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。

    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]。

 

    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)，由事物安全质量体M、事物损伤加速门限值f₄和事物变加速损伤系数n组成。在外界广义作用力的作用下，M不断减小，使得保护事物免受加速损伤的能力逐渐降低。当大量外界力作用于事物的本质损伤加速区时，事物的损伤速度会越来越快，其损伤程度也越来越大，直到整个事物完全被破坏，进入新的循环为止。

    在上述物理模型的基础上，根据事物物理模型中各元件特征规律，经分析进一步得到了事物安全流变 突变的数学模型^[6]：

 

式中e为事物总损伤量；e₄为事物加速损伤量；t为外界作用力作用时间；T为事物的物理寿命。

    任一事物从诞生之日起就具有一个安全质量M，其大小便决定了此事物对外界广义作用力的耐受程度，M值越大表示事物对外界广义作用力的抵抗性越强。但随着时间的推移，事物的损伤值会越来越大，M逐渐变小，直到采取必要的措施来阻止损伤量的继续减小，此后M的值又会不断升高，这时事物对外界作用力的抵抗能力又会得到增加。

    井喷事故的发生不是一触即发的，而是一个不断演变的过程。对于井喷而言，一般先发生钻井溢流，紧接着便会发生井涌，如果没有得到有效的控制，就会向着井喷的方向发展，井喷是井涌不能控制的后果。

    按照安全流变一突变理论，井喷发生的整个过程可以分为3个阶段：即安全流变损伤减速增加阶段、安全流变损伤等速增加阶段、安全流变损伤加速增加阶段^[7]。其中第一、二阶段是井喷事故发生的初始阶段，属于安全流变阶段，第三阶段是井喷事故发生的发展阶段，对应着安全突变阶段，流变阶段和突变阶段的交点即为突变警戒点。井喷是地层流体(石油、天然气、水等)快速流变不能控制的结果，如果外界的压力没有超过事物可以承受的临界值，加之流变具有衰减的特征，此时突变便不会发生，就不会引起井喷事故。结合安全流变 突变理论与井喷发展的实际过程，笔者将井喷细分为以下6个阶段：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。

    以常规钻井为例，为了方便表示井喷各个阶段的划分，在此引入了危险度的定义：

 

式中D为危险度；p为井内的实时压力；p₀为地层流体压力。

    当危险度小于1时是安全的；当危险度大于1时是不安全的；当危险度等于1时，油气井开始进入不安全的状态。笔者以罗家16H井井喷事故为例^[8]，对井喷安全流变-突变理论进行了分析。

    1) 当油气井内钻井液液柱压力远大于地层流体压力之前，为溢流潜伏期。此阶段钻井液密度降低幅度较小，钻井液的液柱压力大于地层压力。该期间的危险度为0.3，属于安全状态。

    2) 当钻井液密度进一步降低到钻井液的液柱压力略小于地层压力时，为溢流阶段，此时会导致地层的部分流体进入井筒内，使得油气井的安全性越来越低。该期间的危险度为0.5，属于相对安全状态。

    3) 当钻井溢流没有得到有效控制而进一步恶化，最终导致地层流体喷出井口，就会很快转入不安全状态，即发生突变。该期间的危险度为由0.5逐渐增加到1，属于危险状态。

    4) 当井涌进一步向前发展，导致地层流体喷出钻台转盘面1m以上，此时油气井就会进入井喷阶段。此阶段的危险度大于1，属于极不安全状态。

    5) 地层流体从井喷顶峰到开始压井是后效阶段，该阶段要采取必要的措施，控制井喷事故的蔓延，转移相应的人员和设备。此阶段的危险度有所下降，属于危险状态。

    6) 从压井成功到重新投入生产是过渡阶段，此阶段应该采取相应的措施以消除系统已存在的危险因子，待所有的危险因子消除之后，油气井又会重新投入生产，进入下一个安全流变突变循环(如图3)。图中井喷阶段以波浪线上升的原因主要是在此过程中不断地往钻井液中加入高密度的物质或重浆，导致井内的实时压力不断变化，危险度也会发生相应的波动

 从以上分析可以得出：潜伏阶段、溢流阶段、井涌阶段是井喷的安全流变阶段，直到发生突变，才进入井喷的极不安全状态。在此过程中，井内压力不断减小、地层流体(石油、天然气、水等)压力不断增大、钻井液密度不断降低致使钻井液液柱压力小于地层压力，最终导致地层流体不断流入井内，从而进一步向着井喷方向发展。如果该阶段没有采取有效的措施进行控制，便会向着井喷的方向发展，整个系统便由安全流变状态向安全突变的方向转变。当油气井处于安全流变阶段时，整个系统还处于相对安全的状态；但一旦转入突变，系统就会由安全状态转变为危险状态。因此，要控制井喷事故，关键就是要将其控制在流变阶段，进而消除危险源，防止其向突变的方向转化。但如果突变之前没有采取有效的抑制措施，最终导致了井喷事故的发生，也就是系统进入了安全突变阶段，此阶段最重要的就是要在保证人员和设备安全的情况下尽可能控制井喷范围的扩大，最大限度地降低井喷所造成的损伤。

    发生井喷的过程，实际上是油气井损伤形变的过程，其损伤量、损伤速度和损伤加速度，可以清晰地反映出井喷发生的全过程。利用计算机软件对两井喷事故进行了模拟研究^[8]，计算机模拟得到的结果见图4、5。

 

    从图4、5中可以看出井喷事故是属于典型的安全流变 突变模型。其中横坐标表示井样承载外界作用的时间，纵坐标表示井样损伤产生的形变大小。对两组模拟曲线进行对比可知：外界广义作用力s越大，井喷所造成的损伤量也就越大；加速损伤系数n越大，越容易发生井喷；安全本质损伤因子η₃越大，油气井受压后潜能吸收越慢。综合以上分析，可以将井喷事故与安全流变一突变理论有效结合起来，这对于进一步分析和预测井喷事故有着重要的作用。

    图4中的AB段是油气井在外界作用下的减速损伤阶段，与承载的时间关系不大，为瞬间损伤。在第一保护区的作用下，损伤速度由大变小，损伤加速度小于0。BC段是油气井等速损伤阶段，此阶段流变曲线形似一条直线，损伤速度接近常数，损伤加速度为0。CD段是油气井加速损伤阶段，此阶段损伤速度不断增大，加速度也大于0。AD段是安全流变阶段，其中D点是突变警戒点，从此点开始油气井的运动开始发生了质变，进入了危险状态。DE属于安全突变阶段。

    通过利用安全流变-突变理论对井喷事故从溢流到井喷的特征规律进行了系统分析，得出了以下结论：

    1) 从安全流变-突变理论可知，安全是相对的，危险却是绝对的。因此，不可能做到绝对的安全，但是可以通过提前预防来减少危险状态发生的可能性。

    2) 通过对井喷事故的安全流变突变理论分析，可以知道要控制井喷事故的发生，就必须采取必要的措施，将其控制在安全流变阶段，这对于指导井喷事故的防控工作有十分重要的意义。

    3) 对实际的井喷案例建立了数学模型，并用计算机软件分析了井喷发展的各个阶段，这对以后井喷事故的量化预测提供了参考依据。

[1] 王维斌，唐家琼.川东地区井喷显示特征及地质因素分析[J].天然气工业，2007，27(11)：19-23.

[2] 王忠生，林安村.重温事故吸取教训提高井控技术水平[J].钻采工艺，2009，32(3)：1-4.

[3] 何学秋.事物安全演化过程的基本理论研究[J].巾圉安全生产科学技术，2005，1(1)：5-10.

[4] 何学秋.安全科学基本理论规律研究[J].中国安全科学学报，1998，8(2)：5-7.

[5] 马尚权，雎万俊.“流变 突变”规律在煤与瓦斯突出中的应用研究[J].江苏煤炭，2000(3)：13-15.

[6] 何学秋，马尚权.安全科学的“R-M”基本理论模型研究[J]中国矿业大学学报，2001，30(5)：425-428.

[7] 梅大成，郑巧，何志敏，等.油气井钻井过程中井喷预测机理研究[J].天然气工业，2010，30(1)：68-70.

[8] 杨庆理.中国石油天然气集团公司井喷事故案例汇编[M].北京：石油工业出版社，2006.

 

(本文作者：何沙¹ 吉安民² 杨姑² 孟米³ 1.西南石油大学发展规划处；2.西南石油大学研究生院；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司)