何英明 劉書(shū)杰 武治強(qiáng) 耿亞楠 馮桓榰 范志利

(中海油研究總院， 北京 100028)

井完整性管理是指綜合應(yīng)用管理及技術(shù)措施，以降低地層流體發(fā)生非控制泄漏風(fēng)險(xiǎn)，貫穿整個(gè)井的生命周期。海洋石油開(kāi)發(fā)所處的自然環(huán)境惡劣，海上作業(yè)面臨的風(fēng)險(xiǎn)很大，需特別重視井完整性管理[1]。隨著海上生產(chǎn)井服役年限日久，環(huán)空帶壓等井完整性問(wèn)題也越來(lái)越多。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海洋鉆完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)所作研究較多。Jan等人指出了鉆完井作業(yè)的最大危險(xiǎn)源[2]；竇玉玲等人對(duì)三高氣田鉆完井的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析[3]；武勝男等人對(duì)海上鉆完井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析[4]。這些研究主要側(cè)重于海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，研究方法并不適用于所有的井完整性問(wèn)題。本次研究將建立井完整性問(wèn)題分析模型，該模型以安全屏障理論為核心，結(jié)合蝴蝶結(jié)、故障樹(shù)(FTA)及“人機(jī)物環(huán)法”5要素分析方法，可全方位解析井完整性問(wèn)題發(fā)生原因及處置過(guò)程。

1 井完整性問(wèn)題分析模型

安全屏障理論是目前安全分析領(lǐng)域一種有效的預(yù)防、控制和減輕事故的分析方法[5]。安全屏障理論的核心是屏障，任何阻止事故發(fā)生的因素都可以視為一道屏障，包括物理屏障、功能屏障、符號(hào)屏障及非物理屏障，如果所有屏障全部被擊穿則會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生。本次分析中需運(yùn)用到“人機(jī)物環(huán)法”和故障樹(shù)分析法[6-7]。

“人機(jī)物環(huán)法”是對(duì)全面質(zhì)量管理理論中5個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量主要影響因素的簡(jiǎn)稱(chēng)，一般來(lái)講如果5個(gè)要素均達(dá)到要求，則可保證產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

故障樹(shù)分析法是一種圖形演繹法，是一定條件下的故障事件邏輯推理方法。對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重大傷害的事件作為頂事件，以頂事件為起點(diǎn)，自上而下地分析導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有因素及其邏輯關(guān)系，由此不斷深入分析，最終找到事故發(fā)生的根本原因[7]。

基于安全屏障的井完整性問(wèn)題分析模型總體上可視為一個(gè)蝴蝶結(jié)模型(見(jiàn)圖1)，左側(cè)為危險(xiǎn)源，右側(cè)為事故可能導(dǎo)致的后果，中間為控制事件發(fā)展的屏障。與傳統(tǒng)模型不同，本模型引入了安全屏障理論，并針對(duì)每道屏障采用“人機(jī)物環(huán)法”及故障樹(shù)分析法進(jìn)行分析。

圖1 基于安全屏障的井完整性問(wèn)題分析模型

2 事故分析

2.1 建立安全屏障集

以往研究多針對(duì)物理屏障進(jìn)行分析，不利于剖析事故發(fā)展過(guò)程及揭示事故發(fā)生的深層次原因。在此，規(guī)定阻止某事件發(fā)生(如井噴)的一項(xiàng)措施(如強(qiáng)行關(guān)井)為一道屏障，包括物理屏障(如泥漿液柱、防噴器)、功能屏障(關(guān)防噴器的動(dòng)作)、符號(hào)屏障(現(xiàn)場(chǎng)工作指令)及非物理屏障(相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范)。將多道屏障簡(jiǎn)化為一道屏障，進(jìn)行深入分析，加入事件發(fā)展的時(shí)間過(guò)程，對(duì)事故原因及處置過(guò)程進(jìn)行剖析。

2.2 “人機(jī)物環(huán)法” 分析

在此，將“人機(jī)物環(huán)法”引入到井完整性問(wèn)題分析中，針對(duì)每道屏障均開(kāi)展分析。人，是指現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員；機(jī)，是指與作業(yè)相關(guān)的機(jī)具，如鉆機(jī)、固井泵、泥漿泵等；物，是指作業(yè)采用的物料，如泥漿、水泥漿等；環(huán)，是指作業(yè)所處的大環(huán)境或者井屏障單元所處的小環(huán)境，如海外鉆完井作業(yè)的行業(yè)大環(huán)境、水泥環(huán)的井筒規(guī)則度；法，是指作業(yè)應(yīng)遵循的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。任何屏障的失效原因均可通過(guò)“人機(jī)物環(huán)法”5要素進(jìn)行分析。

2.3 建立故障樹(shù)

每一道屏障都是一個(gè)頂事件。從頂事件開(kāi)始，自上而下、一層層尋找頂事件的直接原因及間接原因，直到查出導(dǎo)致屏障失效的根本原因，最后用邏輯圖將這些事件之間的邏輯關(guān)系表達(dá)出來(lái)。任何事件發(fā)生的原因都不是孤立存在，而是會(huì)發(fā)生一連串的連鎖反應(yīng)，因此，在5要素分析的基礎(chǔ)上建立故障樹(shù)，可發(fā)現(xiàn)井屏障失效的深層原因。

3 實(shí)例應(yīng)用

以墨西哥淺水區(qū)域某探井為例，該井深5 312 m，采用五開(kāi)井身結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。棄井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)井口冒氣泡，通過(guò)氣體組分分析，基本斷定氣泡來(lái)自于B層。采用本分析模型對(duì)冒氣泡事故進(jìn)行分析，建立安全屏障集，剖析事故發(fā)生的深層次原因。

圖2 井身結(jié)構(gòu)圖

3.1 模型建立

首先全面分析鉆遇地層，篩選所有危險(xiǎn)源，該井危險(xiǎn)源為A層、B層、C層、D層氣體。分別針對(duì)危險(xiǎn)源確定安全屏障集，建立分析模型(見(jiàn)圖3)。

圖3 棄井冒氣泡事件分析模型

3.2 安全屏障集建立

通過(guò)氣源分析等技術(shù)手段，確定溢出氣體來(lái)源于B層，因此，以B層氣體為例，說(shuō)明建立安全屏障集的方法。B層氣體溢出到井口，可以劃分為3道主要屏障：b1，244.5 mm套管一級(jí)固井；b2,244.5 mm套管分級(jí)箍管外封隔器；b3,244.5 mm套管二級(jí)固井。

3.3 “人機(jī)物環(huán)法”5要素分析

第一道屏障，是由于水泥漿強(qiáng)度不滿(mǎn)足封固氣層的基本要求及上層套管的浮鞋單根脫落，增加了氣層的暴露長(zhǎng)度；第二道屏障，是由于所使用的封隔器坐封壓力與分級(jí)箍循環(huán)孔打開(kāi)壓力過(guò)于接近，推測(cè)坐封成功之前循環(huán)孔提前打開(kāi)；第三道屏障，是由于水泥漿失水量過(guò)大并且由于前兩道屏障失效造成井眼環(huán)境比較惡劣，很難保證封固質(zhì)量。若3道屏障均被“突破”，氣泡就會(huì)冒到井口。B層“人機(jī)物環(huán)法”5要素分析流程見(jiàn)圖4。

圖4 “人機(jī)物環(huán)法”5要素分析圖

3.4 故障樹(shù)分析

對(duì)每道屏障失效原因進(jìn)行故障樹(shù)分析，從邏輯關(guān)系上剖析事故發(fā)生的根本原因，分析情況見(jiàn)圖5、圖6、圖7。

第一道屏障失效，主要是由于水泥石強(qiáng)度不夠，不滿(mǎn)足封固地層的需要；另外，上層套管浮鞋單根掉落導(dǎo)致井眼環(huán)境差，固井作業(yè)效果差。

第二道屏障失效，主要是由于封隔器選型不合理(封隔器坐封壓力與分級(jí)箍循環(huán)孔打開(kāi)壓力接近，導(dǎo)致坐封不成功)；另外，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有保存封隔器坐封數(shù)據(jù)，無(wú)法判斷井屏障單元的有效性，不滿(mǎn)足井完整性的相關(guān)管理要求。

第三道屏障失效，主要由于前兩道屏障失效導(dǎo)致氣體上竄，井眼環(huán)境差；另外，未經(jīng)審查臨時(shí)更換水泥漿體系，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督人員對(duì)該體系不熟悉，失水量大而未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，封固地層失敗。

從故障樹(shù)分析結(jié)果可以看出，嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)管理規(guī)定，提高員工技術(shù)水平可以在很大程度上避免井完整性事故的發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

建立了以安全屏障為核心，蝴蝶結(jié)、故障樹(shù)及“人機(jī)物環(huán)法”5要素分析相結(jié)合的井完整性問(wèn)題分析方法。

明確該模型的分析流程，合理劃分安全屏障，并針對(duì)每道屏障開(kāi)展“人機(jī)物環(huán)法”5要素及故障樹(shù)分析，是保證方法有效性的關(guān)鍵。

對(duì)墨西哥海上某棄井冒氣泡事件進(jìn)行實(shí)例分析。該方法考慮風(fēng)險(xiǎn)因素全面，邏輯清晰，可深層次剖析事件發(fā)生的根本原因，對(duì)事故調(diào)查具有很好的實(shí)用性，同時(shí)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)分析、事故預(yù)防具有很好的應(yīng)用參考價(jià)值。

圖7 第三道屏障故障樹(shù)分析參考文獻(xiàn)

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