含气水合物储层钻井危害链的动态演化与全流程风险评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Dynamic Evolution and Whole-Process Risk Assessment of Drilling Hazards Chains in Hydrate-Bearing Reservoirs

　　

摘要 作为清洁能源，天然气对经济和环境发展具有重要意义，而含气水合物储层钻井的安全性日益受到关注。钻井过程中，水合物分解产生的气体侵入地层和井筒，降低地层强度，削弱水泥环胶结，引发井筒坍塌和固井质量差等钻井事故。为提高钻井安全性，首先建立了FTA-ESD模型进行风险识别和后果分析。然后将钻井作业分为四个阶段：钻进、循环、下套管和固井。为每个阶段构建了动态贝叶斯网络，并通过水合物分解节点过渡进行整合，形成了整个作业过程的统一动态演化模型。结果表明，钻进后期和循环初期的气体侵入和井筒坍塌风险最高，固井质量差的概率在固井初期最高。敏感性分析表明，钻进和循环阶段主要受钻井液传热传质影响，而固井阶段主要受套管作业和水泥水化热影响。优化钻井参数和流体性质可以有效降低钻井风险。

引言 随着经济发展，天然气、煤和石油等化石燃料被大量使用。油气能源需求急剧增加，常规油气储层的开采已进入枯竭阶段（Kang等，2024）。同时，油气燃料会导致大气中二氧化碳浓度增加，进而产生温室效应，因此使用清洁能源对可持续发展尤为重要（Zhou等，2023）。由于具有高能量密度和无污染的优势，开发天然气水合物（NGH）至关重要（Wang等，2024）。作为21世纪的新型清洁能源，天然气水合物所含能量约为所有已知常规能源总能量之和的两倍（Trippetta等，2023）。因此，它被认为是未来最有前景的战略资源之一（Zhou等，2020）。

近年来，随着天然气水合物试采取得一系列成功，天然气水合物的安全高效开发已成为商业化开采的关键问题（Yan等，2023）。天然气水合物是天然气和水在低温高压下形成的冰状笼形包合物（Wu等，2021），在特定条件下会分解。近年来，深水油气勘探开发不断发展，陆地钻井逐渐向深水及超深水推进（Chen等，2023；Turner等，2009）。随着水深增加，钻井作业中水合物形成的风险也随之增加。水合物储层固有的低胶结强度和高的相变敏感性容易在钻井和生产品作业期间引发井筒失稳。这种失稳可能导致井筒坍塌、地层沉降和海底滑坡等工程事故，造成重大经济损失和潜在的人员伤亡（Gu等，2023；Li等，2024；Sang等，2025）。

在深水及超深水钻井作业中，当发生天然气侵入或钻井遭遇天然气储层时，储层中的天然气进入井筒，水合物容易在井筒中形成（Li等，2025）。在深水含气水合物层钻井时，原始地层压力和温度会受到循环钻井液的扰动。孔隙中的水合物分解在特定条件下会引发严重问题，包括地层失稳、滑坡坍塌和管道堵塞（Xu等，2023），这会给井控带来困难（Gao等，2018；Liu和Liu，2021）。更严重的是，甚至可能导致井喷，对财产和环境造成重大损害（Dou等）。

水合物分解降低了地层强度并影响井筒稳定性。国内外许多学者通过建模和数值计算研究了钻井井筒中的温度和压力分布，并揭示了水合物分解及其致灾机制。中国石油大学的Duan等人建立了井筒温度-压力耦合模型，通过考虑井筒中流体的温度和压力分布，预测了井筒中水合物的形成位置（Duan等，2023）。

Ruslan等人对钻井液注入对井筒温度场的影响进行了建模，模拟了钻井液进入井筒的流动过程，并评估了钻井液流量和参数对井筒周围温度场变化的影响（Gizatullin等，2023）。

Ali等人研究了不同钻井液在水合物分解过程中的传热特性，并提出通过设计合适的钻井液可以控制水合物分解速率，减少水合物分解（Fereidounpour和Vatani，2014）。

Reem等人开发了一个耦合数值模型，用于评估在含气水合物沉积地层中钻井时的井筒稳定性，同时预测了水合物分解过程中沉积物与井筒之间孔隙率和强度的变化模式（Freij-Ayoub等，2007）。

水合物分解不仅影响井筒稳定性，还导致固井失败等后果。目前，许多学者研究了水合物分解对固井质量的影响。Sun和Wang考虑了水泥水化过程中产生的热量，研究了水泥与水合物层之间的复杂多场耦合机制，并建立了传热传质耦合模型进行数值模拟（Sun等，2018；Wang等，2023）。他们还建立了一个新型数值模型，用于研究深水井固井过程中含气水合物地层的稳定性，并分析了深水井固井过程中含气水合物地层的稳定性（Wang等，2019）。Chen等人表明，水泥浆的水化热对井筒附近储层水合物的稳定性有不利影响（Fang等，2018；Wang等，2009）。

近年来，井喷事故频繁发生（Yang等，2025），风险评估对于决策者识别和评估钻井风险并采取风险控制措施变得越来越重要（Meng等，2022）。动态风险评估（DRA）是一种主动方法，涉及随着情况变化而持续动态地评估和管理风险。它已在油气生产行业得到开发和应用，以增强动态和作业风险评估与管理（Abimbola和Khan，2016；Khan等，2015）。钻井作业的安全性通常用风险来衡量，风险是事故概率和损失大小的指标（Khan，2001）。故障树、事件树（ET）（Rathnayaka等，2013）、蝴蝶结模型（BT）（Abimbola等，2014；Khakzad等，2013a）、HAZOP（Khan，2005）和贝叶斯网络（BN）（Khakzad等，2013b）等方法已被用于评估井控事件的风险。

其中，贝叶斯网络（BN）作为一种基于学习的方法，为图示表征连锁反应过程提供了实用解决方案，并能够处理数据缺陷、基于主观（专家意见）或频率（概率分布）视角的风险影响因子（RIFs）的动态表征和条件依赖性（Bougofa等，2021）。因此，它被广泛应用于钻井风险评估。Abimbola等人首先使用蝴蝶结模型对恒钻压钻井技术中的安全挑战和作业压力状态进行图示，然后将其映射为贝叶斯网络，以评估恒钻压钻井技术的安全关键要素和安全作业压力状态（Abimbola等，2015）。Chen等人提出了一个针对海上钻井作业的贝叶斯网络模型，作为海上钻井作业风险管理的可靠工具（Chen等，2021）。

贝叶斯网络可以扩展为具有时间维度的动态贝叶斯网络（DBN），以建模系统性风险的时间传播模式（Meng等，2021）。Liu等人提出了一种动态风险评估模型，用于评估深水钻井作业的安全性。所提出的模型包括与井喷原因、溢流检测、关井操作和压井操作相关的风险因素，涵盖井喷的全过程（Liu等，2021）。Wu等人提出了一种在控压钻井阶段含硫天然气田H?S泄漏动态风险分析的方法（Wu等，2019）。Liu等人提出了一种结合多种风险因素的新型钻井井控动态定量风险评估方法，整个DBN由人为因素、机械因素和环境因素的模型组成（Liu等，2022b）。Nie等人提出了一种将DBN模型转换为GO模型的新方法，用于分析风险早期检测（RED），可以更便捷地处理RED等复杂安全分析问题，并更好地表征系统安全特征（Nie等，2019）。Majeed等人提出了一种结合蝴蝶结模型和贝叶斯网络的耦合模型，用于研究套管和固井作业期间的井筒完整性，讨论了安全功能和内在安全原则对提高井筒完整性的影响（Abimbola等，2016）。Hu等人提出了一种DBN-HAZOP模型，通过DBN量化危险与可操作性分析，为每个组件提供前瞻性退化趋势和一个整体维护决策系统（Hu等，2012）。Wu等人提出了一种基于多状态多阶段马尔可夫（MSMM）的模型，用于海上油气行业安全屏障系统的动态风险评估（Wu等，2022），并提出了一种基于混合HDBN的风险分析方法，用于估计原位燃烧过程中三个关键阶段爆炸的概率，并诊断导致此类事件的关键风险因素（Wu等，2024）。Liu等人提出了一种基于DBN和NK模型的意外风险耦合量化方法，并将其应用于海底井喷事故风险分析，从不同风险因素相互作用的角度揭示了海底井喷的风险耦合机制（Liu等，2022a）。

在含气水合物钻井风险评估方面，Ma等人提出了一种基于MCM的井筒失稳风险评估方法（Ma等，2022）。Huang等人考虑了水合物分解对力学性质的影响以及孔隙压力、温度和力学场之间的部分耦合关系，使用响应面法和Mogi-Coulomb失效准则方法评估了水合物开采过程中井筒稳定性随时间变化规律的可靠性（Huang等，2023）。Sun等人建立了井筒温度场理论模型，分析了钻井液排量、密度、粘度和注入温度以及海水深度对井筒温度的影响，推导了海上天然气水合物钻井中储层风险的敏感性规律（Sun等，2021）。Gao等人分析了地质、环境和钻井风险的影响，建立了深水含气水合物地层钻井作业风险评估的故障树（Gao等，2018）。

现有研究从水合物分解、井筒稳定性和固井质量等角度揭示了含气水合物储层钻井期间的致灾机制，为含气水合物地层钻井安全研究提供了重要的理论基础。然而，仍存在一些局限性。含气水合物储层中的钻井事故具有强耦合和动态演化特征，在不同的钻井条件下，事故类型、发生概率和后果各不相同。目前大多数风险分析方法主要基于故障树分析-事件序列图（FTA-ETA）模型。虽然该模型可以描述事故链，但难以有效表征不同事故后果之间的相关性和动态演化，这限制了其在复杂时变风险分析中的适用性。

此外，随着钻井作业的持续进行，水合物分解逐渐加剧，钻井事故的风险表现出显著的时间依赖性和非线性演化特征。影响水合物分解的主导因素及其影响程度在不同钻井阶段也有所不同。然而，目前关于含气水合物储层整个钻井过程中钻井事故动态风险演化的研究仍然有限，特别是在多阶段风险因素和事故演化机制的系统分析方面。

基于此，本文提出了一种基于贝叶斯网络的含气水合物储层钻井事故动态风险预测与分析模型。主要研究内容和创新点如下：（1）建立了故障树分析-事件序列图（FTA-ESD）风险分析模型，用于含气水合物储层钻井事故的风险识别和后果分析。

与传统FTA-ETA模型相比，本文提出的模型能够更直观地刻画不同事故后果之间的关联及演化路径。（2）为表征连续作业过程中水合物分解的时间传播，将钻井过程划分为若干阶段，包括钻进、循环、下套管、固井和等待凝固。为每个阶段构建DBN模型，并通过水合物分解节点的状态转移进行耦合，形成全过程动态演化模型。引入马尔可夫过程描述水合物分解节点和井底压力节点在不同时间切片间的状态转移特征。同时，将人为失误作为动态节点处理，其时变特征采用泊松分布表征，从而提高了风险评估的准确性和合理性。基于该模型，分析了整个钻井过程中气体侵入、井壁失稳和固井失效的动态演化规律。（3）结合贝叶斯推断和敏感性分析，研究了不同阶段气体侵入、井壁失稳和固井失效的主要原因和关键风险因素，并提出了相应的防控措施。从工程角度而言，所提出的框架可为分阶段风险预警、合理井底压力窗口维持、钻井液热学和流变性能优化、套管下入及固井作业控制和水泥水化热控制提供支撑。因此，该模型可为提高含气水合物地层钻井安全管理与作业决策提供理论依据。通过比较不同证据条件下的事故演化趋势，进一步评估了所提出模型的响应性和合理性。本文首先介绍贝叶斯方法和隐马尔可夫模型（HMM）转移理论的基本原理，然后阐述不同钻井阶段动态贝叶斯网络模型的构建过程。随后，分析钻井事故概率的动态演化特征，并通过贝叶斯推断和敏感性分析探究事故的根本原因以及关键风险因素的影响。基于分析结果，提出了针对不同钻井事故的防控策略。最后，总结了本研究的主要结论。

水合物形成与分解机制
天然气水合物是由水分子和气体分子组成的固体结晶化合物。水合物的形成过程类似于结晶过程，可分为两个步骤：水合物成核过程和水合物生长过程。水合物成核通常指初级成核，即从洁净的水和气体体系中产生的第一次成核。这意味着过去没有水合物形成的历史，或者体系中已存在水合物颗粒。

含气水合物地层钻井动态风险评估
深水钻井具有以下特点：海底温度低、压力高、沉积层松散、钻井作业安全窗口窄，而海底低温高压环境为浅层天然气水合物的富集提供了良好条件。如图9所示，钻井过程中井筒打开后，天然气水合物在高温低压影响下发生分解。分解产生的气体影响……

钻井事故动态演化预测
根据深水钻井日常统计可知，同一级别的钻井作业在不同阶段所耗费的时间并不相同。对于主要阶段，所耗时间按递减顺序依次为：纯钻进、下套管、循环和固井。基于此规律，模型中建立的用于表征四个作业阶段的DBN分别定义为7、5、6和4个时间切片。并据此进行模拟……

结论与展望
本研究开发了一种DBN实时风险评估模型，用于预测含气水合物地层中钻进、循环和固井阶段的水合物分解。所提出的模型还可表征由水合物分解引起的气体侵入、井壁坍塌、井筒变形、套管损坏和水泥环弱胶结的动态演化。结果表明，气体侵入和井壁失稳的概率在后期……

CRediT作者贡献声明
崔荣：论文撰写–审阅与编辑、论文撰写–初稿撰写、方法学、调查研究。
吴生南：论文撰写–审阅与编辑、方法学、调查研究、资金获取、数据整理、概念构思。

利益冲突声明
作者声明不存在可能对本研究结果产生影响的经济利益或个人关系。

致谢
本研究由中国国家科技重大专项（2025ZD1403206-07）资助。作者感谢审稿人和编辑提出的宝贵意见。

崔荣｜吴生南