石油钻井过程问题及解决措施和控制技术研究

摘 要：钻井工程是一项以地下为对象、隐蔽性很强的工程，很容易发生钻井事故，严重威胁钻井过程的安全，并且很大程度上影响整个钻井过程的进度、质量和经济效益。本文针对石油钻井经常出现的故障和问题作出了相关探讨并提出了相应的解决措施。

关键词：钻井过程 故障诊断 风险

随着我国对石油资源的日渐重视和不断开采，钻井已经成为石油、天然气勘探开发的重要手段。但是鉴于我国深井钻井技术的成就，我国在深井及超深井钻井技术方面与国外先进水平相比还有相当大的差距。所以石油钻井过程中不可避免会出现一些故障和风险，只有找到解决问题的方法才能进一步提高我国石油钻井水平，缩小与国外先进水平的差距。

一、石油钻井过程中出现的故障和问题

1.钻柱的弯曲变形与套管壁产生磨损及振动

在石油钻井过程中，钻柱承载着大量的工作，因而井下钻柱部分常常出现许多故障和问题，且这些问题大多都是由于钻柱的弯曲变形与套管壁产生磨损及振动造成的。为了防止这些问题并且延长钻柱的寿命，人们从事了各种各样的研究，许多诊断控制方法也随其提出。而对钻柱故障和问题的根本研究还是要落在钻柱的受力和变形上，所以对钻柱的故障仿真必须以力学为主体得到受力的薄弱点从而进一步分析。

2.石油勘探钻井过程中井壁坍塌

井壁坍塌问题是石油钻井工程中经常遇到的复杂情况。保持井壁稳定具有十分重要的意义。井眼破裂后稍不注意，井眼压力降低发生溢流，或又导致井塌，甚至有井喷的危险，严重影响了钻井工作速度和效益，阻碍了该油田勘探开发工作的进展。我国各油田也都存在一些易勘探的层位或区段，每年造成巨大耗费。

3.石油钻井工程中，井斜、钻井液漏失是经常遇到且难以处理的难题

随着丛式井、定向井及水平井钻井技术的发展和钻井施工的日益增多，井斜控制、井眼稳定及堵漏解堵技术就显得更为重要。

二、针对石油钻井出现问题的解决措施和控制技术

1.ANSYS模态分析

利用实体建模建立起钻柱的数字化模型，运用有限元分析软件ANSYS对井下钻柱在自重、钻压、扭矩三种力的作用状态下的典型工况进行了有限元静力分析，得出钻柱的应力、应变特性，检验出钻柱的受力薄弱点和易生故障部位，利用ANSYS软件对钻柱进行模态分析，得到钻柱的前10阶固有频率和振型，并且分析这种结构在正常环境工作时与外界发生共振的频率和转速；通过瞬态动力学分析得到钻柱在瞬态冲击下的应力、位移变化规律，为故障的发生点提供理论仿真依据。基于小波包神经网络的故障，利用小波去噪和神经网络进行诊断，这样就可以有效和准确的对井下的故障作出判断。

2.RS-SVM（粗糙集-支持向量机）的人工智能诊断方法

RS-SVM（粗糙集-支持向量机）的人工智能诊断方法模拟现场专家的判断，大大提高故障诊断的准确性、实时性。首先研究钻井过程故障类型及其发生机理，对故障进行特征分析，并研究特征数据的数学描述方法及钻井过程状态识别方法。其次，分析故障检测与诊断的各类人工智能诊断方法，引出适合钻井实际情况的粗糙集和支持向量机的方法。分别研究粗糙集及支持向量机的基本理论及在故障诊断中的应用，推出RS-SVM融合的算法。最后，将RS-SVM融合方法应用到钻井过程故障的实际诊断中，先利用粗糙集方法对故障样本进行属性约简，在不改变故障分类的基础上最大程度的去除冗余特征，降低了样本的维数，再将经粗糙集方法预处理后的数据输入支持向量机进行训练，进而设计出钻井过程故障检测与诊断系统。系统经测试表明，基于RS-SVM的故障诊断方法能充分利用综合录井的参数，快速识别钻井过程状态类别，并在异常情况出现时快速准确的诊断故障类型，具有较高的预报精度，有效辅助钻井工程技术人员进行故障检测与识别，避免钻井故障的发生。

3.石油钻井平台倒挂式脚手架施工技术

倒挂式脚手架的工艺原理主要是使用钢丝绳、钢管及相关构件，利用钻井平台自身的紧固件，按照事先设计好的平台高度、宽度和荷载要求，采用垂直或斜拉吊卸荷的方式组装成施工作业平台。 本成果成功解决了在缺少地面支撑点的情况下大面积、大跨度、高空作业平台搭设的难题，与传统的立杆式或悬挑式脚手架相比，倒挂式脚手架还明显的节约了大量的材料和空间，无论是在提高技术水平还是在缩短工期等方面都取得了明显的效果，也为安全生产、文明施工创造了条件。比同类脚手架施工降低成本27.5%。

4.石油钻井井斜控制井眼稳定及堵漏解堵技术

石油钻井工程中，井斜、井壁坍塌及钻井液漏失是经常遇到且难以处理的难题。随着丛式井、定向井及水平井钻井技术的发展和钻井施工的日益增多，井斜控制、井眼稳定及堵漏解堵技术就显得更为重要。井斜控制技术：井斜控制的影响因素的分析和确定；底部钻具组合的受力与变形分析；应用计算机软件进行稳定器类型在各种地质条件下使用性能分析及优化钻具组合；常见地质条件下钻具组合推荐标准。井眼稳定技术：泥页岩物化性及水化条件和测试与分析；影响泥页岩井眼稳定的地质条件分析；利用常规测井资料求取地应力及坍塌压力的技术方法；制定抑制性泥浆体系并进行优选和评介；井眼稳定状况的现场实施检测方法与处理技术；泥页岩地层钻井的泥浆设计与现场施工技术。堵漏解堵技术：漏失层的地质条件分析及漏失特征分析；合理堵漏材料的选择合理堵漏浆液配方的制定；可酸溶性高失水暂堵剂DL-93的推广应用，其特点：堵漏浆液失水量大，酸溶率高（>85%），适用于微裂缝及较大裂缝（5mm左右）的堵漏。堵漏作业方案的制定及现场实施指导。采用上述井斜控制、井眼稳定及堵漏解堵技术，可预防和减少井下阻卡、酸溶等复杂事故的发生，保证钻井施工安全、快速地进行，提高井眼质量和钻井效率，从而创造更显著的社会经济效益。

5.计算机控制石油钻井自动化系统

该项目属于工业生产过程控制系统应用技术领域，是面向石油钻机行业，符合钻井工艺要求的优化控制及应用软件的自动化控制系统。该系统综合了计算机技术、电传技术、自动控制技术和通信技术，集成应用交流变频、矢量控制、现场总线、远程110，数据通信、人机界面、PC和PLC等国内外先进成熟技术，采用机电数字一体化设计，实现了石油钻井主要功能的全数字控制以及自动送钻、能耗制动，建立了完善的数字化、信息化和智能化平台，为优化钻井工艺创造了条件。该系统采用了一系列可靠性设计方法进行设计和采用高可靠性的硬件选型和设计，用软件程序来确保整个系统高效、可靠、安全运行。该系统具有功能完善、可靠性高、易操作性好、灵活性强等特点，其总体性能与国际先进水平同步发展。

参考文献

[1]李聪. 计算机控制石油钻井自动化系统[J].国家科技成果，2005（6）.

[2]雷熊武. 外墙氟碳仿金属树脂幕墙涂装施工技术[Z].国家科技成果，2009.