整個(gè)區(qū)塊的風(fēng)險(xiǎn)類型和分布進(jìn)行分析，從而得到整體認(rèn)知。

2) 歷史風(fēng)險(xiǎn)案例與待鉆井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型無(wú)縫集成。一方面，在構(gòu)建鉆井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型時(shí)，除了根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)成因建立計(jì)算模型外，還根據(jù)鄰井相同層位風(fēng)險(xiǎn)案例情況進(jìn)行模型的加權(quán)修正；另一方面，將鄰井風(fēng)險(xiǎn)案例按層位和深度自動(dòng)掛接到鉆井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)剖面的相應(yīng)位置，便于技術(shù)人員分析確認(rèn)該預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)剖面時(shí)快速關(guān)聯(lián)查詢。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)DrillRisk先后進(jìn)行了歷史井模擬應(yīng)用、模型調(diào)優(yōu)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅對(duì)于高級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)的效果較好，而且基本可以預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)的深度，通過(guò)評(píng)價(jià)分析鉆前、鉆中和鉆后全過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)，有利于提高風(fēng)險(xiǎn)控制能力。DrillRisk系統(tǒng)在10余口井進(jìn)行了應(yīng)用，常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)現(xiàn)率為86%，同時(shí)根據(jù)鉆前潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)進(jìn)行了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制定了配套的風(fēng)險(xiǎn)防控工藝、鉆井液、工具等措施，使該區(qū)域鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制能力持續(xù)增強(qiáng)。

以元壩12井為例(歷史數(shù)據(jù)模擬)，闡述系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程：1)將事先構(gòu)建好的三維地質(zhì)力學(xué)屬性數(shù)據(jù)體導(dǎo)入系統(tǒng)，并從中抽取元壩12井井眼軌跡各點(diǎn)的力學(xué)參數(shù)；2)整理加載了300條鄰井風(fēng)險(xiǎn)案例；3)導(dǎo)入該井的設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井液性能和鉆井施工參數(shù)等數(shù)據(jù)，啟動(dòng)鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模塊(系統(tǒng) 會(huì)自動(dòng)模擬計(jì)算ECD)，得到全井的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)剖面(見(jiàn)圖5)；4)導(dǎo)入實(shí)鉆記錄的上述數(shù)據(jù)，接入實(shí)時(shí)錄井記錄數(shù)據(jù)，對(duì)下部井段鉆井過(guò)程進(jìn)行模擬回放，監(jiān)測(cè)器報(bào)警并自動(dòng)記錄；5)利用鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總結(jié)模塊將上述結(jié)果、鄰井案例、地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，編寫(xiě)新的風(fēng)險(xiǎn)案例寫(xiě)入案例庫(kù)中。

圖5 元壩12井潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)剖面Fig.5 Profile of potential risks for Well YB12

元壩12井鉆前預(yù)測(cè)4570.00～4680.00m井段發(fā)生井涌的可能性為0.6，嚴(yán)重度為3級(jí)；利用實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆進(jìn)過(guò)程模擬，發(fā)現(xiàn)鉆至井深4646.00m時(shí)開(kāi)始持續(xù)顯示存在可能性大于0.7、嚴(yán)重度4～5級(jí)的井涌風(fēng)險(xiǎn)，且鉆至井深4656.00m時(shí)開(kāi)始發(fā)出井涌征兆報(bào)警。經(jīng)查閱井史記錄證實(shí)，該處確實(shí)發(fā)生了井涌，最終點(diǎn)火并進(jìn)行了壓井處理。此外，鉆前模擬預(yù)測(cè)6720.00～6790.00m井段發(fā)生井漏的可能性為0.64，嚴(yán)重度為4級(jí)；利用實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，鉆至井深6720.00m時(shí)開(kāi)始持續(xù)顯示存在可能性大于0.6、嚴(yán)重度4～5級(jí)的井漏風(fēng)險(xiǎn)，鉆至井深6748.30m開(kāi)始發(fā)出井漏征兆報(bào)警，經(jīng)查閱井史記錄證實(shí)，該處漏失鉆井液71m3。

5 結(jié)論與建議

1) 基于風(fēng)險(xiǎn)成因建立的鉆井風(fēng)險(xiǎn)可能性和嚴(yán)重度的預(yù)測(cè)模型，能較準(zhǔn)確客觀地反映關(guān)鍵致險(xiǎn)因素之間的內(nèi)在關(guān)系，無(wú)需進(jìn)行樣本訓(xùn)練和人工干預(yù)，預(yù)測(cè)結(jié)果比較客觀。

2)DrillRisk系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，保證了相關(guān)信息的連續(xù)性和共享性，便于技術(shù)人員對(duì)風(fēng)險(xiǎn)成因進(jìn)行更深入的剖析，為后續(xù)鉆井方案優(yōu)化提供了依據(jù)。

3)DrillRisk系統(tǒng)是以大量的地質(zhì)數(shù)據(jù)和施工數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，因此在地質(zhì)力學(xué)數(shù)據(jù)不夠詳細(xì)的情況下，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化才能應(yīng)用。

References

[1] 張好林，楊傳書(shū)，肖莉.無(wú)意外鉆井技術(shù)發(fā)展概述[J].鉆采工藝,2015,38(5)：22-24.

ZHANG Haolin，YANG Chuanshu，XIAO Li.Overview of no drilling surprised technology[J].Drilling & Production Technology，2015，38(5)：22-24.

[2] 李琪，于琳琳，劉志坤，等.鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素綜合評(píng)價(jià)方法及模型建立[J].天然氣工業(yè)，2008，28(5)：120-122.

LI Qi，YU Linlin，LIU Zhikun.Integrated drilling risk evaluation method and model establishment[J].Natural Gas Industry，2008，28(5)：120-122.

[3] 樊洪海.鉆井工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與井場(chǎng)信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].石油鉆探技術(shù)，2003，31(5)：17-19.

FAN Honghai.Monitoring of real-time drilling engineering and development of field data service system[J].Petroleum Drilling Techniques，2003，31(5)：17-19.

[4] 肖莉，楊傳書(shū)，趙金海，等.鉆井工程決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2015，43(2)：38-43.

XIAO Li，YANG Chuanshu，ZHAO Jinhai，et al.Key technologies of drilling engineering decision support systems[J].Petroleum Drilling Techniques，2015，43(2)：38-43.

[5] 管志川，魏凱，傅盛林，等.基于區(qū)間分析的鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[J].石油鉆探技術(shù)，2015，41(4)：15-18.

GUAN Zhichuan，WEI Kai，F(xiàn)U Shenglin，et al.Risk evaluation method for drilling engineering based on interval analysis[J].Petroleum Drilling Techniques，2015，41(4)：15-18.

[6] 勝亞楠，管志川，張國(guó)輝，等.基于鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[J].石油鉆采工藝，2016，38(4)：415-421.

SHENG Yanan，GUAN Zhichuan，ZHANG Guohui，et al.Borehole structure optimization based on pre-drill risk assessment[J].Oil Drilling & Production Technology，2016，38(4)：415-421.

[7] 張百靈，楊進(jìn)，王磊，等.鶯-瓊盆地高溫高壓區(qū)域淺層氣鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防治[J].石油鉆采工藝，2016，38(6)：766-770.

ZHANG Bailing，YANG Jin，WANG Lei，et al.Shallow gas well drilling risk assessment and prevention in the Yingqiong Basin Area of high temperature and high pressure[J].Oil Drilling & Production Technology，2016，38(6)：766-770.

[8] 張學(xué)洪，李黔.基于案例推理的井漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法[J].斷塊油氣田，2017，24(2)：255-258，263.

ZHANG Xuehong，LI Qian.Risk pre-warning method of well leakage based on case reasonin[J].Fault-Block Oil & Gas Field，2017，24(2)：255-258，263.

[9] 郭建明，李云峰，韓朝暉.鉆井異常狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能決策系統(tǒng)的研究[J].鉆采工藝，2008，31(2)：32-35.

GUO Jianming，LI Yunfeng，HAN Zhaohui.Research on real-time monitering and intelligent decision system of the abnormal problem during drilling operation[J].Drilling & Production Technology，2008，31(2)：32-35.

[10] 方傳新，紀(jì)永強(qiáng)，金業(yè)權(quán).幾種常用鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的比較[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，32(9)：244.

FANG Chuanxin，JI Yongqiang，JIN Yequan.Comparison of several common drilling risk assessment method[J].China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2012,32(9)：244.

[11] 徐偉，張英奎，劉金嶺.RPDCA 法在管道施工安全監(jiān)督中的運(yùn)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，11(8)：180-185.

XU Wei，ZHANG Yingkui，LIU Jinling，et al.Application of RPDCA method in safety supervision of pipeline construction[J].Journal of Safety Science and Technology，2015，11(8)：180-185.

[12] 《鉆井手冊(cè)》編寫(xiě)組.鉆井手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013：1604-1686.

Drilling Handbook Writing Group.Drilling handbook[M].Beijing：Petroleum Industry Press，2013：1604-1686.

[13] 蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問(wèn)題[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006:12-49.

JIANG Xiwen.Drilling accidents and complex problems[M].Beijing：Petroleum Industry Press，2006:12-49.

[14] 李大奇，康毅力，劉修善，等.裂縫性地層鉆井液漏失動(dòng)力學(xué)模型研究進(jìn)展[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(4)：42-47.

LI Daqi，KANG Yili，LIU Xiushan，et al.Progress in drilling fluid loss dynamics model for fractured formations[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(4)：42-47.

[15] 張景富，岳宏野，張德兵，等.分析與計(jì)算地層滲透性漏失漏層深度和壓力的新方法[J].石油鉆采工藝，2013，35(3)：12-15.

ZHANG Jingfu，YUE Hongye，ZHANG Debing，et al.New analysis and calculation method for permeable leakage layer depth and pressure[J].Oil Drilling & Production Technology，2013，35(3)：12-15.

[16] 徐術(shù)國(guó)，樊洪海，李昌盛，等.鉆井遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2015，34(22)：70-72.

XU Shuguo，F(xiàn)AN Honghai，LI Changsheng，et al.Development and application of drilling remote real-time decision-making system[J].Value Engineering，2015，34(22)：70-72.

[編輯 滕春鳴]

DevelopmentandApplicationofRisk-AssessmentSystemforDrillingOperations

YANGChuanshu

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China)

Drilling risk control is the key for promoting drilling efficiency,construction safety,cost-saving and profit.Some real-time drilling monitoring and alarm systems have been developed in recent years in China.Most of these systems lack functions related to potential risk prediction function before drilling and risk tracking and assessment after drilling.A model for quantitative evaluating the probability and severity of drilling risk was developed on the basis of causes of drilling risks.In addition,a visualization representation method was set up as well.And together,a real-time diagnosis method was developed based on drilling risk symptoms,and a drilling risk case knowledge database was also established as an auxiliary resource for risk prediction.Historical data of 5 existing wells were used for simulation and optimization of the model.The optimized model was used in over 10 wells.With completed and accurate geologic data available,the discovery rate of common risk reached 86%.The model was demonstrated to have important performances in control over high-level risks.The innovative drilling risk assessment system could provide necessary technical supports for sustainable optimization of drilling program and eventually achieve objectives in“risk-free”drilling operations.

drilling risk; prediction; closed-loop; risk cases; geo-mechanics; program optimization

TE28+1

A

1001-0890(2017)05-0060-08

10.11911/syztjs.201705011

2017-03-15；改回日期2017-07-18。

楊傳書(shū)(1972—)，男，湖北黃岡人，1996年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)機(jī)械制造工藝與設(shè)備、計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)，2009年獲中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油與天然氣工程專業(yè)工程碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事石油工程信息技術(shù)、石油工程軟件方面的研究工作。E-mail：yangcs.sripe@sinopec.com。

中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)研發(fā)”(編號(hào)：P13093)和“四川盆地深探井鉆完井及測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究” (編號(hào)：P16084)資助。