基于Bow-Tie模型的轻尾管固井中悬挂器失效分析

孙泽秋，金 磊，马锦明，李 强

基于Bow-Tie模型的轻尾管固井中悬挂器失效分析

孙泽秋，金 磊，马锦明，李 强

（中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州253005）①

轻尾管固井是一个工艺流程清晰、施工较复杂的动态系统。针对轻尾管固井中的悬挂器失效问题，采用事故树和事件树相结合的分析方法，构建了悬挂器失效的BowTie模型。利用事故树分析法得到了诱发悬挂器失效的原因，通过事件树分析法研究了悬挂器失效后引起事故的全过程，直观地了解轻尾管固井中悬挂器失效的整个发展过程。结合某油田Y井的事故分析，验证了BowTie模型在分析轻尾管固井中悬挂器失效方面是可行的。研究得出的悬挂器失效BowTie模型对于防止悬挂器失效的发生具有重要意义，对于轻尾管固井的现场施工具有指导作用。

尾管固井；悬挂器；FTA；ETA；失效分析

尾管固井是指不延伸到井口的套管固井，它是一项工艺流程复杂、施工风险大的固井工艺技术。在轻尾管固井中，由于其悬挂的尾管重力较轻，较之常规尾管固井，更具有倒扣丢手判断困难、对替浆计量准确度要求高等技术难题。现有的悬挂器失效分析方法较单一、笼统，没有系统的风险评价理论作为指导。

本文提出了应用基于事故树（FTA）和事件树（ETA）分析相结合的BowTie模型分析法，用于分析研究悬挂器失效的全过程。在详细分析了施工中悬挂器存在的挂不住、丢不开、循环短路和提前坐挂等4种失效形式的基础上，利用事故树分析法（FTA）得到了导致悬挂器失效的诱因，利用事件树分析法（ETA）研究了悬挂器失效后引起事故的全过程，构建了轻尾管固井中悬挂器失效的BowTie模型。通过某油田Y井的悬挂器事故的实例应用，验证了BowTie模型分析法在悬挂器失效分析中的可行性。

1　Bow-Tie模型分析法

传统的风险分析法有逻辑图、过程分析、事故树（FTA）、事件树（ETA）等，其中事故树（FTA）和事件树（ETA）分析法由于其逻辑性和操作性很强，被广泛的应用［1-3］。但FTA以人为可靠性分析为主，分析事故发生的可能性；ETA与矩阵分析相结合可以推估后果的严重性。在国外的风险分析研究中，将事故树（FTA）和事件树（ETA）结合起来建立了BowTie分析方法（又称蝴蝶结）。在国内，随着对安全风险重视程度不断提高，也将BowTie分析法应用到石油天然气的勘探开发领域。

1．1 安全屏障理论

安全屏障是指安全约束。在工程上安全约束是阻碍事故发展到下一阶段的手段和措施［4］。根据事故发生的先后顺序可将安全屏障划分为预防屏障和保护屏障。预防屏障是指事前的预防措施，为了降低事故发生概率采取的有效行为。保护屏障是指事故发生以后为了减小影响而采取的控制措施。在尾管固井中，下套管之前的技术要求是预防屏障，应急预案是典型的保护屏障。

1．2 建模方法

BowTie分析法建模方式是将事故树（FTA）和事件树（ETA）结合起来使用。利用事故树得到引发事故的诱因，并针对各诱因提出有效的预防措施。利用事件树分析事故发生后的影响，针对每一项可能的后果提出相应的规避措施和应急预案［5-7］。通过分析得出BowTie模型的5个要素：基本事件（诱因）、预防措施（预防屏障）、事故、控制措施（保护屏障）、事故后果，构建BowTie模型，如图1所示。通过BowTie模型可以直观地看出事故发生的整个过程，并将事故的预防和控制措施（屏障）有机的结合起来，因此这种方法可应用到固井工具的失效分析中，具有新颖性和实用性。

图1　BowTie模型

2　悬挂器失效Bow-Tie模型的构建

基于液压式悬挂器的工作原理的基础上，本文详细分析了导致悬挂器失效的诱因，提出了针对诱因采取的预防措施；与此同时，分析研究了悬挂器失效后引起的不良后果，并给出了针对失效后的一些应急预案和处理措施。构建了悬挂器失效的BowTie模型。

2．1 悬挂器工作原理

近几年来，液压式悬挂器在尾管固井中应用广泛。液压式悬挂器主要是由送入工具、悬挂器本体、胶塞、球座、浮箍、浮鞋组成，采用投球憋压的方式来实现悬挂器卡瓦坐挂［8］，如图2所示。悬挂器本体通过套管螺纹（例如长圆螺纹、偏梯螺纹、气密封螺纹等）与套管相连，上部提拉短节通过钻杆扣（例如NC50、NC38等）与钻具相连，由钻具将悬挂器及其下部尾管送放至井底设计深度。

图2　液压式悬挂器与附件的连接

液压式悬挂器的工作原理为：先在井口投球，当球到达球座位置后进行管内憋压，压力通过悬挂器本体上的传压孔传到液缸内，推动活塞上行，剪断液缸剪钉，推动卡瓦上行，卡瓦沿锥面涨开，楔入悬挂器锥体和上层套管之间的环状间隙里。当钻具下放时，尾管重力通过卡瓦被支撑在上层套管内壁上，继续加压，憋通球座，建立正常循环。通过管串正转的方式，将反螺纹卸开，上提一定距离判断丢手顺利，接水泥头，进行注水泥作业，再利用钻杆胶塞和尾管胶塞进行替浆作业，并在球座位置碰压，最后将送入工具和密封芯子提离悬挂器［9-11］。

2．2 悬挂器失效诱因分析及预防

本文统计了近年来国内悬挂器的失效案例，将其归类为坐挂失效、倒扣丢手失效、循环短路和提前坐挂等4种失效形式。结合轻尾管固井中尾管轻、倒扣丢手判断困难、替浆精确度要求高等技术难点，详细分析了诱发轻尾管固井中悬挂器失效的原因，并提出了有针对性、可行性强的预防措施，用于规避悬挂器失效的发生。

悬挂器坐挂是指在液压的作用下卡瓦上移，使尾管重力悬挂在上层套管内壁上的过程。倒扣是指通过正转把悬挂器本体上的反螺纹卸开的过程。丢手是通过上提送入工具，使钻具与套管脱开，而密封芯子并未提出的过程。

2．2．1 失效的诱因分析

1） 下套管或坐挂过程中卡瓦损坏会影响坐挂效果。球座冲蚀、憋压球变形、固相堵塞、球座以上管串短路等原因造成的投球不起压或投球时稳不住压都可能导致坐挂失败。

2） 中和点选取不准、井内循环不畅、掉块严重、大块泥砂填埋造成送入工具抱死等都会导致倒扣丢手失败。特别是对于轻尾管，上部钻具重力测量误差及井内摩阻的影响都会造成中和点判断困难，当正转倒扣时下压吨位过大或者提着倒扣，会使下部尾管串跟着钻具一起转动，使转矩无法传到倒扣螺母位置，导致倒扣丢手失败［12］。

3） 长时间循环及高含硫（或二氧化碳）的腐蚀引起密封圈失效、密封芯子被提出、管串破损等都会造成循环短路。

4） 下套管遇阻时猛提、猛刹、猛放容易造成卡瓦上行；中途开泵时顶通压力过高、循环时憋泵，压力值超过液缸剪钉的剪切值，这些都会导致悬挂器提前坐挂。

2．2．2 预防措施

1） 下套管前对坐挂位置进行刮管作业，坐挂点选择稳定位置，避开上层套管接箍；对于泥浆固相颗粒较大的井，接入悬挂器时往液缸传压孔加入油，以防卡瓦液缸被卡死；坐挂时，控制送球排量，防止过高排量造成憋压球磕坏。

2） 通井刮管时，对上部钻具重力测量；下完套管后校核管串中和点及摩阻，为丢手判断提供可靠数据，尤其是轻尾管特别注意；倒扣时，要保证悬挂器受压，一般控制载荷50～100 k N。

3） 控制循环排量及时间，防止固相颗粒及高含硫液体长期冲刷对球座的腐蚀；验证丢手时，严格控制上提距离，防止过提造成密封芯子抽出。

4） 下套管过程中，控制下放速度，遇阻时少压多提，中途开泵时压力控制在液缸剪钉安全范围内，以防提前坐挂。

2．3 悬挂器失效的后果及其控制措施

结合现场施工经验，将悬挂器失效归纳为4种类型：无法坐挂、无法丢手、循环短路和提前坐挂。结合轻尾管倒扣丢手判断困难等技术难点，分析了尾管固井中悬挂器失效导致的后果，并提出了有针对性的控制措施，将悬挂器失效后的损失降到最低，尽可能规避风险。

2．3．1 失效导致的后果

1） 坐挂失败会使悬挂器及尾管无法居中，严重影响固井质量，导致后续施工管柱进入悬挂器喇叭口可能遇阻；特别是对于轻尾管，坐挂失败可能会影响倒扣丢手的判断。

2） 固井前的倒扣丢手失败，即钻具与尾管无法脱开，影响下步固井施工进度；特别是对于易缩径的盐层，悬挂器长时间无法丢手会导致井径缩小甚至井眼垮塌等风险。固井后倒扣丢手失败会导致钻具难拔，甚至出现钻具固死的“插旗杆”严重事故；对于轻尾管的井倒扣丢手失败可能会导致固井后将尾管上移甚至被提出，无法有效封固目的层位［13］。

3） 发生循环短路时，若不能及时采取有效的补救措施，将无法实施固井作业；多数情况下会起套管，耽误施工周期。

4） 悬挂器提前坐挂会造成尾管不能下到设计位置，若需要起套管，则耽误施工周期；若采取就地固井，则无法封固目的层位。

2．3．2 控制措施

1） 坐挂失败后，先大排量长时间开泵，争取将液缸剪钉逐渐冲蚀掉，使卡瓦上行尝试坐挂，如若不行则坐底倒扣。

2） 倒扣丢手失败后，首先应调整中和点位置重新倒扣，根据转矩及回转情况检验倒扣是否成功，如不合适应采取多压少提的方式重复倒扣动作，并保证倒扣时悬挂器本体处于受压状态，防止倒扣丢手瞬间的回弹导致密封芯子提出；如果多次倒扣均无法确定丢手，应在确保密封芯子未提出的前提下（一般不超过1．8m），尝试正转、猛刹猛提、开泵冲刷等方式丢手。未验证丢手成功则不能进行固井施工，防止发生钻具固死等严重后果［14-15］。

3） 若出现循环短路现象，应首先检验短路位置，做迟到时间测试及反向憋压，再考虑后续补救措施。如果是靠近井底位置短路，可以考虑配制重浆或平衡法固井；如果是钻具或上部套管短路，需要考虑重新起套管；如果发现短路时已经丢手或者上提过多导致密封芯子提出，应待事故处理完毕后再固井施工［16-17］。

4） 为防止悬挂器提前坐挂，遇阻时少压多提，如开泵循环需小排量顶通，控制泵压小于剪钉剪切值70%，严禁猛提猛放。

2．4 模型的构建

结合以上分析，构建了轻尾管固井中的悬挂器失效BowTie模型，如图3所示。

图3　悬挂器失效的BowTie模型

3　悬挂器失效Bow-Tie模型应用

悬挂器失效的BowTie模型全面展示了事故发生的全过程，对于解释已发事故具有良好的效果。并为现场技术人员预防悬挂器失效的发生和控制悬挂器失效事故提供指导。

例如，Y井是X油田的1口五开制盐层油藏评价直井，井深5 689m，泥浆密度1．78 g／cm3，黏度61mPa·s，采用244．5mm×206．4mm（9″×8″）悬挂，施工采用平衡压力固井法，套管串中不装回压阀。尾管长143．78m，尾管下到位循环彻底后，悬挂器因憋压球未到达球座而未实现坐挂，经各方同意进行坐底作业。坐底后累计倒扣55圈，基本无回转，上提悬重比称重减少30kN，因倒扣后上提力偏小，经重复倒扣后，各方一致判断倒扣成功。固井结束后，拔中心管之前又倒扣20圈，没有回转，正常起出送入工具。后续扫上塞至回接筒顶深以上206m处时无进尺，并伴有金属屑返出，换小尺寸钻头后顺利扫过，判断尾管上移。

结合Y井的基本情况，总结了该井的施工技术难点（也即事故诱因）包括：①尾管较轻，206．4mm（8″）尾管长143．78m，理论计算尾管浮重为87kN；②悬重表灵敏度差，丢手判断比较困难。针对技术难点，施工前提出了相应的技术措施（也即预防措施）包括：①当尾管较轻时，必须在通井或刮管阶段对上部钻具称重，为丢手判断提供可靠的依据；②施工前一定要校正悬重表和立压表；③为了保证悬挂器丢手，施工中确保悬挂器坐挂成功；④丢手判断不清楚时，调整悬重，一定要在确定丢手后进行固井作业。

然而，由于下套管前对轻尾管固井重视不够，没有在通井或刮管作业时对上部钻具称重。在悬挂器的地面组装检查时，注意到了载荷支撑盘上端有密封圈，存在“抽真空”的风险，但考虑到设计防砂的功能，也没有采取预防措施。套管下到位后，考虑到盐膏层蠕变问题，控制了循环时间。投球后2 h仍不起压，判断管串内有落物，无法实现有效坐挂，为丢手失败埋下隐患。虽然各方人员意识到了“倒扣过程中没有回转，上提下放悬重表的指针仅减少了30kN”的悬重异常现象，但是由于施工前钻具未称重，没有校对的标准，因此在重复倒扣两次且现象相同时，各方误以为丢手成功。固井施工结束后，上提钻具，悬重仍仅减少30kN左右。综合分析各种资料认为：固井前后虽然倒完扣，但未实现丢手；起钻后期由于管柱活动或不及时灌泥浆发生丢手，尾管下落未到井底，造成了尾管上移事故。

结合BowTie模型和Y井的全过程分析，可得出在尾管较轻、悬重表不灵敏等事故诱因存在时，没有采取上部钻具称重、校核指重表、尽量尝试坐挂等有效的预防措施，致使悬挂器未坐挂、丢手误判等悬挂器失效事故的发生。在事故发生以后，上提管柱过程中操作不当致使下部尾管掉落井底，造成了尾管上移、盐膏层漏封，本次固井失败的严重后果。

4　结论

1） 为了研究轻尾管固井中悬挂器失效的全过程，首次将BowTie分析法引入到固井工具的失效分析中，利用事故树分析法得出了悬挂器失效的诱因和预防措施，利用事件树分析法得出失效引起的后果和应急规避措施，构建了轻尾管固井中悬挂器失效的BowTie模型。

2） 通过某油田Y井，实例验证了悬挂器失效的BowTie模型的可行性，该模型直观地反应了失效全过程，对于预防类似事故的发生有重要的指导意义。

3） 本文针对悬挂器失效采用了定性的分析研究。为了提高分析模型的广度和精度，建议下一步采取定量的方法分析失效发生概率以及各影响因素的权重。

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Based on Bow-Tiemodel of the Hanger Failure Analysis of Light-liner Cementing

SUN Zeqiu，JIN Lei，MA Jinming，LI Qiang
（Shelfoil PetroleumEquipment&Seruices Co．，Ltd．，Sinopec Research Institute of PetroleumEngineering，Dezhou253005，China）

Lightliner Cementing is a dynamic systems with clearly technological process and complex construction．For failure research of lightliner hanger cementing process，the hanger failure of BowTiemodelis constructed，w hich combine F T A with E T A analysismethod．By using faulttree analyticmethod，the failure reasons of hanger are induced in this paper，the failure cause of the accident after the w hole process is studied，through eventtree analysis，w hich can understand light liner hanger cementing failure intuitively in the w hole development process．Combined with certain oilfield accident analysis of Y well，BowTiemodel is viable for the hanger failure issue based on the analysis oflightliner cementing．Studies show that BowTiemodelis of great significance to prevent the hanger failure，and has a guiding significance for lightliner onsite cementing operation．

lightliner cementing；hanger；FTA；ETA；failure analysis

TE925．2

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．015

10013482（2015）03006306

①2014-09-06

孙泽秋（1987-），男，山东聊城人，硕士，主要从事固井工具的研发和现场技术服务，Email：szq＠shelfoil．com。