深井钻井技术问题及其系统的复杂性问题及其系统分析

  依据.

 

  理论上,如果把简单向复杂的变化程度作为纵轴,把无组织向有组织的排列次序作为横轴,那么在这个坐标系上共出现4类不同性质的技术系统,即:

 

  有组织复杂系统(Ⅰ)、无组织复杂系统(Ⅱ)、无组织简单系统(Ⅲ)、有组织简单系统(Ⅳ),其发展过程成熟的递次关系是:Ⅲ-Ⅳ-Ⅰ-Ⅱ。

 

  统计表明,深探井钻井绝大部分是复杂系统工程,而且其高投资性、高技术性、高风险性等因素决定了深井是有组织的巨型系统工程,深探井是复杂性巨系统工程。

 

  目前学术界对深探井钻井技术系统概念的理解也有分歧,一般认为深探井钻井技术系统问题有待进一步探讨。周煜辉[8]认为,其归类肯定不属/简单系统0和/开放的复杂巨系统0,只能是/简单巨系统0或/复杂性自组织自适应(跟踪)系统0。

 

  笔者认为,没有充足的理论依据和全面的技术支撑,就没有必要回避深井钻井系统工程的复杂性,3 何金南:深井钻井技术问题及其系统分析应允许进行破缺性思考和潜科学研究,也可用简单巨系统熵值来判别其复杂性程度。换言之,在国内国情下把深探井特别是复杂构造带深探井作为/复杂性巨系统工程0看待是合适的,不必拘泥于其系统工程管理与决策的可控性与可操作性,随着科技进步,复杂的三维设计已经用简单的二维设计所替代且效果更好。鉴于目前国内关于开放的复杂性巨系统工程研究与应用均取得突破性进展,很多复杂的结性现象都化解为简单的线性现象,因此,开展深井复杂性巨系统工程研究与应用就更有现实意义。

 

  方法.

 

  系统分析与系统综合相结合,采用从定性到定量综合集成工程方法(由钱学森于20世纪80年代末期提出)。

 

  结果与讨论.

 

  深井钻井技术复杂性,按照系统科学和复杂适应系统理论的观点,其研究对象包括/六个非0,即:

 

  (1)非单一性,如钻井目标、因素性质、学科归属等不是单一的; (2)非有序性,如不规则性、非连续性、不稳定性、非均质性、非线性等,在钻进地层、岩石、钻头、钻井液、井眼、水泥环及钻速和成本等方面均有体现,在客观上决定了应用分形几何学、混沌学、非线性回归分析、耗散结构分析、专家系统分析、神经网络分析及平均设计法和辨证思维等高新技术的可行性; (3)非透明性,如通用黑箱或灰箱理论及模糊理论,或由于地层不确定性及测量因素很难实现井下闭环控制和地面直视; (4)非确切性,如风险性、偶然性、随机性; (5)非定量性,如地层性质和钻头类型等; (6)非理性,如断钻具侧钻、中途停待、任意加深及套管层次高度简化等。这些复杂性研究对象中,起决定作用的是钻遇地层的复杂性,起首要能动作用的是钻头或钻具组合的复杂性。至于高温、高压、高密度、高矿化度、高H2S浓度和井喷、井塌、井漏、卡钻、钻具磨损等,都是围绕着钻头与地层这对复杂性矛盾产生的复杂情况或事故。而处理事故和复杂情况,就是使失稳的钻井系统恢复运行的稳定性,这在深井中比在其他井中更难控制。用系统工程技术思想看深井钻井控制,可以把井内压力控制、井眼轨迹控制、井眼稳定控制合到一起,而且钻井的每一工序都可看成井下控制问题。严格地说,井内压力控制与井眼稳定控制,都属于压力控制范畴,只不过前者是控制地层孔隙压力(主要针对液体),而后者是控制地层坍塌压力及破裂压力(主要针对岩体或固体)。于是问题的症结找到了,是选择2种低层次的线性控制,还是选择一种高层次的非线性控制?按整体涌现性观点,如采用更高层次的非线性控制,则可实现复杂性处理的突破。

 

  非线性复杂性处理的突破意义,就是要求深井钻井工程技术及管理人员认真学习先进技术和成功经验,同时不放过任何失败教训;从成千个点子中,通过复杂性思考与学习,选择出一项成功技术。

 

  深井钻井技术先进性与深井钻井系统工程复杂性相伴而生。鉴于深井钻井系统的对象是不确定度较高的多套地层,技术先进性主要体现在系统个体或子系统对人)机结合与融合的要求上,故研究与实践中,常对技术系统进行综合性集成和总体性设计。

 

  实例.

 

  以深井复合盐膏层钻探为例,说明深井钻井技术问题的复杂性[10~17]。

 

  盐膏层钻井完井复杂情况及井下事故形态可以用/溶、缩、塌、胀、漏、卡、喷、损08个字来描述。从起因看,可归结为6个方面: (1)岩盐层的塑性变形和蠕变流动问题; (2)盐膏层中所含石膏层和钙芒硝的膨胀问题; (3)钻穿盐膏层特别是复合盐膏层时,盐的溶解、易坍塌; (4)大段岩盐下部泥页岩引起的复杂问题; (5)盐膏层覆盖下的异常压力带问题; (6)过饱和钻井液返回上部井段温度降低、压力下降引起重结晶卡钻问题。

 

  盐膏层钻探问题的复杂性远不止以上的单独表现。许多深井未钻到目的层都提前完钻或钻穿盐膏层后事故完钻和套管报废,都是上述表现综合作用的结果。胜利油田寻找东营凹陷中央隆起带盐下深层油气藏, 1976 -1983年共钻探过12口井,大多未钻达预期目的层而提前完钻或事故终井;至1995年耗巨资钻成井深5807. 81 m的郝科l井,虽钻穿巨厚盐膏层,在技术上取得重大突破,但要深入研究和探讨的问题很多。在美国墨西哥湾钻探盐下油气藏,也是45年没有大的进展,直到20世纪80年代应用三维地震技术和先进钻探技术后才有所突破。

 

  用全面质量管理(TQC)方法)因果图来分析盐膏层钻探复杂性的综合作用可知,其根本因素还是盐膏层本身,其次是相关地层、工程措施、工具设备条件和管理因素等。

 

  另外,盐膏层钻探问题复杂性及其对技术的要求还表现在以下2个方面。

 

  (1)上喷下漏(喷漏同层)。塔里木盆地克参14石油钻采工艺 2005年10月(第27卷)第5期 井。因在同一裸眼段中出现3套压力系统,钻井中井漏、井涌时有发生。在上、下2个压力较低的地层,钻井中共漏失15次,漏失钻井液近1200m3。多次堵漏效果都不好,最后采用凝胶堵漏钻井液增强桥塞强度,同时采用间隙挤压和候凝挤压法注浆,在循环当量密度2. 06 g /cm3的情况下压稳水层堵漏成功。接着用密度1. 92 g /cm3的钻井液恢复钻进。

 

  (2)上漏下喷(喷漏不同层,漏层很多均在喷层上部)。塔里木盆地民参1井进行8次大型堵漏、压井作业。最后采用边出水边堵漏边钻进的方法强行钻进19 m钻穿水层,下入套管,提前完钻。

 

  由此可见,要解决钻探盐膏层复杂问题绝非易事,而要防止完钻后套管变形或挤毁也是很大的难题。因此,在盐膏层中钻井完井是一个包括地质、物探、钻井、采油、测井、化探等工程因素在内的高度复杂的系统工程。