3 井噴事故的安全流變-突變分析
3.1 井噴事故流變-突變過(guò)程
??? 井噴事故的發(fā)生不是一觸即發(fā)的，而是一個(gè)不斷演變的過(guò)程。對(duì)于井噴而言，一般先發(fā)生鉆井溢流，緊接著便會(huì)發(fā)生井涌，如果沒(méi)有得到有效的控制，就會(huì)向著井噴的方向發(fā)展，井噴是井涌不能控制的后果。
??? 按照安全流變一突變理論，井噴發(fā)生的整個(gè)過(guò)程可以分為3個(gè)階段：即安全流變損傷減速增加階段、安全流變損傷等速增加階段、安全流變損傷加速增加階段[7]。其中第一、二階段是井噴事故發(fā)生的初始階段，屬于安全流變階段，第三階段是井噴事故發(fā)生的發(fā)展階段，對(duì)應(yīng)著安全突變階段，流變階段和突變階段的交點(diǎn)即為突變警戒點(diǎn)。井噴是地層流體(石油、天然氣、水等)快速流變不能控制的結(jié)果，如果外界的壓力沒(méi)有超過(guò)事物可以承受的臨界值，加之流變具有衰減的特征，此時(shí)突變便不會(huì)發(fā)生，就不會(huì)引起井噴事故。結(jié)合安全流變?突變理論與井噴發(fā)展的實(shí)際過(guò)程，筆者將井噴細(xì)分為以下6個(gè)階段：溢流潛伏階段、溢流階段、井涌階段、井噴階段、后效階段和過(guò)渡階段。
??? 以常規(guī)鉆井為例，為了方便表示井噴各個(gè)階段的劃分，在此引入了危險(xiǎn)度的定義：
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式中D為危險(xiǎn)度；p為井內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力；p0為地層流體壓力。
??? 當(dāng)危險(xiǎn)度小于1時(shí)是安全的；當(dāng)危險(xiǎn)度大于1時(shí)是不安全的；當(dāng)危險(xiǎn)度等于1時(shí)，油氣井開(kāi)始進(jìn)入不安全的狀態(tài)。筆者以羅家16H井井噴事故為例[8]，對(duì)井噴安全流變-突變理論進(jìn)行了分析。
??? 1) 當(dāng)油氣井內(nèi)鉆井液液柱壓力遠(yuǎn)大于地層流體壓力之前，為溢流潛伏期。此階段鉆井液密度降低幅度較小，鉆井液的液柱壓力大于地層壓力。該期間的危險(xiǎn)度為0.3，屬于安全狀態(tài)。
??? 2) 當(dāng)鉆井液密度進(jìn)一步降低到鉆井液的液柱壓力略小于地層壓力時(shí)，為溢流階段，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致地層的部分流體進(jìn)入井筒內(nèi)，使得油氣井的安全性越來(lái)越低。該期間的危險(xiǎn)度為0.5，屬于相對(duì)安全狀態(tài)。
??? 3) 當(dāng)鉆井溢流沒(méi)有得到有效控制而進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致地層流體噴出井口，就會(huì)很快轉(zhuǎn)入不安全狀態(tài)，即發(fā)生突變。該期間的危險(xiǎn)度為由0.5逐漸增加到1，屬于危險(xiǎn)狀態(tài)。
??? 4) 當(dāng)井涌進(jìn)一步向前發(fā)展，導(dǎo)致地層流體噴出鉆臺(tái)轉(zhuǎn)盤面1m以上，此時(shí)油氣井就會(huì)進(jìn)入井噴階段。此階段的危險(xiǎn)度大于1，屬于極不安全狀態(tài)。
??? 5) 地層流體從井噴頂峰到開(kāi)始?jí)壕呛笮щA段，該階段要采取必要的措施，控制井噴事故的蔓延，轉(zhuǎn)移相應(yīng)的人員和設(shè)備。此階段的危險(xiǎn)度有所下降，屬于危險(xiǎn)狀態(tài)。
??? 6) 從壓井成功到重新投入生產(chǎn)是過(guò)渡階段，此階段應(yīng)該采取相應(yīng)的措施以消除系統(tǒng)已存在的危險(xiǎn)因子，待所有的危險(xiǎn)因子消除之后，油氣井又會(huì)重新投入生產(chǎn)，進(jìn)入下一個(gè)安全流變突變循環(huán)
(如圖3)。圖中井噴階段以波浪線上升的原因主要是在此過(guò)程中不斷地往鉆井液中加入高密度的物質(zhì)或重漿，導(dǎo)致井內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力不斷變化，危險(xiǎn)度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的波動(dòng)
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?從以上分析可以得出：潛伏階段、溢流階段、井涌階段是井噴的安全流變階段，直到發(fā)生突變，才進(jìn)入井噴的極不安全狀態(tài)。在此過(guò)程中，井內(nèi)壓力不斷減小、地層流體(石油、天然氣、水等)壓力不斷增大、鉆井液密度不斷降低致使鉆井液液柱壓力小于地層壓力，最終導(dǎo)致地層流體不斷流入井內(nèi)，從而進(jìn)一步向著井噴方向發(fā)展。如果該階段沒(méi)有采取有效的措施進(jìn)行控制，便會(huì)向著井噴的方向發(fā)展，整個(gè)系統(tǒng)便由安全流變狀態(tài)向安全突變的方向轉(zhuǎn)變。當(dāng)油氣井處于安全流變階段時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)還處于相對(duì)安全的狀態(tài)；但一旦轉(zhuǎn)入突變，系統(tǒng)就會(huì)由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲ｋU(xiǎn)狀態(tài)。因此，要控制井噴事故，關(guān)鍵就是要將其控制在流變階段，進(jìn)而消除危險(xiǎn)源，防止其向突變的方向轉(zhuǎn)化。但如果突變之前沒(méi)有采取有效的抑制措施，最終導(dǎo)致了井噴事故的發(fā)生，也就是系統(tǒng)進(jìn)入了安全突變階段，此階段最重要的就是要在保證人員和設(shè)備安全的情況下盡可能控制井噴范圍的擴(kuò)大，最大限度地降低井噴所造成的損傷。
3.2 井噴事故流變-突變模型
??? 發(fā)生井噴的過(guò)程，實(shí)際上是油氣井損傷形變的過(guò)程，其損傷量、損傷速度和損傷加速度，可以清晰地反映出井噴發(fā)生的全過(guò)程。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)兩井噴事故進(jìn)行了模擬研究[8]，計(jì)算機(jī)模擬得到的結(jié)果見(jiàn)圖4、5。
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??? 從圖4、5中可以看出井噴事故是屬于典型的安全流變?突變模型。其中橫坐標(biāo)表示井樣承載外界作用的時(shí)間，縱坐標(biāo)表示井樣損傷產(chǎn)生的形變大小。對(duì)兩組模擬曲線進(jìn)行對(duì)比可知：外界廣義作用力s越大，井噴所造成的損傷量也就越大；加速損傷系數(shù)n越大，越容易發(fā)生井噴；安全本質(zhì)損傷因子η3越大，油氣井受壓后潛能吸收越慢。綜合以上分析，可以將井噴事故與安全流變一突變理論有效結(jié)合起來(lái)，這對(duì)于進(jìn)一步分析和預(yù)測(cè)井噴事故有著重要的作用。
??? 圖4中的AB段是油氣井在外界作用下的減速損傷階段，與承載的時(shí)間關(guān)系不大，為瞬間損傷。在第一保護(hù)區(qū)的作用下，損傷速度由大變小，損傷加速度小于0。BC段是油氣井等速損傷階段，此階段流變曲線形似一條直線，損傷速度接近常數(shù)，損傷加速度為0。CD段是油氣井加速損傷階段，此階段損傷速度不斷增大，加速度也大于0。AD段是安全流變階段，其中D點(diǎn)是突變警戒點(diǎn)，從此點(diǎn)開(kāi)始油氣井的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始發(fā)生了質(zhì)變，進(jìn)入了危險(xiǎn)狀態(tài)。DE屬于安全突變階段。
4 結(jié)論
??? 通過(guò)利用安全流變-突變理論對(duì)井噴事故從溢流到井噴的特征規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出了以下結(jié)論：
??? 1) 從安全流變-突變理論可知，安全是相對(duì)的，危險(xiǎn)卻是絕對(duì)的。因此，不可能做到絕對(duì)的安全，但是可以通過(guò)提前預(yù)防來(lái)減少危險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生的可能性。
??? 2) 通過(guò)對(duì)井噴事故的安全流變突變理論分析，可以知道要控制井噴事故的發(fā)生，就必須采取必要的措施，將其控制在安全流變階段，這對(duì)于指導(dǎo)井噴事故的防控工作有十分重要的意義。
??? 3) 對(duì)實(shí)際的井噴案例建立了數(shù)學(xué)模型，并用計(jì)算機(jī)軟件分析了井噴發(fā)展的各個(gè)階段，這對(duì)以后井噴事故的量化預(yù)測(cè)提供了參考依據(jù)。
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