深井鉆井技術(shù)問(wèn)題及其系統的復雜性問(wèn)題及其系統分析

  依據.

 

  理論上,如果把簡(jiǎn)單向復雜的變化程度作為縱軸,把無(wú)組織向有組織的排列次序作為橫軸,那么在這個(gè)坐標系上共出現4類(lèi)不同性質(zhì)的技術(shù)系統,即:

 

  有組織復雜系統(Ⅰ)、無(wú)組織復雜系統(Ⅱ)、無(wú)組織簡(jiǎn)單系統(Ⅲ)、有組織簡(jiǎn)單系統(Ⅳ),其發(fā)展過(guò)程成熟的遞次關(guān)系是:Ⅲ-Ⅳ-Ⅰ-Ⅱ。

 

  統計表明,深探井鉆井絕大部分是復雜系統工程,而且其高投資性、高技術(shù)性、高風(fēng)險性等因素決定了深井是有組織的巨型系統工程,深探井是復雜性巨系統工程。

 

  目前學(xué)術(shù)界對深探井鉆井技術(shù)系統概念的理解也有分歧,一般認為深探井鉆井技術(shù)系統問(wèn)題有待進(jìn)一步探討。周煜輝[8]認為,其歸類(lèi)肯定不屬/簡(jiǎn)單系統0和/開(kāi)放的復雜巨系統0,只能是/簡(jiǎn)單巨系統0或/復雜性自組織自適應(跟蹤)系統0。

 

  筆者認為,沒(méi)有充足的理論依據和全面的技術(shù)支撐,就沒(méi)有必要回避深井鉆井系統工程的復雜性,3 何金南:深井鉆井技術(shù)問(wèn)題及其系統分析應允許進(jìn)行破缺性思考和潛科學(xué)研究,也可用簡(jiǎn)單巨系統熵值來(lái)判別其復雜性程度。換言之,在國內國情下把深探井特別是復雜構造帶深探井作為/復雜性巨系統工程0看待是合適的,不必拘泥于其系統工程管理與決策的可控性與可操作性,隨著(zhù)科技進(jìn)步,復雜的三維設計已經(jīng)用簡(jiǎn)單的二維設計所替代且效果更好。鑒于目前國內關(guān)于開(kāi)放的復雜性巨系統工程研究與應用均取得突破性進(jìn)展,很多復雜的結性現象都化解為簡(jiǎn)單的線(xiàn)性現象,因此,開(kāi)展深井復雜性巨系統工程研究與應用就更有現實(shí)意義。

 

  方法.

 

  系統分析與系統綜合相結合,采用從定性到定量綜合集成工程方法(由錢(qián)學(xué)森于20世紀80年代末期提出)。

 

  結果與討論.

 

  深井鉆井技術(shù)復雜性,按照系統科學(xué)和復雜適應系統理論的觀(guān)點(diǎn),其研究對象包括/六個(gè)非0,即:

 

  (1)非單一性,如鉆井目標、因素性質(zhì)、學(xué)科歸屬等不是單一的; (2)非有序性,如不規則性、非連續性、不穩定性、非均質(zhì)性、非線(xiàn)性等,在鉆進(jìn)地層、巖石、鉆頭、鉆井液、井眼、水泥環(huán)及鉆速和成本等方面均有體現,在客觀(guān)上決定了應用分形幾何學(xué)、混沌學(xué)、非線(xiàn)性回歸分析、耗散結構分析、專(zhuān)家系統分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )分析及平均設計法和辨證思維等高新技術(shù)的可行性; (3)非透明性,如通用黑箱或灰箱理論及模糊理論,或由于地層不確定性及測量因素很難實(shí)現井下閉環(huán)控制和地面直視; (4)非確切性,如風(fēng)險性、偶然性、隨機性; (5)非定量性,如地層性質(zhì)和鉆頭類(lèi)型等; (6)非理性,如斷鉆具側鉆、中途停待、任意加深及套管層次高度簡(jiǎn)化等。這些復雜性研究對象中,起決定作用的是鉆遇地層的復雜性,起首要能動(dòng)作用的是鉆頭或鉆具組合的復雜性。至于高溫、高壓、高密度、高礦化度、高H2S濃度和井噴、井塌、井漏、卡鉆、鉆具磨損等,都是圍繞著(zhù)鉆頭與地層這對復雜性矛盾產(chǎn)生的復雜情況或事故。而處理事故和復雜情況,就是使失穩的鉆井系統恢復運行的穩定性,這在深井中比在其他井中更難控制。用系統工程技術(shù)思想看深井鉆井控制,可以把井內壓力控制、井眼軌跡控制、井眼穩定控制合到一起,而且鉆井的每一工序都可看成井下控制問(wèn)題。嚴格地說(shuō),井內壓力控制與井眼穩定控制,都屬于壓力控制范疇,只不過(guò)前者是控制地層孔隙壓力(主要針對液體),而后者是控制地層坍塌壓力及破裂壓力(主要針對巖體或固體)。于是問(wèn)題的癥結找到了,是選擇2種低層次的線(xiàn)性控制,還是選擇一種高層次的非線(xiàn)性控制?按整體涌現性觀(guān)點(diǎn),如采用更高層次的非線(xiàn)性控制,則可實(shí)現復雜性處理的突破。

 

  非線(xiàn)性復雜性處理的突破意義,就是要求深井鉆井工程技術(shù)及管理人員認真學(xué)習先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗,同時(shí)不放過(guò)任何失敗教訓;從成千個(gè)點(diǎn)子中,通過(guò)復雜性思考與學(xué)習,選擇出一項成功技術(shù)。

 

  深井鉆井技術(shù)先進(jìn)性與深井鉆井系統工程復雜性相伴而生。鑒于深井鉆井系統的對象是不確定度較高的多套地層,技術(shù)先進(jìn)性主要體現在系統個(gè)體或子系統對人)機結合與融合的要求上,故研究與實(shí)踐中,常對技術(shù)系統進(jìn)行綜合性集成和總體性設計。

 

  實(shí)例.

 

  以深井復合鹽膏層鉆探為例,說(shuō)明深井鉆井技術(shù)問(wèn)題的復雜性[10~17]。

 

  鹽膏層鉆井完井復雜情況及井下事故形態(tài)可以用/溶、縮、塌、脹、漏、卡、噴、損08個(gè)字來(lái)描述。從起因看,可歸結為6個(gè)方面: (1)巖鹽層的塑性變形和蠕變流動(dòng)問(wèn)題; (2)鹽膏層中所含石膏層和鈣芒硝的膨脹問(wèn)題; (3)鉆穿鹽膏層特別是復合鹽膏層時(shí),鹽的溶解、易坍塌; (4)大段巖鹽下部泥頁(yè)巖引起的復雜問(wèn)題; (5)鹽膏層覆蓋下的異常壓力帶問(wèn)題; (6)過(guò)飽和鉆井液返回上部井段溫度降低、壓力下降引起重結晶卡鉆問(wèn)題。

 

  鹽膏層鉆探問(wèn)題的復雜性遠不止以上的單獨表現。許多深井未鉆到目的層都提前完鉆或鉆穿鹽膏層后事故完鉆和套管報廢,都是上述表現綜合作用的結果。勝利油田尋找東營(yíng)凹陷中央隆起帶鹽下深層油氣藏, 1976 -1983年共鉆探過(guò)12口井,大多未鉆達預期目的層而提前完鉆或事故終井;至1995年耗巨資鉆成井深5807. 81 m的郝科l井,雖鉆穿巨厚鹽膏層,在技術(shù)上取得重大突破,但要深入研究和探討的問(wèn)題很多。在美國墨西哥灣鉆探鹽下油氣藏,也是45年沒(méi)有大的進(jìn)展,直到20世紀80年代應用三維地震技術(shù)和先進(jìn)鉆探技術(shù)后才有所突破。

 

  用全面質(zhì)量管理(TQC)方法)因果圖來(lái)分析鹽膏層鉆探復雜性的綜合作用可知,其根本因素還是鹽膏層本身,其次是相關(guān)地層、工程措施、工具設備條件和管理因素等。

 

  另外,鹽膏層鉆探問(wèn)題復雜性及其對技術(shù)的要求還表現在以下2個(gè)方面。

 

  (1)上噴下漏(噴漏同層)。塔里木盆地克參14石油鉆采工藝 2005年10月(第27卷)第5期 井。因在同一裸眼段中出現3套壓力系統,鉆井中井漏、井涌時(shí)有發(fā)生。在上、下2個(gè)壓力較低的地層,鉆井中共漏失15次,漏失鉆井液近1200m3。多次堵漏效果都不好,最后采用凝膠堵漏鉆井液增強橋塞強度,同時(shí)采用間隙擠壓和候凝擠壓法注漿,在循環(huán)當量密度2. 06 g /cm3的情況下壓穩水層堵漏成功。接著(zhù)用密度1. 92 g /cm3的鉆井液恢復鉆進(jìn)。

 

  (2)上漏下噴(噴漏不同層,漏層很多均在噴層上部)。塔里木盆地民參1井進(jìn)行8次大型堵漏、壓井作業(yè)。最后采用邊出水邊堵漏邊鉆進(jìn)的方法強行鉆進(jìn)19 m鉆穿水層,下入套管,提前完鉆。

 

  由此可見(jiàn),要解決鉆探鹽膏層復雜問(wèn)題絕非易事,而要防止完鉆后套管變形或擠毀也是很大的難題。因此,在鹽膏層中鉆井完井是一個(gè)包括地質(zhì)、物探、鉆井、采油、測井、化探等工程因素在內的高度復雜的系統工程。