摘要：針對井噴事故從量變到質變整個過程的特征，首次運用安全流變一突變理論，分析了油氣井從溢流到發生井噴整個過程的規律，描述了井噴事故中安全流變的特點及其影響因素。運用安全流變一突變的物理模型和數學模型，對井噴事故流變一突變過程進行了分析。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、后效階段和過渡階段，從而揭示了井噴事故發生的實質。研究結果表明：控制井噴事故發生的關鍵就是要將其控制在流變階段(井噴階段之前)，最多不能超過突變的警戒點(井涌與井噴的交界點)。因此，通過加強安全管理并采取安全技術措施，應使安全流變階段盡量延長，以防止其向突變的方向發展。

關鍵詞：井噴；流變；突變理論；模型；地層流體；安全；損傷；事故

    油氣田鉆采現場的實際資料表明，在鉆進過程、起下鉆過程、測井過程、完井過程、試油過程、射孔作業、酸化作業、測試過程、修井過程及正常的采油過程中都可能發生井噴。據不完全統計，約有87%為鉆進過程中發生的井噴，13%為其他狀態下發生的井噴^[1]。

    井噴事故是由多種綜合性因素共同作用而引發的，其中主要原因有：地層壓力監測不準確、鉆井液密度過低、鉆井液密度因地層流體的進入而下降、井漏導致井筒中鉆井液液柱下降、起鉆具時所產生的抽吸壓力誘發井噴等。但其根本原因就是井內液柱壓力小于地層液體壓力，最終導致井內壓力失衡而產生井噴^[2]。筆者運用中國礦業大學何學秋教授的安全流變-突變理論來分析井噴發生的規律。經研究發現，及時采取必要的預防措施可以有效地控制井噴事故的發生與蔓延，這對于保護油氣資源和人民生命財產安全有著重要的意義。

    任何事物的存在與發展都是安全與危險相互交替的復雜多變的過程，危險會伴隨著事物的產生、發展和消亡的整個過程。事物的安全與危險兩者之間的矛盾交替變化受事物內因和外因的共同影響，在一定的條件下內外因可以相互轉化，共同對事物的安全起到決定性的作用。外部危險因子決定事物“安全流變-突變”的速度和方式，內在危險因子決定事物“安全流變-突變”的性質和程序^[3]。對某一事物的“安全流變-突變”過程來講，外部危險因子總是千變萬化、沒有任何規律可循的，而內因卻是相對固定的。因此，在研究事物的“安全流變-突變”特征規律時，一般要從眾多的影響因素中抽象出內因，在此基礎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的因子總和。

    假設將事物的危險狀態用損傷程度來表示，那么事物的“安全流變-突變”的全過程可以表述為(如圖1)：當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，新的狀態在此期間逐漸形成和完善。當新的狀態發展到成熟階段時(AB階段)，完善的新狀態使損傷量勻速緩慢增加。當經過一段穩定增加后，原狀態將再次向無序方向發展，進而使損傷量值開始加速增大(BC段)。任何事物都有其固有的損傷量承受能力或臨界點(D點)，超出此臨界點(D點)后，事物將發生安全突變。當事物的原狀態遭到破壞后，事物又重新回到一個新的安全狀態，原事物的狀態消失，從而又形成了另一個同類新事物誕生的新起點(E點)。物質世界就是在這種安全與危險的無限循環中得以存在和發展的^[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]，對事物的安全流變一突變狀態進行深入探討。

    安全流變 突變的物理模型由4組元件組成(如圖2)。整個系統框架模型分為5個層次：外界廣義作用力區、可立即恢復損傷區、可緩慢恢復損傷區、安全本質損傷區、安全本質損傷加速區，每個層次的反應機理和作用各不相同。事物就是在這種模型下對外界廣義作用力作出相應的反應，最終決定事物是處于安全狀態還是危險狀態的。

 

    1) 外界廣義作用力區(s)，是一切對事物安全狀態有影響作用的外界因素總稱。可以是具體的實質，也以是無形、無跡的介質。當外界作用變化范圍很小時，可以認為事物受大小相同的外界作用力作用。

    2) 可立即恢復損傷區(k₁)，為第一保護區，其中k₁是事物可立即修復損傷因子。能對外界作用立即形成反應，把外界作用力以可恢復損傷的形式存儲起來，一旦外界作用消失，對事物所構成的危險也立即消失。是。越大儲存外界作用的能力也就越強，恢復損傷的能力也就越大。

    3) 可緩慢恢復損傷區(η₂、k₂)，為第二保護區，其中η₂是事物緩慢損傷因子，k₂是事物可緩慢修復損傷因子。在外界作用下不能立即引起事物應有的損傷，而是有個時間的滯后；當外力消失后損傷也不能立即恢復，而是緩慢回復到原始位置，其作用相當于一個形變的“彈簧”，用以儲存外界作用力。

    4) 安全本質損傷區(f₃、η₃)，是事物內部不可再修復損傷區，其中f₃是事物的本質損傷瓶頸值，協是安全本質損傷因子。當傳到安全本質區的外界作用力較小時，摩擦件f₃相當于一個“保護墊”，用于抵抗外界的作用力對事物的影響，從而使事物不產生本質的損傷；當傳到安全本質區的作用力較大時，摩擦件f₃會消耗一部分外力，把剩余的力傳給阻尼件瓏，形成本質損傷，事物也由原先的安全狀態突變為危險狀態。

    5) 安全本質損傷加速區(f₄、n)，由事物安全質量體M、事物損傷加速門限值f₄和事物變加速損傷系數n組成。在外界廣義作用力的作用下，M不斷減小，使得保護事物免受加速損傷的能力逐漸降低。當大量外界力作用于事物的本質損傷加速區時，事物的損傷速度會越來越快，其損傷程度也越來越大，直到整個事物完全被破壞，進入新的循環為止。

    在上述物理模型的基礎上，根據事物物理模型中各元件特征規律，經分析進一步得到了事物安全流變 突變的數學模型^[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安全質量M，其大小便決定了此事物對外界廣義作用力的耐受程度，M值越大表示事物對外界廣義作用力的抵抗性越強。但隨著時間的推移，事物的損傷值會越來越大，M逐漸變小，直到采取必要的措施來阻止損傷量的繼續減小，此后M的值又會不斷升高，這時事物對外界作用力的抵抗能力又會得到增加。

    井噴事故的發生不是一觸即發的，而是一個不斷演變的過程。對于井噴而言，一般先發生鉆井溢流，緊接著便會發生井涌，如果沒有得到有效的控制，就會向著井噴的方向發展，井噴是井涌不能控制的后果。

    按照安全流變一突變理論，井噴發生的整個過程可以分為3個階段：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生的初始階段，屬于安全流變階段，第三階段是井噴事故發生的發展階段，對應著安全突變階段，流變階段和突變階段的交點即為突變警戒點。井噴是地層流體(石油、天然氣、水等)快速流變不能控制的結果，如果外界的壓力沒有超過事物可以承受的臨界值，加之流變具有衰減的特征，此時突變便不會發生，就不會引起井噴事故。結合安全流變 突變理論與井噴發展的實際過程，筆者將井噴細分為以下6個階段：溢流潛伏階段、溢流階段、井涌階段、井噴階段、后效階段和過渡階段。

    以常規鉆井為例，為了方便表示井噴各個階段的劃分，在此引入了危險度的定義：

 

式中D為危險度；p為井內的實時壓力；p₀為地層流體壓力。

    當危險度小于1時是安全的；當危險度大于1時是不安全的；當危險度等于1時，油氣井開始進入不安全的狀態。筆者以羅家16H井井噴事故為例^[8]，對井噴安全流變-突變理論進行了分析。

    1) 當油氣井內鉆井液液柱壓力遠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。該期間的危險度為0.3，屬于安全狀態。

    2) 當鉆井液密度進一步降低到鉆井液的液柱壓力略小于地層壓力時，為溢流階段，此時會導致地層的部分流體進入井筒內，使得油氣井的安全性越來越低。該期間的危險度為0.5，屬于相對安全狀態。

    3) 當鉆井溢流沒有得到有效控制而進一步惡化，最終導致地層流體噴出井口，就會很快轉入不安全狀態，即發生突變。該期間的危險度為由0.5逐漸增加到1，屬于危險狀態。

    4) 當井涌進一步向前發展，導致地層流體噴出鉆臺轉盤面1m以上，此時油氣井就會進入井噴階段。此階段的危險度大于1，屬于極不安全狀態。

    5) 地層流體從井噴頂峰到開始壓井是后效階段，該階段要采取必要的措施，控制井噴事故的蔓延，轉移相應的人員和設備。此階段的危險度有所下降，屬于危險狀態。

    6) 從壓井成功到重新投入生產是過渡階段，此階段應該采取相應的措施以消除系統已存在的危險因子，待所有的危險因子消除之后，油氣井又會重新投入生產，進入下一個安全流變突變循環(如圖3)。圖中井噴階段以波浪線上升的原因主要是在此過程中不斷地往鉆井液中加入高密度的物質或重漿，導致井內的實時壓力不斷變化，危險度也會發生相應的波動

 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，直到發生突變，才進入井噴的極不安全狀態。在此過程中，井內壓力不斷減小、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，最終導致地層流體不斷流入井內，從而進一步向著井噴方向發展。如果該階段沒有采取有效的措施進行控制，便會向著井噴的方向發展，整個系統便由安全流變狀態向安全突變的方向轉變。當油氣井處于安全流變階段時，整個系統還處于相對安全的狀態；但一旦轉入突變，系統就會由安全狀態轉變為危險狀態。因此，要控制井噴事故，關鍵就是要將其控制在流變階段，進而消除危險源，防止其向突變的方向轉化。但如果突變之前沒有采取有效的抑制措施，最終導致了井噴事故的發生，也就是系統進入了安全突變階段，此階段最重要的就是要在保證人員和設備安全的情況下盡可能控制井噴范圍的擴大，最大限度地降低井噴所造成的損傷。

    發生井噴的過程，實際上是油氣井損傷形變的過程，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生的全過程。利用計算機軟件對兩井噴事故進行了模擬研究^[8]，計算機模擬得到的結果見圖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。其中橫坐標表示井樣承載外界作用的時間，縱坐標表示井樣損傷產生的形變大小。對兩組模擬曲線進行對比可知：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n越大，越容易發生井噴；安全本質損傷因子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合起來，這對于進一步分析和預測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，與承載的時間關系不大，為瞬間損傷。在第一保護區的作用下，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，此階段流變曲線形似一條直線，損傷速度接近常數，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點是突變警戒點，從此點開始油氣井的運動開始發生了質變，進入了危險狀態。DE屬于安全突變階段。

    通過利用安全流變-突變理論對井噴事故從溢流到井噴的特征規律進行了系統分析，得出了以下結論：

    1) 從安全流變-突變理論可知，安全是相對的，危險卻是絕對的。因此，不可能做到絕對的安全，但是可以通過提前預防來減少危險狀態發生的可能性。

    2) 通過對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生，就必須采取必要的措施，將其控制在安全流變階段，這對于指導井噴事故的防控工作有十分重要的意義。

    3) 對實際的井噴案例建立了數學模型，并用計算機軟件分析了井噴發展的各個階段，這對以后井噴事故的量化預測提供了參考依據。

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[2] 王忠生，林安村.重溫事故吸取教訓提高井控技術水平[J].鉆采工藝，2009，32(3)：1-4.

[3] 何學秋.事物安全演化過程的基本理論研究[J].巾圉安全生產科學技術，2005，1(1)：5-10.

[4] 何學秋.安全科學基本理論規律研究[J].中國安全科學學報，1998，8(2)：5-7.

[5] 馬尚權，雎萬俊.“流變 突變”規律在煤與瓦斯突出中的應用研究[J].江蘇煤炭，2000(3)：13-15.

[6] 何學秋，馬尚權.安全科學的“R-M”基本理論模型研究[J]中國礦業大學學報，2001，30(5)：425-428.

[7] 梅大成，鄭巧，何志敏，等.油氣井鉆井過程中井噴預測機理研究[J].天然氣工業，2010，30(1)：68-70.

[8] 楊慶理.中國石油天然氣集團公司井噴事故案例匯編[M].北京：石油工業出版社，2006.

 

(本文作者：何沙¹ 吉安民² 楊姑² 孟米³ 1.西南石油大學發展規劃處；2.西南石油大學研究生院；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司)