突变模型在井喷事故中的应用分析正式版

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突变模型在井喷事故中的应用分析正

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摘要：针对井喷事故从量变到质变整个过程的特征，首次运用安全流变一突变理论，分析了油气井从溢流到发生井喷整个过程的规律，描述了井喷事故中安全流变的特点及其影响因素。运用安全流变一突变的物理模型和数学模型，对井喷事故流变一突变过程进行了分析。最终将井喷事故划分为3大阶段：损伤减速增加阶段、损伤等速增加阶段和损伤加速增加阶段，具体归纳为6个小的阶段：溢流潜伏阶段、溢流阶段、井涌阶段、井喷阶段、后效阶段和过渡阶段，从而揭示了井喷事

故发生的实质。研究结果表明：控制井喷事故发生的关键就是要将其控制在流变阶段(井喷阶段之前)，最多不能超过突变的警戒点(井涌与井喷的交界点)。因此，通过加强安全管理并采取安全技术措施，应使安全流变阶段尽量延长，以防止其向突变的方向发展。

关键词：井喷；流变；突变理论；模型；地层流体；安全；损伤；事故

油气田钻采现场的实际资料表明，在钻进过程、起下钻过程、测井过程、完井过程、试油过程、射孔作业、酸化作业、测试过程、修井过程及正常的采油过程中都可能发生井喷。据不完全统计，约有87%为钻进过程中发生的井喷，13%为其他状态

下发生的井喷[1]

。

井喷事故是由多种综合性因素共同作用而引发的，其中主要原因有：地层压力监测不准确、钻井液密度过低、钻井液密度因地层流体的进入而下降、井漏导致井筒中钻井液液柱下降、起钻具时所产生的抽吸压力诱发井喷等。但其根本原因就是井内液柱压力小于地层液体压力，最终导致井内压力失衡而产生井喷[2]

。笔者运用中国矿业大学何学秋教授的安全流变-突变理论来分析井喷发生的规律。经研究发现，及时采取必要的预防措施可以有效地控制井喷事故的发生与蔓延，这对于保护油气资源和人民生命财产

安全有着重要的意义。

1 安全流变-突变的基本理论

任何事物的存在与发展都是安全与危险相互交替的复杂多变的过程，危险会伴随着事物的产生、发展和消亡的整个过程。事物的安全与危险两者之间的矛盾交替变化受事物内因和外因的共同影响，在一定的条件下内外因可以相互转化，共同对事物的安全起到决定性的作用。外部危险因子决定事物“安全流变-突变”的速度和方式，内在危险因子决定事物“安全流变-突变”的性质和程序[3]

。对某一事物的“安全流变-突变”过程来讲，外部危险因子总是千变万化、没有任何规律可循的，而内因却是相对固定

的。因此，在研究事物的“安全流变-突变”特征规律时，一般要从众多的影响因素中抽象出内因，在此基础上再考虑外部因素的影响和作用，最终找到影响事物安全状态的因子总和。

假设将事物的危险状态用损伤程度来表示，那么事物的“安全流变-突变”的全过程可以表述为(如图1)：当某一事物诞生后的初期(OA阶段)，其损伤量在外界力的作用下呈减速递增，新的状态在此期间逐渐形成和完善。当新的状态发展到成熟阶段时(AB阶段)，完善的新状态使损伤量匀速缓慢增加。当经过一段稳定增加后，原状态将再次向无序方向发展，进而使损伤量值开始加速增大(BC段)。任何事物都有

其固有的损伤量承受能力或临界点(D点)，超出此临界点(D点)后，事物将发生安全突变。当事物的原状态遭到破坏后，事物又重新回到一个新的安全状态，原事物的状态消失，从而又形成了另一个同类新事物诞生的新起点(E点)。物质世界就是在这种安全与危险的无限循环中得以存在和发展的[4]

。

2 安全流变-突变的理论模型

2.1 安全流变-突变的物理模型

笔者在定性分析事物的安全流变一突变的基本影响因素及特征后，参考安全流变～突变的物理模型[5]

，对事物的安全流变一突变状态进行深入探讨。

安全流变突变的物理模型由4组元件组成(如图2)。整个系统框架模型分为5个层次：外界广义作用力区、可立即恢复损伤区、可缓慢恢复损伤区、安全本质损伤区、安全本质损伤加速区，每个层次的反应机理和作用各不相同。事物就是在这种模型下对外界广义作用力作出相应的反应，最终决定事物是处于安全状态还是危险状态的。

1) 外界广义作用力区(s)，是一切对事物安全状态有影响作用的外界因素总称。可以是具体的实质，也以是无形、无

迹的介质。当外界作用变化范围很小时，可以认为事物受大小相同的外界作用力作用。

2) 可立即恢复损伤区(k1)，为第一保护区，其中k1是事物可立即修复损伤因子。能对外界作用立即形成反应，把外界作用力以可恢复损伤的形式存储起来，一旦外界作用消失，对事物所构成的危险也立即消失。是。越大储存外界作用的能力也就越强，恢复损伤的能力也就越大。

3) 可缓慢恢复损伤区(η2、k2)，为第二保护区，其中η2是事物缓慢损伤因子，k2是事物可缓慢修复损伤因子。在外界作用下不能立即引起事物应有的损伤，而是有个时间的滞后；当外力消失后损伤

也不能立即恢复，而是缓慢回复到原始位置，其作用相当于一个形变的“弹簧”，用以储存外界作用力。

4) 安全本质损伤区(f3、η3)，是事物内部不可再修复损伤区，其中f3是事物的本质损伤瓶颈值，协是安全本质损伤因子。当传到安全本质区的外界作用力较小时，摩擦件f3相当于一个“保护垫”，用于抵抗外界的作用力对事物的影响，从而使事物不产生本质的损伤；当传到安全本质区的作用力较大时，摩擦件f3会消耗一部分外力，把剩余的力传给阻尼件珑，形成本质损伤，事物也由原先的安全状态突变为危险状态。

5) 安全本质损伤加速区(f4、n)，由