摘要：針對(duì)井噴事故從量變到質(zhì)變整個(gè)過(guò)程的特征，首次運(yùn)用安全流變一突變理論，分析了油氣井從溢流到發(fā)生井噴整個(gè)過(guò)程的規(guī)律，描述了井噴事故中安全流變的特點(diǎn)及其影響因素。運(yùn)用安全流變一突變的物理模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)井噴事故流變一突變過(guò)程進(jìn)行了分析。最終將井噴事故劃分為3大階段：損傷減速增加階段、損傷等速增加階段和損傷加速增加階段，具體歸納為6個(gè)小的階段：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，從而揭示了井噴事故發(fā)生的實(shí)質(zhì)。研究結(jié)果表明：控制井噴事故發(fā)生的關(guān)鍵就是要將其控制在流變階段(井噴階段之前)，最多不能超過(guò)突變的警戒點(diǎn)(井涌與井噴的交界點(diǎn))。因此，通過(guò)加強(qiáng)安全管理并采取安全技術(shù)措施，應(yīng)使安全流變階段盡量延長(zhǎng)，以防止其向突變的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：井噴；流變；突變理論；模型；地層流體；安全；損傷；事故

    油氣田鉆采現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際資料表明，在鉆進(jìn)過(guò)程、起下鉆過(guò)程、測(cè)井過(guò)程、完井過(guò)程、試油過(guò)程、射孔作業(yè)、酸化作業(yè)、測(cè)試過(guò)程、修井過(guò)程及正常的采油過(guò)程中都可能發(fā)生井噴。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約有87%為鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生的井噴，13%為其他狀態(tài)下發(fā)生的井噴^[1]。

    井噴事故是由多種綜合性因素共同作用而引發(fā)的，其中主要原因有：地層壓力監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確、鉆井液密度過(guò)低、鉆井液密度因地層流體的進(jìn)入而下降、井漏導(dǎo)致井筒中鉆井液液柱下降、起鉆具時(shí)所產(chǎn)生的抽吸壓力誘發(fā)井噴等。但其根本原因就是井內(nèi)液柱壓力小于地層液體壓力，最終導(dǎo)致井內(nèi)壓力失衡而產(chǎn)生井噴^[2]。筆者運(yùn)用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)何學(xué)秋教授的安全流變-突變理論來(lái)分析井噴發(fā)生的規(guī)律。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，及時(shí)采取必要的預(yù)防措施可以有效地控制井噴事故的發(fā)生與蔓延，這對(duì)于保護(hù)油氣資源和人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要的意義。

    任何事物的存在與發(fā)展都是安全與危險(xiǎn)相互交替的復(fù)雜多變的過(guò)程，危險(xiǎn)會(huì)伴隨著事物的產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的整個(gè)過(guò)程。事物的安全與危險(xiǎn)兩者之間的矛盾交替變化受事物內(nèi)因和外因的共同影響，在一定的條件下內(nèi)外因可以相互轉(zhuǎn)化，共同對(duì)事物的安全起到?jīng)Q定性的作用。外部危險(xiǎn)因子決定事物“安全流變-突變”的速度和方式，內(nèi)在危險(xiǎn)因子決定事物“安全流變-突變”的性質(zhì)和程序^[3]。對(duì)某一事物的“安全流變-突變”過(guò)程來(lái)講，外部危險(xiǎn)因子總是千變?nèi)f化、沒(méi)有任何規(guī)律可循的，而內(nèi)因卻是相對(duì)固定的。因此，在研究事物的“安全流變-突變”特征規(guī)律時(shí)，一般要從眾多的影響因素中抽象出內(nèi)因，在此基礎(chǔ)上再考慮外部因素的影響和作用，最終找到影響事物安全狀態(tài)的因子總和。

    假設(shè)將事物的危險(xiǎn)狀態(tài)用損傷程度來(lái)表示，那么事物的“安全流變-突變”的全過(guò)程可以表述為(如圖1)：當(dāng)某一事物誕生后的初期(OA階段)，其損傷量在外界力的作用下呈減速遞增，新的狀態(tài)在此期間逐漸形成和完善。當(dāng)新的狀態(tài)發(fā)展到成熟階段時(shí)(AB階段)，完善的新?tīng)顟B(tài)使損傷量勻速緩慢增加。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定增加后，原狀態(tài)將再次向無(wú)序方向發(fā)展，進(jìn)而使損傷量值開(kāi)始加速增大(BC段)。任何事物都有其固有的損傷量承受能力或臨界點(diǎn)(D點(diǎn))，超出此臨界點(diǎn)(D點(diǎn))后，事物將發(fā)生安全突變。當(dāng)事物的原狀態(tài)遭到破壞后，事物又重新回到一個(gè)新的安全狀態(tài)，原事物的狀態(tài)消失，從而又形成了另一個(gè)同類(lèi)新事物誕生的新起點(diǎn)(E點(diǎn))。物質(zhì)世界就是在這種安全與危險(xiǎn)的無(wú)限循環(huán)中得以存在和發(fā)展的^[4]。

 

    筆者在定性分析事物的安全流變一突變的基本影響因素及特征后，參考安全流變～突變的物理模型^[5]，對(duì)事物的安全流變一突變狀態(tài)進(jìn)行深入探討。

    安全流變 突變的物理模型由4組元件組成(如圖2)。整個(gè)系統(tǒng)框架模型分為5個(gè)層次：外界廣義作用力區(qū)、可立即恢復(fù)損傷區(qū)、可緩慢恢復(fù)損傷區(qū)、安全本質(zhì)損傷區(qū)、安全本質(zhì)損傷加速區(qū)，每個(gè)層次的反應(yīng)機(jī)理和作用各不相同。事物就是在這種模型下對(duì)外界廣義作用力作出相應(yīng)的反應(yīng)，最終決定事物是處于安全狀態(tài)還是危險(xiǎn)狀態(tài)的。

 

    1) 外界廣義作用力區(qū)(s)，是一切對(duì)事物安全狀態(tài)有影響作用的外界因素總稱(chēng)?？梢允蔷唧w的實(shí)質(zhì)，也以是無(wú)形、無(wú)跡的介質(zhì)。當(dāng)外界作用變化范圍很小時(shí)，可以認(rèn)為事物受大小相同的外界作用力作用。

    2) 可立即恢復(fù)損傷區(qū)(k₁)，為第一保護(hù)區(qū)，其中k₁是事物可立即修復(fù)損傷因子。能對(duì)外界作用立即形成反應(yīng)，把外界作用力以可恢復(fù)損傷的形式存儲(chǔ)起來(lái)，一旦外界作用消失，對(duì)事物所構(gòu)成的危險(xiǎn)也立即消失。是。越大儲(chǔ)存外界作用的能力也就越強(qiáng)，恢復(fù)損傷的能力也就越大。

    3) 可緩慢恢復(fù)損傷區(qū)(η₂、k₂)，為第二保護(hù)區(qū)，其中η₂是事物緩慢損傷因子，k₂是事物可緩慢修復(fù)損傷因子。在外界作用下不能立即引起事物應(yīng)有的損傷，而是有個(gè)時(shí)間的滯后；當(dāng)外力消失后損傷也不能立即恢復(fù)，而是緩慢回復(fù)到原始位置，其作用相當(dāng)于一個(gè)形變的“彈簧”，用以?xún)?chǔ)存外界作用力。

    4) 安全本質(zhì)損傷區(qū)(f₃、η₃)，是事物內(nèi)部不可再修復(fù)損傷區(qū)，其中f₃是事物的本質(zhì)損傷瓶頸值，協(xié)是安全本質(zhì)損傷因子。當(dāng)傳到安全本質(zhì)區(qū)的外界作用力較小時(shí)，摩擦件f₃相當(dāng)于一個(gè)“保護(hù)墊”，用于抵抗外界的作用力對(duì)事物的影響，從而使事物不產(chǎn)生本質(zhì)的損傷；當(dāng)傳到安全本質(zhì)區(qū)的作用力較大時(shí)，摩擦件f₃會(huì)消耗一部分外力，把剩余的力傳給阻尼件瓏，形成本質(zhì)損傷，事物也由原先的安全狀態(tài)突變?yōu)槲ｋU(xiǎn)狀態(tài)。

    5) 安全本質(zhì)損傷加速區(qū)(f₄、n)，由事物安全質(zhì)量體M、事物損傷加速門(mén)限值f₄和事物變加速損傷系數(shù)n組成。在外界廣義作用力的作用下，M不斷減小，使得保護(hù)事物免受加速損傷的能力逐漸降低。當(dāng)大量外界力作用于事物的本質(zhì)損傷加速區(qū)時(shí)，事物的損傷速度會(huì)越來(lái)越快，其損傷程度也越來(lái)越大，直到整個(gè)事物完全被破壞，進(jìn)入新的循環(huán)為止。

    在上述物理模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)事物物理模型中各元件特征規(guī)律，經(jīng)分析進(jìn)一步得到了事物安全流變 突變的數(shù)學(xué)模型^[6]：

 

式中e為事物總損傷量；e₄為事物加速損傷量；t為外界作用力作用時(shí)間；T為事物的物理壽命。

    任一事物從誕生之日起就具有一個(gè)安全質(zhì)量M，其大小便決定了此事物對(duì)外界廣義作用力的耐受程度，M值越大表示事物對(duì)外界廣義作用力的抵抗性越強(qiáng)。但隨著時(shí)間的推移，事物的損傷值會(huì)越來(lái)越大，M逐漸變小，直到采取必要的措施來(lái)阻止損傷量的繼續(xù)減小，此后M的值又會(huì)不斷升高，這時(shí)事物對(duì)外界作用力的抵抗能力又會(huì)得到增加。

    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：

 

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(pán)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(xiàn)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)

 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。

    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。

 

    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(xiàn)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(xiàn)形似一條直線(xiàn)，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。

    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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(本文作者：何沙¹ 吉安民² 楊姑² 孟米³ 1.西南石油大學(xué)發(fā)展規(guī)劃處；2.西南石油大學(xué)研究生院；3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司)