塔里木山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險評估與控制系統(tǒng)開發(fā)

塔里木山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險評估與控制系統(tǒng)開發(fā)劉志坤李琪徐英卓高曉榮常篤（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院）摘要：塔里木盆地山前構(gòu)造帶鉆井作業(yè)具有很大的風(fēng)險。在具體闡述了塔里木山前分布及地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上，經(jīng)過長期調(diào)研，分析了塔里木山前鉆井的主要風(fēng)險，并將風(fēng)險歸類總結(jié)；為了降低該地區(qū)鉆井風(fēng)險，開發(fā)了塔里木山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險評估與控制系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，圍繞系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)說明了系統(tǒng)的主要功能。這套系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場初步測試，達到了預(yù)期的要求。一、引言山前構(gòu)造帶鉆井一直是鉆井界的難題，由于其復(fù)雜的地質(zhì)條件與特殊的構(gòu)造特征，鉆井復(fù)雜與事故多發(fā)。我國山前構(gòu)造帶鉆井主要集中在準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地、四川盆地等高含油氣構(gòu)造帶內(nèi)，高儲量與高鉆井風(fēng)險共存，這就為前陸盆地石油與天然氣的開采帶來了負(fù)面影響，因此，對山前構(gòu)造鉆井進行風(fēng)險評估和風(fēng)險控制，最大限度的降低該構(gòu)造鉆井風(fēng)險，十分有意義。經(jīng)過長期的基礎(chǔ)調(diào)研，以塔里木盆地山前構(gòu)造帶為例，實現(xiàn)了.NET平臺下的塔里木山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險評估及風(fēng)險控制軟件系統(tǒng)，其最終目標(biāo)是構(gòu)建一個計算機軟件集成平臺，在鉆前能準(zhǔn)確評估鉆井風(fēng)險，并提出風(fēng)險防范措施，以使鉆井風(fēng)險降低到最低程度。二、塔里木山前構(gòu)造概況塔里木盆地的類型是一個由古生界克拉通盆地和中、新生界前陸盆地組成的大型疊合復(fù)合盆地。塔里木盆地按構(gòu)造性質(zhì)可劃分為隆起構(gòu)造、坳陷構(gòu)造、邊緣斷隆3類共12個一級構(gòu)造單元，簡稱“七隆五坳”。山前構(gòu)造主要分布在庫車坳陷、西南坳陷、塔北隆起以及柯坪、庫魯克塔、鐵克力和阿爾金山等4個邊緣斷隆構(gòu)造。1、庫車坳陷庫車坳陷位于南天山造山帶與塔北隆起之間，西起溫宿，東至庫爾楚，長約450km，南界在輪臺-庫車-阿克蘇公路一線，南北寬20?60km，面積為16000km2。坳陷內(nèi)地形十分復(fù)雜，海拔高度2000?3000m，總的呈北高南低之勢，是一個以中、新生代沉積為主，受天山褶皺隆起向南逆沖擠壓應(yīng)力影響較大的一個狹長形山前坳陷。庫車坳陷構(gòu)造特征為一強烈變形的山前逆沖帶，中、新生界中廣泛發(fā)育線狀褶皺、逆沖斷層和推覆構(gòu)造，地層傾角可達900，這些典型的逆沖構(gòu)造呈弧形由東北向西南方向、從天山山前向盆地內(nèi)層推覆。2、西南坳陷西南坳陷位于塔里木盆地西南部，面積達12.13萬km2。西南坳陷是典型的中新世-上新世發(fā)育的前陸坳陷，它的發(fā)展與昆侖山系隆起緊密相關(guān)。喜山期的構(gòu)造變形對西南坳陷的形成起主導(dǎo)作用。西南坳陷南部山前第三系厚達7000?10000m,向東北方向逐漸減薄，至麥蓋提斜坡上部減薄至2000m。西南坳陷山前發(fā)育著復(fù)雜的逆沖構(gòu)造，包括線狀背斜、折離滑脫背斜等，上新統(tǒng)也卷入褶皺變形中。3、塔北隆起塔北隆起面積3.6萬km2,位于塔里木河以北，東西向延伸。塔北隆起是埋藏在中新世-上新世前陸坳陷中的古隆起。塔北前緣隆起在早期作為庫車前陸坳陷的前緣隆起，南天山山前的沖斷掩覆作用對其形成發(fā)展起一定作用。目前在塔北隆起已在震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、三疊系、侏羅系、白堊系和上、下第三系等9套層系鉆獲工業(yè)油氣流，探明和控制了一定的油氣地質(zhì)儲量，已成為塔里木盆地油氣開發(fā)生產(chǎn)的重要地區(qū)。三、塔里木山前構(gòu)造帶鉆井風(fēng)險分析塔里木山前地質(zhì)復(fù)雜，盆地內(nèi)鹽膏層、高低壓鹽水層、巨厚泥頁巖、巨厚礫石層、高陡地層發(fā)育，部分地區(qū)含有CO2、H2S；地層傾角大，很多地區(qū)高達30。?85。；地層壓力、應(yīng)力復(fù)雜，裂縫廣泛發(fā)育。由此造成鉆井復(fù)雜與事故頻發(fā)，鉆時、經(jīng)濟損失嚴(yán)重。以庫車坳陷為例，該坳陷經(jīng)歷多次構(gòu)造運動，受到來自于天山褶皺隆起向南逆沖擠壓應(yīng)力影響，造成該區(qū)域地質(zhì)情況異常復(fù)雜，存在地質(zhì)層位深度差異、異常高壓地層以及特殊巖性的不規(guī)則分布等問題。同時給工程設(shè)計與施工帶來更多的難度，在該區(qū)域的井漏、卡鉆等事故和復(fù)雜情況頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響

了工程進度，降低了鉆井實效。經(jīng)過塔里木現(xiàn)場調(diào)研，上第三系、下第三系、白堊系、侏羅系是問題主要發(fā)生層系。在上第三系的康村組、吉迪克組，下第三系的蘇維依組、庫姆格列木組山前構(gòu)造特征表現(xiàn)尤為突出，卡鉆、漏失、井壁垮塌、斷鉆具、井下落物等事故時常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，上第三系中，迪那地區(qū)、克拉地區(qū)和東秋地區(qū)事故發(fā)生概率相對較大（圖1），鉆時損失嚴(yán)重（具體數(shù)據(jù)見表1），事故發(fā)生的區(qū)域性很明顯，鉆井風(fēng)險大。主要鉆井風(fēng)險分析：（1）庫車山前構(gòu)造帶受到天山的強烈擠壓，因陸內(nèi)俯沖而發(fā)育在造山帶前緣的前陸盆地，并形成了復(fù)雜的前陸逆沖帶，使得同一層位在不同構(gòu)造埋深程度不一致，增加了完鉆的難度，導(dǎo)致了井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理。XJtnn□井誦口蠢渝口斷鮎貝100.000XJtnn□井誦口蠢渝口斷鮎貝90.00080.00070.00060.00050.00040.00030.00020.00010.000Li.OLiO圖1上第三系事故、復(fù)雜情況分布比例表1上第三系各種事故、復(fù)雜情況損失時間統(tǒng)計表分析項目卡鉆斷鉆具井下落物井漏溢流損失時間（小時）4233.983045.931843.6966244.56漏失里（方）9287.37910.73損失時間所占比例（%）26.018.711.338.45.6（2）前陸盆地油氣聚集具有明顯的分帶性，沿造山帶向前緣隆起區(qū)的剖面上看，山前沖斷褶皺帶是一個油氣聚集帶，該帶在平面上沿山系走向分布；在縱向上由于受斷層切割，因而尤其聚集分散，往往具有多層系含油氣，這就為準(zhǔn)確判斷目的層帶來了困難。（3）庫車山前構(gòu)造帶多種特殊巖性的不均勻分布，以及高低壓鹽水層、地層溫度的不均勻分布，給鉆井施工帶來很多困難。（4）山前地區(qū)區(qū)別與其它地區(qū)的一個重要特征就是地層傾角異常，某些層段的地層傾角可達60-80度，給鉆井井斜控制帶來了很大難度。（5）由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，難免導(dǎo)致鉆井工程設(shè)計時的偏差，特別是鉆井液設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、地層壓力等的不準(zhǔn)確，會給鉆井施工帶來很多問題。經(jīng)過對塔里木盆地地質(zhì)資料、鉆井資料、事故資料的大量調(diào)研，按照自然因素和技術(shù)因素把鉆井風(fēng)險劃分為6大類、多個小類（圖2）。儲層風(fēng)險是由于對地層資料掌握的不準(zhǔn)、不全造成的風(fēng)險；地質(zhì)風(fēng)險是各種特殊構(gòu)造、巖性造成的風(fēng)險；設(shè)計風(fēng)險是由于工程設(shè)計方案本身存在偏差而引起的風(fēng)險；施工風(fēng)險是在鉆井施工過程中由于未嚴(yán)格按照科學(xué)方法進行鉆井施工或者管理不當(dāng)而引起的鉆井風(fēng)險；工藝風(fēng)險是在進行特殊工藝作業(yè)時出現(xiàn)的風(fēng)險；設(shè)備風(fēng)險主要是設(shè)備選擇不當(dāng)或設(shè)備故障造成的風(fēng)險。鉆井風(fēng)險評價扌旨標(biāo)體系施工風(fēng)險丄HSB管理I事故與復(fù)雜風(fēng)險完井風(fēng)險特殊作業(yè)規(guī)險固井風(fēng)險軌跡控制風(fēng)險一施工要點與措施鉆井液性唯油氣井壓力孰井眼穩(wěn)I施工風(fēng)險丄HSB管理I事故與復(fù)雜風(fēng)險完井風(fēng)險特殊作業(yè)規(guī)險固井風(fēng)險軌跡控制風(fēng)險一施工要點與措施鉆井液性唯油氣井壓力孰井眼穩(wěn)I鉆井參數(shù)設(shè)訕井控風(fēng)險占豐殳$先一知鉆井參數(shù)設(shè)計鉆井設(shè)備選擇鉆柱設(shè)f鉆井液設(shè)；tT固井工程設(shè)計井身結(jié)構(gòu)設(shè)計地層壓力預(yù)測儲層風(fēng)險高陡地層發(fā)育含硫化氫地層二氧化碳?xì)馇指叩蛪蝴}巨厚泥hU巨厚礫石層鹽膏層地表環(huán)境復(fù)雜圖2鉆井風(fēng)險分類四、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由上面的分析可以看出，塔里木山前鉆井問題很復(fù)雜，各類風(fēng)險因素共存，要智能的將鉆井風(fēng)險數(shù)量化，并兼顧塔里木油田各個部門對鉆井工程的不同影響，這就需要利用計算機技術(shù)，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的計算機系統(tǒng)。從鉆井工程設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)實際出發(fā)，建立了一個較完善的面向鉆井工程領(lǐng)域的共享的智能化鉆井風(fēng)險管理軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。人機交互界面數(shù)據(jù)庫1.風(fēng)險因素分析6.風(fēng)險知識獲取與維護，/風(fēng)險清單討七2.單因素風(fēng)險評估*風(fēng)險率和權(quán)重值7.風(fēng)險實例獲取與維護i知識庫新實例&風(fēng)險防范措施新措施風(fēng)險防范控制措施人機交互界面數(shù)據(jù)庫1.風(fēng)險因素分析6.風(fēng)險知識獲取與維護，/風(fēng)險清單討七2.單因素風(fēng)險評估*風(fēng)險率和權(quán)重值7.風(fēng)險實例獲取與維護i知識庫新實例&風(fēng)險防范措施新措施風(fēng)險防范控制措施i單因素評估計-算???綜合評價計算4.輔助計算3.風(fēng)險綜合評價 檢索相似實例實例庫■L5.風(fēng)險防范措施4檢索防范措施措施庫圖3鉆井風(fēng)險管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按風(fēng)險因素分析f單因素風(fēng)險評估f風(fēng)險綜合評價f風(fēng)險控制這樣的工作主線來進行設(shè)計。針對某一具體油田或構(gòu)造，首先根據(jù)研究地區(qū)地質(zhì)情況、地區(qū)內(nèi)已鉆井實鉆情況分析出實際鉆井中潛在的風(fēng)險因素；然后對每一單因素進行風(fēng)險評估；在完成各單因素分析后，集合各單因素對鉆井作業(yè)影響的權(quán)重，結(jié)合構(gòu)建的風(fēng)險評價方法給出實施鉆井前的綜合風(fēng)險；最后依據(jù)風(fēng)險分析和評估的結(jié)果，綜合以往的鉆井經(jīng)驗給出防范和控制風(fēng)險的措施。五、軟件實現(xiàn)結(jié)合承擔(dān)的“塔里木山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險評估及風(fēng)險控制系統(tǒng)開發(fā)”項目，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于C#開發(fā)了“塔里木山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險評估及風(fēng)險控制系統(tǒng)”。塔里木盆地復(fù)雜的地質(zhì)條件及目的層埋藏深的特點，使得該盆地的鉆井作業(yè)，特別是山前構(gòu)造帶鉆井作業(yè)，難度較大、難題集中。經(jīng)過多年實踐，塔里木油田在應(yīng)對這些復(fù)雜因素方面已積累了豐富經(jīng)驗，與此同時，對于一些特殊的鉆井問題，組織了大量的研究工作。為將這些知識和研究成果很好地集成并利用其達到降低鉆井風(fēng)險的目的而開展了本項目的研究工作。1、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)（1）應(yīng)用AHP和模糊綜合評價相結(jié)合的方法，將模糊性語言描述進行量化，從而可利用數(shù)學(xué)方法進行分析處理風(fēng)險等級，其評價結(jié)果可用數(shù)字精確地表示。建立了塔里木山前構(gòu)造鉆井風(fēng)險評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型。（2）通過對塔里木山前構(gòu)造現(xiàn)場資料的調(diào)研和對中國石油大學(xué)以及西南石油大學(xué)提供技術(shù)報告的分析，將塔里木山前構(gòu)造的風(fēng)險因素分成6大類32小類，并對其中的地質(zhì)風(fēng)險因素進行了初步分析。（3）設(shè)計了基本信息數(shù)據(jù)庫、設(shè)計數(shù)據(jù)庫和鄰井?dāng)?shù)據(jù)庫。并整理了1700多口井的實鉆數(shù)據(jù)和30多口井設(shè)計數(shù)據(jù)。（4） 采用ASP.NET、C#語言以及javascript腳本，基于B/S架構(gòu)利用WebService等開發(fā)方式對系統(tǒng)進行構(gòu)建和開發(fā)。實現(xiàn)了基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息，在專家參與評價的基礎(chǔ)山對塔里木山前構(gòu)造的鉆井風(fēng)險進行評價，通過模型的計算，最終確定鉆井風(fēng)險等級和風(fēng)險率，給出風(fēng)險因素清單和防范措施的軟件平臺。（5） 總結(jié)歸納了事故實例的共同屬性，設(shè)計了鉆井事故實例庫的結(jié)構(gòu)，并已經(jīng)整理了1000多個實例，涉及到噴、漏、塌、卡各個環(huán)節(jié)。（6）在建立了設(shè)計數(shù)據(jù)庫和實鉆數(shù)據(jù)庫并補充完善了數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過WebGIS實現(xiàn)風(fēng)險因素按照地理位置的展布規(guī)律的可視化查詢，并根據(jù)一定的技術(shù)指標(biāo)進行統(tǒng)計分析。（7）根據(jù)塔里木油田的專業(yè)技術(shù)要求，針對塔里木山前構(gòu)造深井、超深井鉆井風(fēng)險評估及控制的實際研究經(jīng)驗，并系統(tǒng)調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)資料，總結(jié)歸納深井、超深井鉆井風(fēng)險評估和控制的基本理論和方法，并建立深井、超深井風(fēng)險評估和控制基礎(chǔ)理論和方法的基本綱要。（8）以人工智能技術(shù)為理論依據(jù)，研究并開發(fā)全井風(fēng)險因素和防范措施提示的決策支持系統(tǒng)。根據(jù)用戶選定的井位和搜索半徑，按照地層查找鄰井的風(fēng)險因素以及相應(yīng)的防范措施，按照風(fēng)險值的大小自動排列，生成全井風(fēng)險因素和防范措施提示文檔，對不同鉆井階段基于鉆井技術(shù)細(xì)節(jié)進行的鉆井風(fēng)險評估和控制提供風(fēng)險提示及技術(shù)措施。2、系統(tǒng)功能描述該系統(tǒng)遵循設(shè)計的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（圖2），主要功能包括數(shù)據(jù)管理、風(fēng)險因素分析、風(fēng)險統(tǒng)計和分布規(guī)律，風(fēng)險綜合評價、風(fēng)險防范措施，并輔助有信息查詢等功能模塊。數(shù)據(jù)管理：設(shè)計數(shù)據(jù)管理模塊主要提供設(shè)計數(shù)據(jù)的錄入，實現(xiàn)了設(shè)計數(shù)據(jù)的錄入、編輯、修改等功能，包括設(shè)備情況、設(shè)計井身結(jié)構(gòu)、設(shè)計地層及巖性描述、鉆具設(shè)計、套管設(shè)計、定向井設(shè)計、復(fù)雜和事故提示和計劃鉆井施工進度等數(shù)據(jù)的管理。該模塊主要是一方面通過歷史設(shè)計數(shù)據(jù)的錄入，在風(fēng)險評價過程中通過對比設(shè)計數(shù)據(jù)和實鉆數(shù)據(jù)，得出預(yù)測（例如地層預(yù)測）的準(zhǔn)確性以不準(zhǔn)確性的趨勢，為鉆井風(fēng)險評價提供依據(jù)；另一方面，所謂的鉆井風(fēng)險評價，被評價的目標(biāo)之一就是設(shè)計方案，風(fēng)險評價和設(shè)計方案直接相關(guān)，同一口井不同的設(shè)計方案，鉆井風(fēng)險是不同的。因此風(fēng)險評估和控制的最終結(jié)果要根據(jù)所提供的技術(shù)依據(jù)給出不同階段鉆井工程的風(fēng)險值，設(shè)計數(shù)據(jù)提供的越詳細(xì)，設(shè)計和實際統(tǒng)計情況相差越小，鉆井的風(fēng)險越低（圖4）。

圖4數(shù)據(jù)管理界面風(fēng)險因素分析：根據(jù)每種具體的風(fēng)險因素建立知識庫，并根據(jù)知識庫推理出單因素風(fēng)險的存在原因、規(guī)律、可能誘發(fā)的鉆井風(fēng)險以及相應(yīng)的技術(shù)措施，使用戶對各因素有一個完整、深入的認(rèn)識。結(jié)合計算機程序，完成統(tǒng)計、計算等功能，使該模塊更加靈活、實用，并利用網(wǎng)絡(luò)平臺，達到知識的學(xué)習(xí)與傳播的目的，最后結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法，給出各單風(fēng)險因素權(quán)重，并為下一步的綜合風(fēng)險評價提供依據(jù)（圖5）。桿圖5風(fēng)險因素分析界面lLi*=L4ft14U土JMAW桿圖5風(fēng)險因素分析界面lLi*=L4ft14U土JMAW風(fēng)險統(tǒng)計和分布規(guī)律：該模塊通過對大量歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、對比和分析，從中獲取一定的統(tǒng)計信息，為鉆井風(fēng)險評價提供一定的技術(shù)依據(jù)。主要包括：復(fù)雜與事故統(tǒng)計分析、地層預(yù)測符合度統(tǒng)計分析、地質(zhì)風(fēng)險因素統(tǒng)計分析以及時效和成本統(tǒng)計分析?；赪ebGIS對鉆井事故和風(fēng)險因素進行可視化查詢，將事故和風(fēng)險因素的分布規(guī)律以更方便、直觀的方式展現(xiàn)給專家和技術(shù)人員（圖6）。v芒音昧吉克'夬鈿.卻』南【iB:陽.‘G2其滿0D片16-:u,5AHP（計算各指標(biāo)的權(quán)重采汪]4查S結(jié)果莢里木曉孜爾庫耐膽嘰輪i誘滿東1「Tao⑥除?Q凸蚣查找類別空部圖層v芒音昧吉克'夬鈿.卻』南【iB:陽.‘G2其滿0D片16-:u,5AHP（計算各指標(biāo)的權(quán)重采汪]4查S結(jié)果莢里木曉孜爾庫耐膽嘰輪i誘滿東1「Tao⑥除?Q凸蚣查找類別空部圖層聽E羊蠡5垃評價|33j8^1、搐里木圖6統(tǒng)計分析和分布目標(biāo)國爍槿，片珊鐮英山、文^5*?'j112京拉3 .!2再據(jù)統(tǒng)計分析等模塊針對歷史數(shù)據(jù)rtkaej'占血?！鉶ge丨 j是整個系統(tǒng)的核心。軟件實現(xiàn)過務(wù)地理信息系統(tǒng)［塔里木盆地］-KicrosoftInternetExplorer鉆井風(fēng)對鉆井風(fēng)險文件＜￡）編揭?査看?）收徹（4）工員Q）耦助a）O別?O岡②④八血鐵收藏夾e於回國袒◎?qū)つ縈地址@)|⑥http:〃192168.1.15/web&is/gis￡orm.aspx?mapid=%cb%￡e%c0%e￡%c4%be%c5%e8%b5%d8工風(fēng)險進行風(fēng)險等級評定，得到發(fā)生風(fēng)險的等級及其可能性（圖7）。圖7鉆井風(fēng)險綜合評價界面防范措施：該模塊和風(fēng)險因素分析模塊相對應(yīng)，在風(fēng)險因素分析的基礎(chǔ)上建立措施庫，分區(qū)域、分地層的進行鉆井復(fù)雜與事故及風(fēng)險防范措施的分析、提取和入庫（圖8）。圖8防范措施界面信息查詢：信息查詢模塊提供了風(fēng)險實例的查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、深井超深井信息查詢。根據(jù)構(gòu)造、地層查詢風(fēng)險發(fā)生實例，并可獲得相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，并可以通過年份、井深等關(guān)鍵字查詢國內(nèi)外深井超深