T∕CI 009-2023 深层钻井井下工程风险定量评价技术规范.pdf

ICS 75.020CCS E10/19T/CI 0092023深层钻井井下工程风险定量评价技术规范Technical specification for quantitative assessment of downholeengineering risk in deep drilling中国国际科技促进会发 布团体标准2023-3-6 发布2023-3-6 实施T/CI 009-2023I前前言言本文件依据 GB/T1.1-2020 标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则，结合目前我国对深层油气钻井井下工程风险定量评价的需求，制定本规范。深层油气资源的安全高效勘探开发是保障我国能源战略安全的重大需求。在我国持续加大勘探开发力度的推动下，当前深层、超深层油气的勘探开发已成为石油增储上产、效益增长的主体和未来上游业务发展的重要战略领域。然而，深部地质条件复杂多变、地层信息不确定性强，如果缺乏钻井井下工程风险的定量评价手段，钻井过程中容易发生“遭遇战”，极易引发井喷等重大安全事故以及井漏、溢流、卡钻、井塌等井下复杂情况。如何在钻前准确评价钻井工程方案的潜在风险，仍然是深层、超深层安全高效钻井亟需解决的难题之一。制定深层钻井井下工程风险定量评价技术规范，可有效对深层油气钻井工程方案的潜在风险进行定量化分析，明确不同钻井工程方案条件下的潜在井下工程风险，为深层油气的勘探开发安全提供可靠的技术支撑，为我国油气行业的发展以及国家能源战略的安全做出贡献。本文件由中国石油大学（华东）提出。本文件由中国国际科技促进会归口。某些内容可能涉及专利，本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由中国石油大学（华东）、长江大学、中石化石油工程技术研究院有限公司、中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院、中石化经纬有限公司中原测控公司、中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司、中海石油（中国）有限公司北京研究中心、中海石油（中国）有限公司海南分公司负责起草。本文件主要起草人：许玉强、管志川、廖华林、柯珂、魏凯、胜亚楠、王舒、张兴全、李文拓、武洪菊、王敬鹏、何保伦、韩超、刘宽。本文件是首次发布。T/CI 009-20231深层钻井井下工程风险定量评价技术规范1适用范围本标准规定了深层钻井井下工程风险定量评价的术语定义以及含可信度的地层压力、含可信度的安全钻井液密度窗口、井下工程风险概率剖面的建立方法。本标准适用于石油与天然气资源勘探开发领域，具体地，适用于深层钻井井下工程风险的钻前定量预测和钻后定量评价，可为钻井工程方案的决策优化提供科学依据；同时，井下工程风险概率剖面富含地质-工程信息，可作为大数据分析的风险样本数据。2规范性引用文件GB/T 20000.1 标准化工作指南 第 1 部分：标准化和相关活动的通用术语GB/T 20001.4 标准编写规则 第 4 部分：试验方法标准GB/T 28911-2012石油天然气钻井工程术语SY/T 5431-2017井身结构设计方法SY/T 5965-2017油气探井钻井地质设计规范GB/T 3360-1982 数据的统计处理和解释 均值的估计和置信区间3术语和定义3.1深层钻井deep drilling指深层油气钻井，完钻井深大于 4500m。3.2可信度credibility参数落在某一区间中的概率，在 0-100%之间取值，值越大代表可信度越高。例如，地层压力的可信度是指地层压力预测结果处于指定区间内的概率，安全钻井液密度窗口的可信度表征在该窗口内安全作业的概率。3.3含可信度的地层压力formation pressure with credibility地层孔隙压力、地层破裂压力和地层坍塌压力（通常叫做地层三压力）剖面是钻井工程方案设计的重要依据之一。但是由于深井复杂地层地质的复杂性、解释资料的不完备性以及T/CI 009-20232数学模型的精度等问题，地层压力预测的误差是客观存在的，因此地层压力的预测结果具有不同程度的不确定性，其真实值难以准确预测。含可信度地层压力的概念，就是以可信度定量表征地层压力预测结果的不确定性，其结果不是确定单一的数值，而是含有可信度的分布区间，有利于工程人员更好的把握地层情况，也是后续风险定量评价的基础。3.4含可信度的安全钻井液密度窗口Safe drilling fluid density window withcredibility是对常规安全钻井液密度窗口的升级，通过调整可信度（祥见 5.2）实现对安全钻井液密度窗口安全性的定量调控。在含可信度地层压力剖面的基础上，依据井身结构设计方法（参考 SY/T 5431-2017）中的设计系数，求取一定可信度条件下含可信度安全钻井液密度窗口的上下限。3.5井下工程风险概率剖面Probability profile of downhole engineering risk或称为井下复杂情况概率剖面。井下工程风险特指钻井过程中井筒压力失衡引发的井涌、井漏、坍塌、压差卡钻。井下工程风险概率剖面是指由井深作为纵坐标、某一深度处井下工程风险发生的概率大小作为横坐标绘制而成的图形。4含可信度的地层压力计算方法此处需提供单值地层压力剖面作为基础数据，具体求取方法不在本标准范围内。首先利用SY/T 5965-2017中的方法对地层进行分层（岩性或成压机制突变处强制分层），假设在某地层层组内，深度H处的地层压力为X，在深度邻域=,+内取(2n+1)个数据点,+1,+1,+。其中，为样本区间，,+1,+1,+为样本数据点，=测点步长 2n，测点步长=单值地层压力剖面中相邻数据点之间的垂深差值。对于压力变化较平缓的地层层组：n=150200；对于压力变化较大的地层层组：n=80120。T/CI 009-20233图图 1 样本区间确定示意图样本区间确定示意图如图 1 所示，为地层层组32中井深对应的样本区间，采用 Monte Carlo 模拟方法（详见附录-1）对该深度邻域（=700 707）内的地层压力样本进行随机统计分析，并求取概率密度函数，作为井深处地层压力的概率分布状态。同样地，将深度邻域下移一个测点步长，可求取井深i-1 处地层压力的概率密度函数，最终得到全井段不同深度处地层压力的概率密度函数。在此基础上，利用附录-2 的方法，求取不同井深处地层压力的累积概率函数，在井深-压力坐标系下，将累积概率相同的数据的连接成线，即得到特定累积概率下的地层压力曲线，将不同累积概率下的地层压力同时呈现在一个图中，就构成了含可信度的地层压力剖面（图 2 所示由累积概率分别为 5%和 95%的地层压力曲线构成），其可信度为两条曲线的累积概率之差（图 2 中可信度为 90%）。一般情况下，可信度取 90%可满足工程需求，即累积概率分别为 5%和 95%的地层压力曲线作为上下限。T/CI 009-20234图图 2 含可信度地层孔隙压力剖面示意图含可信度地层孔隙压力剖面示意图5含可信度的安全钻井液密度窗口计算方法5.1 含可信度的安全钻井液密度窗口边界条件确定依据 SY/T 5431-2017 井身结构设计方法中的设计系数，含可信度的安全钻井液密度窗口上下限的数学表达式如表 1 所示。表表 1 含可信度安全钻井液密度窗口的边界条件含可信度安全钻井液密度窗口的边界条件安全钻井液类型窗口边界条件井涌钻井液密度下限值k()k()=()+b+井壁坍塌钻井液密度下限值()()=()+压差卡钻钻井液密度上限值sk()sk()=()+0.0098T/CI 009-20235防井漏钻井液密度上限值L()L()=()g c压井井漏钻井液密度上限值()()=()g kmax式中，为抽汲压力系数，g/cm3；为激动压力系数，g/cm3；为附加钻井液密度值，g/cm3；为地层破裂压力安全增值，g/cm3；为循环压耗系数，g/cm3；井涌允量，g/cm3；为压差卡钻允值，MPa；为裸眼井段最大地层孔隙压力深度，m；为井深，m。各设计系数的取值参考钻井手册和地区经验，其中，、可在推荐区间内取较小值。5.2 安全钻井液密度窗口可信度的调控如图 3 所示，为 5%和 95%可信度条件下的安全钻井液密度窗口对比示意图。可见，通过调整可信度，可以定量控制安全钻井液密度窗口的“宽窄”。所选可信度越大、窗口越窄、在该窗口内设计和施工的安全性越高。一般情况下，全井段的安全钻井液密度窗口可信度选取 90%可满足工程需求；对于超深复杂地层，为了在有限的套管层次条件下安全钻达目的层，可分段选取可信度：（1）中浅部地层以及区域认识较充分的地层：可信度选取 7585%；（2）深部地层以及区域认识不充分的地层：可信度选取 9095%。5%可信度95%可信度图图 3 不同可信度条件下的安全钻井液密度窗口对比示意图不同可信度条件下的安全钻井液密度窗口对比示意图T/CI 009-202366井下工程风险概率剖面计算方法根据安全钻井液密度窗口的上下限及其分布状态，4 种与井筒压力失衡相关的风险分别表示为：井涌风险、井壁坍塌风险、钻进井漏风险、压差卡钻风险sk。()=()=1 ()()(1)()=()=1 ()()(2)sk()=()=()()(4)式中，()、()、sk()、()分别表示深度 h 处的井涌风险、井壁坍塌风险、钻进井漏风险、压差卡钻风险；为钻井液密度，g/cm3。具体计算原理见附录-3、计算示例见附录-4。利用上述模型，结合具体的井身结构方案，即可对某一套管层次及下深的设计结果进行定量风险评价，最终得到全井段不同类型的井下工程风险概率剖面示意图，如图 4所示。图图 4 井下工程风险概率剖面示意图井下工程风险概率剖面示意图根据图 4 的评价结果，可做出如表 2 所示的风险评价结果表，为现场人员提示相关风险信息。表表 2 风险评价结果表风险评价结果表地质分层地质分层开次开次井深范围井深范围井漏风险井漏风险井涌风险井涌风险井塌风险井塌风险卡钻风险卡钻风险三二开2050-2540中风险-四二开2541-2712高风险-七三开4650-4718低风险-高风险T/CI 009-20237七三开4719-4826中风险-七三开4827-5258高风险低风险中风险高风险八/九四开5720-5835-高风险-表中，风险等级的确定：风险概率80%为高风险；风险概率20%为低风险；20%风险概率80%为中风险。附附录录A.1 Monte Carlo 模拟方法计算流程模拟方法计算流程(1)根据实际情况假定某一深度邻域内地层压力的概率模型，假设累积概率分布函数为()，存在反函数1()；(2)在0,1内生成均匀分布的随机数，使得；=()(1)(3)由于存在反函数1()，所以就有；=1()(2)这样就得到了符合选定概率模型的随机数组 X；(4)概率分布的拟合优度检验 I；概率分布拟合的优劣程度可以用 K-S 法来检验。用 表示样本的累积分布，且=/;=1,2,。其中，为样本数量，是不大于的样本数目，F(X)表示理论分布的累积概率分布函数。K-S 检验通过比较)和()来检验拟合的优劣。具体可以表示为：=max (3)当实际观测值(,)（(,)是显著性水平为、样本容量为n时的临界值）时，则认为假设分布形式符合实际要求，试验停止；当(,)时，需要重复步骤(1)、(2)、(3)，直到满足试验停止条件。上述算法已十分成熟，可通过计算机程序实现。A.2 地层压力累积概率函数及含可信度地层压力的求取流程地层压力累积概率函数及含可信度地层压力的求取流程确定地层压力的概率分布状态后，就可得出任意井深处的地层压力P的累积分布概率()，在整个井段深度都做这样的处理求出对应的累积分布概率以后，就可以组成集合：=1,2,(4)式中，n为整个井段深度地层压力数据点的数目，1 2 。取累积概率，式(4)所示的集合中的元素就变成了具体的值，从而组成新的数据集合：0=1,0,2,0,0,0(5)其中，,0,表示深度 hi处、累计概率为 j0的地层压力。在井深-压力坐标系下，将数据集合中的元素连接成线，即可得出特定累积概率下的地层压力曲线，将不同累积概率下的地层压力同时呈现在一张图上就构成了含可信度的地层压T/CI 009-20238力剖面，可信度为两条曲线的累积概率之差。具体地，累积概率为的地层压力曲线表达式为：=0t,=t h,0,(=h,=1,2,3,)t hi+1,j0 t hi,j0h+1h+t hi,j0h+1 t hi+1,j0hh+1h,(h h+1,=1,2,3,1(6)式中，=0,表示深度为h、累积概率为j0时地层压力pt的值，pt表示不同种类的地层压力，当 t=p表示地层孔隙压力，t=cmin表示最小地层坍塌压力，t=cmax表示最大地层坍塌压力，t=f表示地层破裂压力。根据概率统计理论，每一深度处地层压力的概率密度函数t(h)t(h)和累积概率分布函数t(h)t(h)的解析解表达式如下：t(h)t(h)=hit hi,(=hi,=1,2,3,)+hi+1hhi+1hi hihi+1hihi+1h 2hhihi+1hihi+1hi+1hihhi22,(hi hi+1,=1,2,3,)(7)(h)(h)=hit(hi),(=hi,=1,2,3,)t(h)+hi+1hhi+1hi hihi+1hihi+1h 2hhihi+1hihi+1hi+1hihhi22,(hi hi+1,=1,2,3,)(8)式中，1=hi+1hhi+1hit hi，2=hhihi+1hit hi+1。通过上述步骤，即可建立地层压力（包括地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌压力）随深度的概率分布模型。A.3 井下工程风险概率剖面的计算原理井下工程风险概率剖面的计算原理4 种与井筒压力失衡相关的风险表达式如下：()=()=1 ()()(9)()=()=1 ()()(10)()=()=()()(12)从上式可知，某一深度 h 处的井涌风险值即为钻进时的钻井液密度d小于此深度处防井涌钻井液密度下限值()的概率值()()。根据概率基础理论，如图 1，()()为防井涌钻井液密度下限值的概率密度分布函数，因此钻井液密度小于防井涌钻井液密度下限值的概率()即为图 1 中阴影部分的面积，其值即为1 ()()，其中()()为防井涌钻井液密度下限值的累积概率分布函数，()()即为防井涌钻井液密度下限值()等于钻进时钻井液密度的累积概率。与井涌风险的确定方式类似，井壁坍塌的风险为钻井液密度小于防坍塌钻井液密度下限值1()的概率(2()中的较大值；压差卡钻风险为钻井液密度大于防压差卡钻钻井液密度上限值sk()的概率()。zddpFk(h)()pk(h)()F图图 1 井涌风险定义示意图井涌风险定义示意图A.4 井下工程风险概率剖面计算流程示例井下工程风险概率剖面计算流程示例下面以井涌风险、钻进井漏风险为例介绍其评价流程。根据不同深度处的防井涌钻井液密度下限值和防井漏钻井液密度上限值的累积概率分布函数，取累积概率分别为0(接近 0，取 1%)和1(接近 1，取 99%)时的防井涌泥浆密度下限值,0、,1和防井漏泥浆密度上限值,0、,1作为各自范围的上下界限，从而得出防井涌钻井液密度下限值曲线,0、,1构成的防井涌钻井液密度下限剖面，以及由防井漏钻井液密度上限曲线,0、,1构成的防井漏钻井液密度上限剖面，如图 2。21AGFEBC0h3h4hL(h)00L(h)()Fk(h)22k(h)()F0k,jL1k,jL1L,jL0L,jL1h2hD图图 2 井涌风险、钻进井漏风险的评价过程井涌风险、钻进井漏风险的评价过程T/CI 009-202310如图 2 所示，设定上一层套管下深为0，下一层套管设计下深为4，设计钻井液密度为1，从上一层套管下深0处开始，按照钻进深度逐渐增加的顺序，评价井深0至4间井段的钻井井涌、钻进井漏风险。在井深0处(图中的点 A)以密度为1的钻井液开始向下钻进，由于1 0,0，在井深0存有钻进井漏风险，由于井深0处的防井漏钻井液密度上限分布函数为0()，则此处的钻进井漏风险值为0(1)，继续钻进至井深1处(图中点 B 处)，从此深度开始，1 0,0，因此其钻进井漏风险值为 0，从而可以得知存有钻进井漏风险的井段为0至1井段(图中 AB 段)，其风险值为：()=(1)，0,1(13)继续钻进至井深3处时，由于1 3,1，因此具有井涌风险，由于井深3处的防井涌钻井液密度下限分布函数为3()，其风险值为1 3()；钻进至设计井深4处，由于3至4井段，始终存有：1 ,1，3,4(14)因此，此井段均存有井涌风险，其风险值为：()=1 (1)，3,4(15)1()02()L hF()01()L hF2图图 3 深度深度处的防井漏钻井液密度上限的概率密度及累积概率分布示意图处的防井漏钻井液密度上限的概率密度及累积概率分布示意图T/CI 009-2023111()21()k hF图图 4 深度深度3h处的防井涌钻井液密度下限的概率密度及累积概率分布示意图处的防井涌钻井液密度下限的概率密度及累积概率分布示意图通过上述分析可知，此套管层次及下深设计方案在0至4井段有井涌、钻进井漏的风险，风险类别和井段及风险值如表 1 所示。表表 1 至至井段风险评价结果井段风险评价结果风险井段风险类别风险值01钻进井漏风险=1,0,134井涌风险=1 1,3,4同样地，通过计算防压差卡钻钻井液密度上限、防坍塌钻井液密度下限和上限，可得出每一套管层次下深范围内的压差卡钻及坍塌风险井段、相应的风险类别和风险值。