油井鉆井工程中的能量分析與事故管理*

劉靜 符乃創(chuàng)

（1.重慶忠慶環(huán)境工程咨詢服務(wù)有限公司；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；3.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心；5.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶頁(yè)巖氣研究中心）

油井鉆井工程中的能量分析與事故管理*

劉靜1符乃創(chuàng)2，3，4，5

（1.重慶忠慶環(huán)境工程咨詢服務(wù)有限公司；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；3.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心；5.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶頁(yè)巖氣研究中心）

以油井鉆井工程為研究對(duì)象，根據(jù)鉆井工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際用能狀況建立能量平衡模型。結(jié)合能量守恒定律，運(yùn)用能級(jí)分析法對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中的能量進(jìn)行分析和計(jì)算，揭示這一過(guò)程的能量耗散及能量釋放特性。實(shí)驗(yàn)中探討了鉆井工程中卡鉆、井漏、井噴、鉆具與落物事故等的事故原因和處理方法，提出了油井鉆井工程中鉆井事故的預(yù)防措施，為油井鉆井工程中能量的最佳合理性利用以及鉆井事故預(yù)防提供了依據(jù)。

鉆井工程 能量分析 熱效率 事故管理

石油鉆井工程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都伴有能量（機(jī)械能、熱能、電能等）的輸入與輸出，任何一個(gè)環(huán)節(jié)能量的不合理利用都會(huì)出現(xiàn)故障或發(fā)生事故，如卡鉆、井塌、井漏、井噴、鉆具和落物事故等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，甚至對(duì)整個(gè)油田的生產(chǎn)產(chǎn)生影響。所以，為了避免或減少鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)，首先要對(duì)能量的利用狀況進(jìn)行合理的分析，為鉆井工程能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，為事故管理提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)依據(jù)。

1 能量分析理論

1.1 能量分析方法

能量分析是應(yīng)用能量傳遞和轉(zhuǎn)換理論分析用能過(guò)程的合理性和有效性，用能的合理性是指用能方式是否科學(xué)合理，用能的有效性則是指用能的效果，即能量被有效利用的程度[1-2]。能量分析方法就是在對(duì)實(shí)際用能設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行能量分析時(shí)，制定一套分析模型、建立能量平衡方程以及確立用能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的方法。

常用的能量分析方法主要有兩種，即熱力學(xué)第一定律分析法（焓分析法）和熱力學(xué)第二定律分析法（熵分析法和■分析法）[1]。目前在工程上應(yīng)用較多的是■分析法，它可以直接表征質(zhì)的參數(shù)，易于理解和計(jì)算簡(jiǎn)便。

1.2 能級(jí)分析法

從熱力學(xué)及工程應(yīng)用的觀點(diǎn)來(lái)看，■分析法雖優(yōu)于焓分析法，但并非完美無(wú)缺。實(shí)際上■分析法只是解決了能量分析結(jié)論的準(zhǔn)確性和可靠性問(wèn)題，并未解決也不可能解決供能與用能雙方如何合理匹配，以獲取最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題。鑒于此，我國(guó)學(xué)者楊東華教授于1982年提出了能量分析的新方法——能級(jí)分析法，他指出能級(jí)才是最恰當(dāng)?shù)拿枋瞿芰康馁|(zhì)量，而不是■，此后又有一些學(xué)者對(duì)能級(jí)分析方法及分析指標(biāo)進(jìn)行了研究[3]。

能級(jí)分析，就是依據(jù)能量平衡與■平衡原理，以能級(jí)匹配和能量減少、能量損失為用能指導(dǎo)思想，以供、用戶的能級(jí)差ΔΩ或能級(jí)系數(shù) ξΩ和第一定律效率ηt作為能量利用合理性的質(zhì)量和數(shù)量水平的兩個(gè)定量準(zhǔn)則[4]，這兩者合在一起就能全面反映能量利用過(guò)程的質(zhì)量和數(shù)量水平。能級(jí)分析的結(jié)果為解決供、用能之間能級(jí)的合理匹配，為能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。

1.3 能級(jí)分析通用模型

楊東華教授提出用ΔΩ和ηt兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)用能過(guò)程，并建立了一個(gè)通用用能過(guò)程的模型，如圖1。

圖1 楊東華教授通用用能過(guò)程模型示意圖[3]

現(xiàn)對(duì)該通用用能過(guò)程進(jìn)行整體能量平衡分析。圖中設(shè)備的的熱平衡方程為：

設(shè)備的■平衡為：

考慮到由環(huán)境輸入設(shè)備的能量全部由■（Anergle）組成，即=0，整理式（1）、（2）得：

由式（3）、（4）可得整個(gè)系統(tǒng)的能級(jí)差：

式中：

Qu、 Eu——用戶的凈輸入能量和凈■輸入；

ΔΩ——能級(jí)差（系統(tǒng)輸入能量的能級(jí)與用戶所需能量的能級(jí)間的差值）；

ΔΩ1——系統(tǒng)內(nèi)、外■損失引起的能級(jí)差；

ΔΩ2——系統(tǒng)的“沖淡”或“濃縮”作用引起的能級(jí)差；

ηt——設(shè)備的熱效率；

ηex——設(shè)備的■效率；

ηex，in——設(shè)備的內(nèi)部■效率；

ηex,ext——設(shè)備的外部■效率。

能級(jí)匹配才是正確用能的關(guān)鍵。在能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，應(yīng)使ΔΩ盡量趨于0才能達(dá)到真正的按質(zhì)用能，ΔΩ＞0與ΔΩ＜0的情形都要盡可能地避免。根據(jù)等式（5），若 ΔΩ＞0，則ηex＜ηt，這表明用能系統(tǒng)中有大量的■損耗，是不合理的；當(dāng)ΔΩ＜0時(shí)， ηex＜ηt，這表明有大量的低能級(jí)的能量沒(méi)有得到利用就排放到環(huán)境中去了，根據(jù)能級(jí)平衡思想這也是不合理的用能方式。如果用能系統(tǒng)的供能和用戶能級(jí)有差異，對(duì)于ΔΩ＞0的情形，要采取措施“沖淡”輸入能量的能級(jí)；當(dāng)ΔΩ＜0時(shí)，須在輸出處“濃縮”用戶的能級(jí)[5-6]。

2 創(chuàng)建能量平衡模型

2.1 建立能量平衡模型

油井鉆井工程是一項(xiàng)多工種、多工序、立體交叉和連續(xù)作業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，也是一個(gè)由能源、設(shè)備、環(huán)境和用戶組成的大系統(tǒng)，該系統(tǒng)的任何一個(gè)部分或環(huán)節(jié)都伴有能量。系統(tǒng)中既存在由發(fā)電機(jī)等產(chǎn)生的電能，也存在由于位差或宏觀運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的機(jī)械能以及因機(jī)械摩擦等產(chǎn)生的熱能。為此，本文引入大系統(tǒng)的能級(jí)分析法對(duì)鉆井工程中能量進(jìn)行分析、計(jì)算，并以設(shè)備供能的能級(jí)與用戶能的能級(jí)之差或能級(jí)平衡系數(shù)作為設(shè)備的能量利用合理性的質(zhì)量指標(biāo)[7]。

以某油田某油井鉆井工程為研究實(shí)體，該油井采用旋轉(zhuǎn)鉆（轉(zhuǎn)盤鉆）以欠平衡壓力鉆井方式進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，油井的原始參數(shù)見(jiàn)表1。另外，在0～4240 m井段，井徑、鉆柱外徑和鉆柱內(nèi)徑分別為220 mm、127 mm和100 mm；在4240～4340 m井段，井徑、鉆柱外徑和鉆柱內(nèi)徑分別為216 mm、158 mm和74 mm。結(jié)合該鉆井工程的數(shù)據(jù)資料，參照楊東華教授提出的用能過(guò)程通用模型建立該油井能量平衡模型（圖2）。

圖2 油井能量平衡模型示意圖

表1 基本原始參數(shù)

2.2 實(shí)例分析

按照大系統(tǒng)的能級(jí)分析法要點(diǎn)不難得出：天車、井架、游車、大鉤、水龍頭、絞車、泥漿泵、泥漿池、污水池、防噴器、柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)的能級(jí)分別為 0.85、0.56、1.0、1.0、0.68、1.0、1.0、0.57、0.62、0.79、1.0和 1.0，0～4240 m井段鉆柱、鉆頭、泥漿、套管的能級(jí)分別為0.46、0.78、0.65、0.52， 4240～4340 m井段鉆柱、鉆頭、泥漿、套管的能級(jí)分別為0.83、0.97、0.82、0.75，將這些數(shù)據(jù)帶入能量平衡模型中的能源、設(shè)備、環(huán)境、用戶子系統(tǒng)，得： Ω能源=1.0， Ω設(shè)備=0.769 6，Ω環(huán)境=0.485，Ω用戶=0.581。

所以，設(shè)備供能的能級(jí)與用戶能的能級(jí)差ΔΩ=Ω設(shè)備－Ω用戶=0.769 6－0.581=0.188 6，設(shè)備的熱效率ηt=88.35%。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，該油井鉆井工程的熱效率不是很好，只有88.35%，設(shè)備供能的能級(jí)與用戶能的能級(jí)差很大，為0.1886，這說(shuō)明該鉆井工程的能量利用不論是從數(shù)量上，還是從質(zhì)量上都不太理想，沒(méi)能達(dá)到能量的最佳合理性利用，同時(shí)也說(shuō)明該工程節(jié)能潛力很大。對(duì)于鉆井工程的節(jié)能工作，不僅要從數(shù)量上降低設(shè)備的能量損失，提高熱效率，而且要做到“按質(zhì)供能、按級(jí)供能”，降低設(shè)備供能能級(jí)與用戶能級(jí)之間的能級(jí)差。

3 油井鉆井事故管理

由于受地質(zhì)條件、裝備能力、技術(shù)水平、管理規(guī)范、施工經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)者熟練程度等因素的限制，加上鉆井管理體制和鉆井運(yùn)行機(jī)制等因素的制約，鉆井過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生各種各樣的事故，造成重大的人力、物力、財(cái)力損失，甚至導(dǎo)致全井報(bào)廢，從而延緩勘探和開(kāi)發(fā)進(jìn)程[8]?？梢?jiàn)，鉆井工程事故是鉆井施工過(guò)程的難題，減少或杜絕鉆井工程事故的發(fā)生，始終是鉆井科技工作者的工作目標(biāo)。

3.1 事故分析比較

鉆井工程中卡鉆、井漏、井噴、鉆具與落物等事故的比較分析見(jiàn)表2。

從表2可以看出，鉆井事故發(fā)生的原因是多方面的，在實(shí)際工作中可以運(yùn)用事故樹(shù)分析法對(duì)鉆井事故進(jìn)行分析，從中找出事故致因[12]。其實(shí)，鉆井事故的發(fā)生與鉆井工程中的能量是否得到合理利用是有關(guān)聯(lián)的，因?yàn)樵阢@井工程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)能量的不合理利用，就會(huì)對(duì)整個(gè)鉆井工程構(gòu)成威脅，處理不當(dāng)就會(huì)發(fā)生事故，所以，能量理論及其分析法不僅可以用在鉆井工程中，也可以用來(lái)分析、解釋鉆井事故。

3.2 鉆井工程事故預(yù)防措施

為減少或杜絕鉆井工程事故的發(fā)生，降低鉆井成本，縮短建井周期，提高鉆井質(zhì)量，最終提高整體效益。石油企業(yè)應(yīng)采取以下措施來(lái)加強(qiáng)鉆井工程事故管理：

表2 鉆井工程中卡鉆、井漏、井噴、鉆具與落物事故的原因及處理方法[8-11]

1）加強(qiáng)隊(duì)伍建設(shè)，提高現(xiàn)場(chǎng)操作者的技術(shù)素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平，尤其是現(xiàn)場(chǎng)指揮者的素質(zhì)。落實(shí)崗位責(zé)任制，加強(qiáng)崗位培訓(xùn)，抓好崗位之間的配合，實(shí)現(xiàn)井隊(duì)全面質(zhì)量管理。

2）加強(qiáng)施工過(guò)程中的技術(shù)、安全、質(zhì)量監(jiān)督。建立職業(yè)監(jiān)督隊(duì)伍，加強(qiáng)人員培訓(xùn)，完善監(jiān)督機(jī)構(gòu)；嚴(yán)格履行鉆井監(jiān)督職責(zé)，堅(jiān)持施工過(guò)程中“安全”否決權(quán)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3）不斷完善HSE管理體系，定期與國(guó)際石油企業(yè)HSE管理組織或機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)交流。

4）組建鉆井工程事故處理中心，堅(jiān)持“三不放過(guò)”原則，加強(qiáng)鉆井工程安全與事故處理科研工作，使鉆井施工各個(gè)環(huán)節(jié)都建立在可靠的技術(shù)基礎(chǔ)之上。

5）逐步建立規(guī)范化的鉆井工程市場(chǎng)。要主動(dòng)規(guī)范內(nèi)部鉆井市場(chǎng)，采用合理的標(biāo)價(jià)和科學(xué)的程式，招攬優(yōu)秀的鉆井工程隊(duì)伍進(jìn)行施工。

6）建立人機(jī)智能交互系統(tǒng)，并加快鉆井裝備的更新改造，用較先進(jìn)的裝備武裝鉆井隊(duì)伍。

4 結(jié)論

能級(jí)分析法是以能級(jí)差ΔΩ（或能級(jí)平衡系數(shù)ηΩ）作為能量利用合理性的質(zhì)量指標(biāo)，與作為能量利用合理性的數(shù)量指標(biāo)ηt一起，可以全面評(píng)價(jià)和分析用能過(guò)程的合理性。這一分析法是基于對(duì)節(jié)能本質(zhì)新的認(rèn)識(shí)而產(chǎn)生的。只有能級(jí)平衡法才能獲得供能與用戶所需能量質(zhì)量間的匹配關(guān)系。為了合理有效地利用鉆井工程中的能量和減少或杜絕鉆井事故的發(fā)生，引進(jìn)了能級(jí)分析法，并結(jié)合能量守恒定律，對(duì)油井鉆井工程中的能量進(jìn)行分析、計(jì)算，為能量的最佳合理性利用提供指導(dǎo)思想，為鉆井事故的預(yù)防提出相應(yīng)措施和對(duì)策。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2014.004.014

2014-01-24）

劉靜，2009年畢業(yè)于西南大學(xué)，從事環(huán)境工程、環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面工作，E-mail：154926118@qq.com，地址：重慶市渝中區(qū)煤建新村37號(hào)4-1，400000。

重慶市國(guó)土房管局重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（CQGT-KJ-2012-6）