周松民， 李軍偉， 李 瑾， 李 軍， 連 威

(1中海油田服務(wù)股份有限公司 2中石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 3中國石油大學(xué)·北京)

我國海上油氣井生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)壽命為20～50年，隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，已有部分油氣井已經(jīng)進(jìn)入了生產(chǎn)末期亟待棄置[1]，相比于陸上油氣井的棄置作業(yè)，海上油氣井面臨的問題則復(fù)雜的多。油氣井開發(fā)生命周期可以分為鉆完井、開發(fā)、棄置3個(gè)階段，根據(jù)挪威石油標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)井筒完整性概念的定義[2]：“在一口井的生命周期中，運(yùn)用技術(shù)、生產(chǎn)和管理手段降低地層流體失控的風(fēng)險(xiǎn)”，油氣井的井筒完整性要求油氣井在整個(gè)生命周期內(nèi)都處于可控狀態(tài)。油氣井的井筒完整性狀態(tài)對(duì)油氣井的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和安全環(huán)保具有重要影響，在油氣井開發(fā)過程中出現(xiàn)環(huán)空帶壓、套管變形等問題時(shí)，不僅使修井作業(yè)、測試作業(yè)以及增產(chǎn)措施不能順利實(shí)施，更會(huì)對(duì)油氣井的生產(chǎn)周期和安全開釆構(gòu)成威脅。若環(huán)空竄流無法控制，可能會(huì)誘發(fā)井噴導(dǎo)致全井報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。油氣井在棄置過程中或棄置后出現(xiàn)井筒完整性問題時(shí)，一是顯著增加作業(yè)成本，根據(jù)M Khalifeh等的調(diào)研[4]，井筒棄置的費(fèi)用可以占到鉆井費(fèi)用的25%以上，當(dāng)井筒完整性被定義為危險(xiǎn)時(shí)，棄置預(yù)算會(huì)進(jìn)一步增加；二是封隔失效后修復(fù)困難，尤其對(duì)海洋棄置井，海洋采油平臺(tái)以及海下采油樹在棄置過程中被移除，且井口會(huì)填埋一定厚度的水泥，如果棄置后出現(xiàn)油氣水竄、井口漏油冒泡等問題，再次修復(fù)困難且風(fēng)險(xiǎn)高。因此，有必要對(duì)海洋油氣井在棄置作業(yè)前進(jìn)行井筒完整性評(píng)估，根據(jù)井筒的實(shí)際情況對(duì)井筒的完整性進(jìn)行分級(jí)，從而制定不同的棄置方案和應(yīng)急措施。

一、海洋棄置井井筒完整性影響因素

在海洋油氣井的整個(gè)開發(fā)周期過程中，受工程因素以及井下條件的影響，井口采油樹、套管、水泥環(huán)和封隔器往往存在完整性的風(fēng)險(xiǎn)。如井下流體中含有的硫化氫、二氧化碳溶解物會(huì)對(duì)套管、水泥環(huán)和封隔器進(jìn)行腐蝕[5]，熱采過程中井底高溫蒸汽使套管發(fā)生塑性變形甚至脫扣[6]，注水過程中誘發(fā)泥巖膨脹/地層滑移導(dǎo)致套管變形[7]，試井或修井過程中由于井筒壓力波動(dòng)導(dǎo)致固井膠結(jié)面失效[8]，采油樹在海水腐蝕作用下導(dǎo)致其密封失效[9]、耐壓等級(jí)降低等。影響海洋油氣井完整性的因素及機(jī)理如表1所示。

表1 影響海洋油氣井井筒完整性的常見因素

二、權(quán)重分析

1.層次結(jié)構(gòu)

所謂層次分析法[10]，是將與計(jì)算目標(biāo)相關(guān)的元素分解為不同層級(jí)，上級(jí)與下級(jí)為從屬關(guān)系，將表1中影響各影響因素進(jìn)行分級(jí)，可得到如圖1所示的層級(jí)關(guān)系圖，層次結(jié)構(gòu)總共分為3層，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

圖1 海洋油氣井評(píng)價(jià)單元層次結(jié)構(gòu)

最高層為目標(biāo)層，即完整性評(píng)價(jià)；中間層為各影響因素歸屬層，最下層為影響因素層，即影響海洋棄置井的各個(gè)影響因素。

2.風(fēng)險(xiǎn)矩陣

風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)價(jià)方法[11]指的是在對(duì)某一事件存在的危害做分析處理時(shí)，主要考慮風(fēng)險(xiǎn)定義的兩個(gè)方面：一是待評(píng)價(jià)事件某種風(fēng)險(xiǎn)的可能性；二是待評(píng)價(jià)事件發(fā)生后其后果的嚴(yán)重性。風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法將事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)破壞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，形成一個(gè)用以表征其風(fēng)險(xiǎn)性的矩陣，使用數(shù)值定性表示待評(píng)價(jià)事件破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

一般地，在完整性評(píng)價(jià)過程中需邀請(qǐng)多位現(xiàn)場技術(shù)專家對(duì)待評(píng)價(jià)區(qū)塊潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行確定和分析，評(píng)價(jià)的依據(jù)為鉆井井史、生產(chǎn)報(bào)告、修井報(bào)告、棄置前測井報(bào)告等資料?？紤]到不同專家對(duì)同一區(qū)塊準(zhǔn)則層熟悉程度不同，需對(duì)各專家的評(píng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)公式如式(1)：

(1)

式中：di—第i個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)分值，分別為井口裝置、井筒、管柱、其它；dir—第r位成員對(duì)該指標(biāo)的打分；i=1,2,…,n。

進(jìn)一步可以得到準(zhǔn)則層指標(biāo)重要性風(fēng)險(xiǎn)矩陣A：

(2)

式中：dij—第i個(gè)對(duì)第j個(gè)影響因素的相對(duì)權(quán)重，dij=di/dj。

在求取風(fēng)險(xiǎn)矩陣A的基礎(chǔ)上，有必要分析風(fēng)險(xiǎn)矩陣A的特征值，其歸一化特征值的大小即為準(zhǔn)則層各影響因素對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重[12]。

同樣地，在現(xiàn)場技術(shù)人員對(duì)各準(zhǔn)則層具體影響因素評(píng)分的基礎(chǔ)上，可以得到不同具體影響因素相對(duì)于準(zhǔn)則層的歸一化權(quán)重，與井口裝置相關(guān)的完整性因素有采油樹密封和采油樹性能，則與井口相關(guān)的方案層的風(fēng)險(xiǎn)矩陣為二階對(duì)稱矩陣，其歸一化特征值為采油樹密封和采油樹性能相對(duì)于井口裝置完整性的歸一化權(quán)重。同理，與井筒相關(guān)的完整性因素有六類，構(gòu)成六階對(duì)稱矩陣。與管柱相關(guān)的完整性因素共有四類，構(gòu)成四階對(duì)稱矩陣。與其它相關(guān)的完整性因素有三類，構(gòu)成三階對(duì)稱矩陣。求取以上矩陣的特征向量，并對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化，即可得到不同準(zhǔn)則層下不同具體影響因素的權(quán)重。

三、井筒完整性綜合評(píng)估

確定了影響海洋棄置井15個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重后，就能結(jié)合每個(gè)影響因素對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，最終獲得全井完整性的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。其計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中：Zh、Zc—為準(zhǔn)則層和方案層各因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重；Rh、Rc—為準(zhǔn)則層和方案層各對(duì)稱矩陣對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量；Wh、Wc—為準(zhǔn)則層和方案層對(duì)應(yīng)的評(píng)分。

經(jīng)過層次分析得到不同影響因素的從屬關(guān)系后，即可評(píng)估各影響因素發(fā)生后其后果的嚴(yán)重程度，可分為嚴(yán)重、中度、微小、可忽略4個(gè)等級(jí)，最終可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整棄置方案以降低油氣井棄置過程中的風(fēng)險(xiǎn)。棄置井完整性風(fēng)險(xiǎn)分類表如表2所示，表中評(píng)分越高，說明與井筒完整性相關(guān)的各個(gè)因素的評(píng)價(jià)越高，圖1中方案層的完整性越好。

四、案例分析

1.方法應(yīng)用

渤海灣某海洋平臺(tái)受油氣井壽命以及環(huán)保要求的影響，需要進(jìn)行棄置，此平臺(tái)共有5口生產(chǎn)井，其中3口油套同壓，2口技術(shù)套管帶壓，且?guī)壕协h(huán)空存在少量可燃性氣體，井下情況不明，后續(xù)處理復(fù)雜，導(dǎo)致棄置之前井筒完整性評(píng)價(jià)困難。本文基于棄置前測井曲線以及生產(chǎn)資料，綜合現(xiàn)場多位工作人員的綜合經(jīng)驗(yàn)，利用層次分析法對(duì)此平臺(tái)的一口生產(chǎn)井進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)。

表2 棄置井完整性分類表

現(xiàn)場工作人員對(duì)井口裝置、井筒、管柱、其它的評(píng)分分別為12、38、24、26，對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層的風(fēng)險(xiǎn)矩陣為：

風(fēng)險(xiǎn)矩陣A的特征向量為：(0.23、0.71、0.45、0.49)T，歸一化特征向量為：(0.12、0.38、0.24、0.26)T，即井口裝置、井筒、管柱和其它因素對(duì)井筒完整性的影響權(quán)重分別為0.12、0.38、0.24、0.26。

同理，在此基礎(chǔ)上需要對(duì)各種具體影響因素進(jìn)行細(xì)分，井口裝置包含采油樹密封和采油樹性能，歸一化特征向量為：(0.76、0.24)T。井筒包含套管絲扣性能、套管設(shè)計(jì)強(qiáng)度、套管剩余強(qiáng)度、套管偏心、固井膠結(jié)面完整性、固井水泥環(huán)完整性，歸一化特征向量為：(0.13、0.11、0.18、0.07、0.34、0.17)T。管柱包括油管絲扣性能、油管設(shè)計(jì)強(qiáng)度、油管剩余強(qiáng)度、封隔器性能，歸一化特征向量為：(0.36、0.17、0.28、0.19)T。其他因素包括井下安全閥性能、環(huán)空帶壓、環(huán)空有毒或易燃?xì)怏w，歸一化權(quán)重為：(0.14、0.47、0.39)T。

最終可以得到完整性風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重表，現(xiàn)場工作人員利用此表對(duì)各種影響因素進(jìn)行評(píng)分，且評(píng)分小于或等于表格中提供的權(quán)重，最終對(duì)所有影響因素的評(píng)分進(jìn)行累加，即可得到目標(biāo)井的完整性評(píng)分(表3)。

現(xiàn)場技術(shù)人員通過對(duì)此平臺(tái)井筒完整性相關(guān)元素進(jìn)行評(píng)分，得到其中一口待棄置的評(píng)分為66分，評(píng)分較低主要原因?yàn)榇司坠芎退喹h(huán)腐蝕較為嚴(yán)重，油套管環(huán)空帶壓長期高于10 MPa，且環(huán)空中含有一氧化碳和甲烷氣體，對(duì)井筒完整性的評(píng)價(jià)具有顯著影響。

表3 風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)表

2.風(fēng)險(xiǎn)消減措施

考慮到此井套管和水泥環(huán)腐蝕較為嚴(yán)重，環(huán)空帶壓且含有危險(xiǎn)氣體，井筒完整性評(píng)級(jí)較低，后續(xù)作業(yè)過程中需要采取相應(yīng)的技術(shù)手段降低棄置過程中的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)保證油氣井在棄置后的完整性[13]。具體可分為以下三個(gè)步驟：①在拆井口裝置之前，利用正循環(huán)壓井方法壓井，使用高密度壓井液循環(huán)出井筒內(nèi)部油氣水，釋放各層套管壓力；②切割打撈井筒內(nèi)部生產(chǎn)管柱，對(duì)于腐蝕嚴(yán)重而無法打撈的井下安全閥、注入閥、封隔器等，需要下入銑鞋或者銑筒磨銑，以便于后續(xù)在井筒內(nèi)部注入水泥塞；③根據(jù)測井曲線，切割腐蝕嚴(yán)重的套管以及水泥環(huán)，防止油氣井在棄置后地層中的流體沿著固井膠結(jié)面上竄。

基于上述計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場工作人員進(jìn)行棄置作業(yè)之前在平臺(tái)上安裝了相關(guān)的棄置設(shè)備，保證了棄置作業(yè)的安全高效。同時(shí)，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，在棄置過程中重點(diǎn)關(guān)注了循環(huán)壓井、套管切割打撈作業(yè)，棄置作業(yè)之后此井井口未發(fā)現(xiàn)油氣水竄。

五、結(jié)論

(1)基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣法，影響油氣井井筒完整性的因素較多，但海洋油氣井由于其特殊的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)后期常常出現(xiàn)環(huán)空帶壓、套管、水泥環(huán)等腐蝕問題，嚴(yán)重影響海洋油氣井的井筒完整性，給棄置作業(yè)帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)基于層次分析法，在現(xiàn)場工作人員評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)準(zhǔn)則層和方案層的影響因素進(jìn)行權(quán)重分析，綜合考慮多種因素的共同影響，最終得到待棄置井的完整性風(fēng)險(xiǎn)值?，F(xiàn)場工作人員根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值的不同，有必要采取相關(guān)措施以降低棄置過程中的風(fēng)險(xiǎn)。