羅金恒，李麗鋒，王建軍，趙新偉，王 珂，李發(fā)根，武 剛

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

地下儲(chǔ)氣庫(kù)是國(guó)家天然氣“產(chǎn)-供-儲(chǔ)-銷(xiāo)” 產(chǎn)業(yè)鏈中的重要組成部分，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重點(diǎn)工程。我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)起步較晚，上世紀(jì)90年代初，隨著陜京一線的建設(shè)，中國(guó)首批商業(yè)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)才拉開(kāi)序幕[1]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，低碳清潔的天然氣需求急劇增長(zhǎng)，天然氣安全平穩(wěn)供給形勢(shì)日益嚴(yán)峻，儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)速度加快，截至2017年底，中國(guó)已建成25座天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)，其中中國(guó)石油23座，工作氣量達(dá)100億立方米。2017-2018年冬春之際的全國(guó)大范圍 “氣荒”更是將儲(chǔ)氣庫(kù)的需求推向了新的歷史高度[2]，中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇期，戰(zhàn)略地位舉足輕重。

儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)“強(qiáng)注強(qiáng)采”的功能是區(qū)別于常規(guī)氣田的顯著特點(diǎn)，可致使其承受交變地應(yīng)力和交變載荷的作用，同時(shí)可能在腐蝕、沖蝕、巖層蠕變等潛在危害因素的共同作用下，影響儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性和安全可靠性。國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)重大事故教訓(xùn)表明，大規(guī)模交替注采、壓力循環(huán)波動(dòng)易造成儲(chǔ)氣圈閉地質(zhì)構(gòu)造失穩(wěn)、井屏障退化和地面設(shè)備故障，甚至導(dǎo)致泄漏、燃燒或爆炸等事故發(fā)生[3]。如，2015年10月，美國(guó)加州Aliso Canyou儲(chǔ)氣庫(kù)SS-25井因套管破損引發(fā)2億立方米天然氣泄漏，事故總損失超10億美元，是美國(guó)歷史上最嚴(yán)重的天然氣泄漏事故[4]。隨著我國(guó)大批儲(chǔ)氣庫(kù)陸續(xù)投入運(yùn)行，如何開(kāi)展儲(chǔ)氣庫(kù)安全管理已成為運(yùn)營(yíng)管理者面對(duì)的重大課題。

基于風(fēng)險(xiǎn)的完整性管理被國(guó)際上普遍認(rèn)為是解決油氣管道和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施安全管理的有效手段。儲(chǔ)氣庫(kù)作為儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的重要組成部分，其完整性技術(shù)在國(guó)際上備受關(guān)注和重視[5]。上世紀(jì)90年代，美國(guó)氣體研究協(xié)會(huì)開(kāi)展了鹽穴用于天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[6]。2001年哥倫比亞公司采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)井完整性狀況，用于優(yōu)化資產(chǎn)完整性管理[7]。2006年和2009年國(guó)際管道研究協(xié)會(huì)(PRCI)地下儲(chǔ)氣庫(kù)委員研究指南發(fā)布，主要包括油套管完整性、固井水泥環(huán)完整性和庫(kù)存完整性三方面內(nèi)容。2015年美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布了API RP 1171《枯竭型和含水層天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)功能完整性》[8]和API RP 1170《鹽穴型天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)與運(yùn)行》[9]。目前，全生命周期的儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理已成為儲(chǔ)氣庫(kù)安全管理的發(fā)展方向。

筆者在在統(tǒng)計(jì)分析國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)事故案例基礎(chǔ)上，明確了儲(chǔ)氣庫(kù)事故類(lèi)型與原因，闡述了儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理概念與技術(shù)內(nèi)涵，并重點(diǎn)介紹了我國(guó)在氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)監(jiān)測(cè)、安全選材、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、檢測(cè)評(píng)價(jià)等方面的主要研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)要評(píng)述了儲(chǔ)氣庫(kù)完整性技術(shù)發(fā)展展望，可為儲(chǔ)氣庫(kù)安全管理和完整性技術(shù)研究提供技術(shù)支持與借鑒。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)事故類(lèi)型與原因

國(guó)外公開(kāi)報(bào)道的62起儲(chǔ)氣庫(kù)事故案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明： 1)氣藏型18起，鹽穴型27起和水層型儲(chǔ)氣庫(kù)17起[3-4]，大多主要集中在美國(guó)； 2)事故所在的儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存介質(zhì)以天然氣為主，其中氣藏型和水層型儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存介質(zhì)均為天然氣，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)存介質(zhì)包括天然氣、液化天然氣、丙烷、丁烷、乙烷、乙烯、氫氣等； 3)氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)和水層型儲(chǔ)氣庫(kù)主要為泄漏事故，鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)包括泄漏和蠕變引起的溶腔體積收縮下降兩類(lèi)事故類(lèi)型，其中泄漏57起，蠕變引起的溶腔體積收縮下降5起； 4)泄漏路徑包括通過(guò)地面設(shè)施泄漏、通過(guò)注采井泄漏、通過(guò)地層遷移泄漏-注采井完整性失效、通過(guò)地層遷移泄漏-圈閉密封性失效； 5)泄漏原因包括套管完整性失效、井口設(shè)施失效、固井質(zhì)量差、圈閉密封性失效、誤操作、地震、封隔器密封失效、過(guò)量充填、機(jī)械損傷、第三方侵入、脫水處理裝置密封失效、地面管道失效等，如圖1所示。其中套管完整性失效原因主要為套管破損、腐蝕穿孔、螺紋接頭密封失效等，井口設(shè)施失效原因包括沖蝕致三通破裂、井口密封墊片失效、井口閥門(mén)失效、機(jī)械損傷致井口設(shè)施損毀、閥門(mén)失效等。溶腔體積收縮主要針對(duì)鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)，主要由鹽巖蠕變和上覆層坍塌引起； 6)泄漏主要發(fā)生在運(yùn)行階段，但試注氣、維護(hù)維修均可能造成安全事故發(fā)生； 7)儲(chǔ)氣庫(kù)事故災(zāi)害類(lèi)型主要包括泄漏、泄漏和火災(zāi)、泄漏、火災(zāi)和爆炸三種情況，主要以泄漏為主。鹽巖蠕變引起的溶腔體積收縮下降主要造成地面沉降和溶腔廢棄等。8)56起泄漏事故共造成9人死亡，65人受傷，疏散人次17 693次，事故共造成12座儲(chǔ)氣庫(kù)因密封失效而廢棄； 9)儲(chǔ)氣庫(kù)一旦發(fā)生泄漏，勢(shì)必會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失：2015年10月，加利福尼亞州阿里索儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故直接經(jīng)濟(jì)損失約3.3億美元；2003年4月，SoCal儲(chǔ)氣庫(kù)氣體泄漏后造成設(shè)備損傷10.5萬(wàn)美元和清理費(fèi)用240萬(wàn)美元；1993年1月，阿里索儲(chǔ)氣庫(kù)因地震導(dǎo)致天然氣泄漏造成經(jīng)濟(jì)損失3000萬(wàn)美元。綜上可知，儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行不僅與地質(zhì)體、井筒和地面設(shè)施的完整性狀態(tài)相關(guān)，而且與建設(shè)、試注氣、運(yùn)行和維護(hù)維修階段的風(fēng)險(xiǎn)因素控制相關(guān)。

圖1 儲(chǔ)氣庫(kù)事故原因統(tǒng)計(jì)分布圖

2 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理概念和技術(shù)內(nèi)涵

2.1 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性概念

完整性概念最先于20世紀(jì)70年代末到80年代初提出，早期主要針對(duì)電站設(shè)備和核設(shè)備；隨后在煉化設(shè)備和油氣管道中應(yīng)用和發(fā)展，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于油氣井。管道完整性是指管道始終處于完全可靠的服役狀態(tài)[10]，而油氣井完整性是指應(yīng)用技術(shù)、操作和組織措施來(lái)減少地層流體在油氣井壽命期間內(nèi)無(wú)控制地排放的風(fēng)險(xiǎn)[11]。對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)完整性，既要承接管道和油氣井完整性的特點(diǎn)，并從對(duì)象上涵蓋地質(zhì)體、井筒和地面設(shè)施，從時(shí)間跨度上應(yīng)貫穿于儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期。儲(chǔ)氣庫(kù)完整性是指儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體、注采井和地面注采設(shè)施的功能始終處于安全可靠的服役狀態(tài)，其內(nèi)涵包括三個(gè)方面：

一是地質(zhì)體、注采井和地面注采設(shè)施各單元在物理上和功能上是完整的；

二是在設(shè)計(jì)、建設(shè)、注采運(yùn)行和廢棄等全生命周期內(nèi)始終處于受控狀態(tài)；

三是運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)并仍將不斷采取技術(shù)、操作和組織管理措施防止天然氣泄漏事故或在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)全庫(kù)報(bào)廢發(fā)生。

2.2 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理對(duì)象與技術(shù)內(nèi)涵

儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理指對(duì)所有影響儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)體、注采井和地面注采設(shè)施三大單元完整性的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，并綜合運(yùn)用技術(shù)、操作和組織管理措施，將儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的天然氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)水平始終控制在合理和可接受的范圍之內(nèi)。儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理是對(duì)地質(zhì)體、注采井和地面設(shè)施的一體化管理，是貫穿于儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期的全過(guò)程管理，是應(yīng)用技術(shù)、操作和組織措施的全方位綜合管理[12]。

地質(zhì)體作為儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)的核心單元，其完整性狀態(tài)的好壞是決定是否可改建儲(chǔ)氣庫(kù)的先決條件，而且是儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行的基本保障。在多周期注采運(yùn)行過(guò)程中，地質(zhì)體主要存在斷層密封性失效、蓋層及底托層密封性失效、封堵井密封性失效、水體侵入等風(fēng)險(xiǎn)。因此，地質(zhì)完整性管理的目的就是預(yù)防上述四類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，在設(shè)計(jì)階段，主要包括儲(chǔ)氣庫(kù)密封性評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)、老井封堵等完整性技術(shù)，在運(yùn)行階段，主要是基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與密封性評(píng)價(jià)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

井筒完整性管理涉及設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)行管理的全過(guò)程，但無(wú)論處于任何階段，主要目標(biāo)是對(duì)地層流體的有效控制。作為控制地層流體無(wú)控制流動(dòng)的阻擋層，生產(chǎn)套管、注采管柱、固井水泥環(huán)是井筒完整性的關(guān)鍵組成部分。井筒設(shè)計(jì)完整性技術(shù)主要包括適應(yīng)注采交變工況的管柱結(jié)構(gòu)、密封和腐蝕完整性設(shè)計(jì)、固井設(shè)計(jì)技術(shù)等，建設(shè)期則主要包括滿(mǎn)足交變工況下長(zhǎng)期密封的高質(zhì)量固井、長(zhǎng)效性環(huán)空保護(hù)液、管柱絲扣密封性檢測(cè)、井筒測(cè)井評(píng)價(jià)等技術(shù)，運(yùn)行期井筒完整性技術(shù)體系如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)收集與整合、注采井泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、環(huán)空壓力危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、完整性監(jiān)測(cè)/檢測(cè)、完整性評(píng)價(jià)、修井維護(hù)與應(yīng)急響應(yīng)、效能評(píng)估等。

與常規(guī)氣田開(kāi)發(fā)相比，儲(chǔ)氣庫(kù)具有“大吞大吐、注采交替、高壓運(yùn)行”的特點(diǎn)，注采兩套系統(tǒng)交替運(yùn)行，注采氣量波動(dòng)范圍高達(dá)10～20倍，對(duì)地面工程布局優(yōu)化和設(shè)備管理運(yùn)行靈活性要求高[13]。但從完整性管理技術(shù)來(lái)看，儲(chǔ)氣庫(kù)注采管道完整性管理和長(zhǎng)輸管道完整性管理技術(shù)內(nèi)涵相同，主要包括數(shù)據(jù)收集與整合、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)、完整性評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)結(jié)果的決策、響應(yīng)和反饋等。對(duì)于站場(chǎng)完整性管理技術(shù)體系主要包括數(shù)據(jù)管理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性監(jiān)測(cè)/檢測(cè)、完整性評(píng)價(jià)、維修與維護(hù)、效能評(píng)價(jià)等[10]。

圖2 運(yùn)行期儲(chǔ)氣庫(kù)井筒完整性技術(shù)體系框架

3 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性關(guān)鍵技術(shù)的主要研究進(jìn)展

3.1 氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)地層-井筒-地面立體化監(jiān)測(cè)體系

我國(guó)氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)與運(yùn)行實(shí)踐20年以來(lái)，逐步構(gòu)建了儲(chǔ)氣庫(kù)地層-井筒-地面立體化監(jiān)測(cè)體系[13]，主要包括地質(zhì)體密封性、井筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、內(nèi)部運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和地面設(shè)施監(jiān)測(cè)四大方面，其中： 1)地質(zhì)體密封性監(jiān)測(cè)主要對(duì)含氣區(qū)域內(nèi)蓋層、斷裂系統(tǒng)、溢出點(diǎn)、周邊儲(chǔ)層以及上覆滲透層和淺層水域監(jiān)測(cè)，對(duì)天然氣通過(guò)地層漏失實(shí)施預(yù)警； 2)井筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括注采井參數(shù)監(jiān)測(cè)、注采井密封性監(jiān)測(cè)/檢測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)等； 3)內(nèi)部運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包括注采動(dòng)態(tài)，內(nèi)部溫壓和流體性質(zhì)、氣液界面與流體運(yùn)移、注采井產(chǎn)能等，目的是了解單井注采氣能力、儲(chǔ)層性質(zhì)、流體分布及變化等，指導(dǎo)氣庫(kù)擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)、優(yōu)化配產(chǎn)配注及井工作制度調(diào)整； 4)地面設(shè)施監(jiān)測(cè)包括地面腐蝕監(jiān)測(cè)、管道壓力監(jiān)測(cè)、天然氣泄漏監(jiān)測(cè)，保障地面設(shè)施的完整性和安全運(yùn)行。儲(chǔ)氣庫(kù)站場(chǎng)完整性參觀技術(shù)體系如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)氣庫(kù)站場(chǎng)完整性管理技術(shù)體系

3.2 注采管柱螺紋選用與安全選材技術(shù)

與常規(guī)氣井相比，儲(chǔ)氣庫(kù)井服役周期一般在30年以上，地層壓力系數(shù)不衰減且長(zhǎng)期保持在0.9左右，注采管柱作為注氣和采氣雙向流動(dòng)通道，管柱內(nèi)運(yùn)行壓力、溫度等載荷隨注采周期交替變化，這對(duì)注采工況下螺紋接頭密封性提出了更高的要求[14]。如注采管柱螺紋接頭密封失效，含有CO2酸性氣體的天然氣可通過(guò)絲扣進(jìn)入油套環(huán)空，致使環(huán)空保護(hù)液防腐效果劣化，從而促進(jìn)油管和套管腐蝕甚至穿孔失效。

中石油管材研究所綜合考慮儲(chǔ)氣庫(kù)管柱的重力效應(yīng)、溫度效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)、活塞效應(yīng)、摩阻效應(yīng)以及內(nèi)壓力、外壓力的影響，結(jié)合氣密封螺紋結(jié)構(gòu)額定數(shù)據(jù)，建立了考慮注氣/采氣交變載荷下壓縮效率計(jì)算模型：接頭壓縮效率=有效軸向力/壓縮屈服載荷<接頭額定壓縮效率。根據(jù)最大軸向載荷的交變確定了氣密封循環(huán)試驗(yàn)載荷，同時(shí)結(jié)合注采壓力，制訂了30周次氣密封循環(huán)試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了靖邊、蘇橋、板南儲(chǔ)氣庫(kù)注采作業(yè)工況下管柱氣密封循環(huán)模擬試驗(yàn)。最終從經(jīng)過(guò)“ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)的1.5周次氣密封循環(huán)未泄露”的試驗(yàn)，改變?yōu)榻?jīng)過(guò)“拉壓交變載荷下30周次氣密封循環(huán)未泄露”的試驗(yàn)[14]，優(yōu)選了氣密封螺紋，并綜合儲(chǔ)氣庫(kù)井深度、氣密封螺紋拉伸效率和壓縮效率提出了儲(chǔ)氣庫(kù)井氣密封性螺紋分級(jí)選用指標(biāo)[15]，如表1所示。

在多周期拉壓交變下管柱螺紋氣密封試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了儲(chǔ)氣庫(kù)管柱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，主要包括管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和密封設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，最終提出儲(chǔ)氣庫(kù)管柱設(shè)計(jì)方法，突破傳統(tǒng)的“管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)+氣密封螺紋接頭”的管柱設(shè)計(jì)理念，形成強(qiáng)注強(qiáng)采交變載荷下儲(chǔ)氣庫(kù)管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)+密封設(shè)計(jì)的新技術(shù)方法。

表1 儲(chǔ)氣庫(kù)井氣密封性螺紋分級(jí)選用指標(biāo)

因中石油6座氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)注入氣為干氣，而采出氣低含水，故提出氣液兩相選材試驗(yàn)方法，指出了水氣比11.3 m3/Mm3為對(duì)腐蝕影響的臨界線，結(jié)合儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)套管和油管使用環(huán)境，認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)套管和油管腐蝕選材應(yīng)分別對(duì)待，套管依據(jù)現(xiàn)有液相工況選材，油管按照低含水工況選材[16]。

3.3 儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

注采井風(fēng)險(xiǎn)管理是儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理中的重要內(nèi)容，其目的是識(shí)別注采井風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)注采井風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，以采取有針對(duì)性的注采井維修與維護(hù)措施來(lái)消減注采井泄漏風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防災(zāi)難性事故發(fā)生[17]。其注采井風(fēng)險(xiǎn)管理流程如圖4所示，主要包括確定評(píng)價(jià)對(duì)象、數(shù)據(jù)收集與整合、環(huán)空壓力危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、定性評(píng)估、半定量/定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)減緩方案、監(jiān)測(cè)與維護(hù)等。其中儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)是注采井風(fēng)險(xiǎn)管理的核心關(guān)鍵技術(shù)。

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井環(huán)空壓力危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要目的是針對(duì)帶壓井通過(guò)實(shí)施危險(xiǎn)分級(jí)，在盡量減少泄放、修井頻次的情況下，保障儲(chǔ)氣庫(kù)井筒安全。目前國(guó)際上已公開(kāi)發(fā)布了油氣井環(huán)空壓力管理標(biāo)準(zhǔn)API R90[18]和API R90-2[19]兩部標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)塔里木油田、西南油氣田的油氣井環(huán)空壓力管理也主要基于這些標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，編制的《高溫高壓及高含硫井完整性指南》[20]涉及到生產(chǎn)階段環(huán)空壓力管理要求和最大允許環(huán)空壓力計(jì)算方法，均為儲(chǔ)氣庫(kù)注采井環(huán)空壓力危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了借鑒。然而，與常規(guī)油氣井相比，儲(chǔ)氣庫(kù)井存在注氣和采氣雙向功能，具有“強(qiáng)注強(qiáng)采”的特點(diǎn)，且30年以上壽命的要求，這些致使儲(chǔ)氣庫(kù)井注采井環(huán)空壓力危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)需考慮自身的特點(diǎn)與安全要求，主要體現(xiàn)在： 1)熱致壓力識(shí)別應(yīng)考慮注氣和采氣過(guò)程對(duì)環(huán)空壓力和溫度的影響； 2)多周期注采工況下，管柱存在氣密封螺紋密封失效的風(fēng)險(xiǎn)，在確定儲(chǔ)氣庫(kù)A環(huán)空最大許可壓力時(shí)，不僅要考慮油管的抗擠毀失效模式，并需考慮環(huán)空帶壓對(duì)螺紋密封完整性的影響； 3)“強(qiáng)注強(qiáng)采和長(zhǎng)期注采運(yùn)行”的功能要求，B和C環(huán)空應(yīng)不允許帶壓，如出現(xiàn)B和C環(huán)空異常帶壓情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行診斷、評(píng)估和維修； 4)從安全的角度上，熱致、持續(xù)或作業(yè)帶壓均應(yīng)對(duì)環(huán)空壓力進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。如過(guò)高的熱致壓力可能對(duì)管柱密封性造成影響，可通過(guò)調(diào)整注采方案或補(bǔ)注氮?dú)獾染徑猓?5)從完整性管理的要求來(lái)看，應(yīng)對(duì)環(huán)空帶壓井實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)分級(jí)管理。為此，在建立注采過(guò)程環(huán)空壓力和溫度預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)套管柱、油管柱、封隔器、地層等井屏障部件的強(qiáng)度校核，建立了環(huán)空最大允許井口運(yùn)行壓力確定方法，并將環(huán)空壓力分為危險(xiǎn)治理區(qū)(紅)、泄壓診斷區(qū)(橙)、預(yù)警監(jiān)控區(qū)(黃)、正常監(jiān)測(cè)區(qū)(綠)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氣庫(kù)環(huán)空帶壓井危險(xiǎn)等級(jí)管理，如圖5和圖6所示。

圖4 儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)管理流程

該井A環(huán)空和B環(huán)空串通，屬一級(jí)和二級(jí)屏障失效導(dǎo)致的持續(xù)帶壓，泄漏能量較小，判斷為屬油管和生產(chǎn)套管螺紋接頭密封失效導(dǎo)致；A環(huán)空壓力主要位于預(yù)警監(jiān)控區(qū)，B環(huán)空壓力位于正常監(jiān)控區(qū)，但考慮到儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)周期注采運(yùn)行的要求，對(duì)于B環(huán)空帶壓的情況，建議立即診斷并采取措施；該井A環(huán)空壓力圖版未見(jiàn)正常監(jiān)控區(qū)，主要由于該井正常注采工況下存在油管氣密封螺紋密封性失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 某庫(kù)1井A環(huán)空壓力控制圖版

圖6 某庫(kù)1井B環(huán)空壓力控制圖版

注采井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法包括定性、半定量和定量方法，半定量和定量方法是對(duì)定性方法評(píng)價(jià)出的中、高風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步詳細(xì)評(píng)估，但也可直接對(duì)各井進(jìn)行半定量或定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。儲(chǔ)氣庫(kù)注采井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)核心關(guān)鍵是失效可能性評(píng)價(jià)、失效后果評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)估算、風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度確定、風(fēng)險(xiǎn)削減措施選擇與評(píng)估等。目前，中石油儲(chǔ)氣庫(kù)完整性研究團(tuán)隊(duì)已建立基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的定性方法、基于層次分析法的半定量方法和基于故障樹(shù)方法的定量方法[17]。對(duì)于定性、半定量/定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，其技術(shù)流程一致，差異在于確定失效可能性、失效后果和風(fēng)險(xiǎn)水平的定量程度不同。本文重點(diǎn)介紹基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的定性方法，該方法失效可能性采用井屏障失效表征，而失效后果采用泄漏率大小來(lái)表征，風(fēng)險(xiǎn)則由失效可能性和失效后果表征，并分為高、較高、中等、低四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，如圖7所示，不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的響應(yīng)措施，如某庫(kù)6井和某庫(kù)2井建議立即修井。其中泄漏率計(jì)算可根據(jù)建立通過(guò)井口設(shè)施泄漏、通過(guò)水泥環(huán)泄漏、通過(guò)地層遷移泄漏模型計(jì)算。

失效可能性井屏障失效安全后果等級(jí)輕微一般中等重大災(zāi)難<0.01/(kg·s-1)0.01～0.1kg/s0.1～1kg/s1～10kg/s>10 kg/s高可能性一道井屏障退化或失效,另一道井屏障退化或失效,或已發(fā)生泄漏至地面某庫(kù)6井較高可能性一道井屏障失效,另一道井屏障完好,或單個(gè)失效可能導(dǎo)致泄漏至地面某庫(kù)2井中可能性一道井屏障退化,另一道屏障完好低可能性?xún)傻谰琳贤旰?或有輕微的問(wèn)題某庫(kù)1井某庫(kù)3井

圖7基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣法的定性方法

3.4 氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)注采井完整性檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)

儲(chǔ)氣庫(kù)注采井設(shè)計(jì)壽命達(dá)30年以上，檢測(cè)評(píng)價(jià)是儲(chǔ)氣庫(kù)注采井完整性管理的重要內(nèi)容。儲(chǔ)氣庫(kù)注采井檢測(cè)內(nèi)容包括套管柱(井下及近井口)技術(shù)檢測(cè)、采氣樹(shù)和井口裝置技術(shù)檢測(cè)、套管外竄流或氣體聚集檢測(cè)、水泥環(huán)第一、二界面膠結(jié)質(zhì)量檢測(cè)、套管間壓力及其可能來(lái)源、套管外空間流體量檢測(cè)等[13]，其檢測(cè)手段與常規(guī)油氣井相同。

儲(chǔ)氣庫(kù)井筒完整性評(píng)價(jià)包括主要包括管柱完整性和固井質(zhì)量評(píng)價(jià)兩大部分。管柱完整性評(píng)價(jià)包括管體和螺紋接頭完整性評(píng)價(jià)兩部分，剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)是完整性評(píng)價(jià)的核心技術(shù)。對(duì)于套管柱和注采管柱，其管體和螺紋接頭完整性評(píng)價(jià)方法相類(lèi)似，主要區(qū)別在于服役載荷與服役環(huán)境不同，服役載荷對(duì)應(yīng)于評(píng)價(jià)過(guò)程中的載荷，而服役環(huán)境則與腐蝕剩余壽命預(yù)測(cè)的腐蝕速率確定相關(guān)，另外套管柱抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗擠毀強(qiáng)度需考慮水泥環(huán)的影響，注采管柱則不用考慮。國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的儲(chǔ)氣庫(kù)注采井評(píng)價(jià)主要依賴(lài)國(guó)外技術(shù)，中石油管材研究所研究團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)分析套管柱載荷分析的基礎(chǔ)上，引入橢圓度、壁厚不均勻度等幾何因素、以及腐蝕和裂紋缺陷影響，建立了基于全井段測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的管柱剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)和管柱剩余壽命預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氣庫(kù)管柱自主評(píng)價(jià)，為老井是否可利用和在役注采井的危險(xiǎn)點(diǎn)及檢測(cè)周期確定提供了技術(shù)支持，如圖8所示。對(duì)于注采管柱，由于可維修更換，一般較少進(jìn)行管體完整性評(píng)價(jià)，大多工作集中在螺紋接頭評(píng)價(jià)，管柱螺紋接頭完整性評(píng)價(jià)主要基于數(shù)值模擬和多周期交變載荷下螺紋接頭密封性評(píng)價(jià)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

儲(chǔ)氣庫(kù)對(duì)固井質(zhì)量要求更嚴(yán)格，儲(chǔ)氣層及頂部以上蓋層段水泥環(huán)連續(xù)優(yōu)質(zhì)膠結(jié)段長(zhǎng)度不少于25 m，且以上固井段合格膠結(jié)段長(zhǎng)度不小于70%。固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)主要包括聲波幅測(cè)井、聲波變密度測(cè)井、扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井、伽馬-伽馬水泥密度測(cè)井以及固井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)檢測(cè)(MAK-9&SGDT-100)等，其評(píng)價(jià)結(jié)果可以從不同側(cè)面反映固井質(zhì)量的好壞。根據(jù)水泥膠結(jié)程度，按照SY/T 6592《固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》的規(guī)定[21]，可將固井質(zhì)量分為良好、中等(或合格)和差(不合格)3個(gè)等級(jí)。

圖8 某儲(chǔ)氣庫(kù)井管柱安全評(píng)價(jià)

3.5 地面注采設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與故障診斷技術(shù)

地面注采設(shè)施包括集注站和注采管道設(shè)施，與常規(guī)站場(chǎng)的差別主要在于壓力高、溫度高且部分設(shè)施(如注采管道)存在交替輸送功能，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制手段方面可借鑒常規(guī)站場(chǎng)和管道相關(guān)技術(shù)。集注站主要基于API581的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣圖[22]，如圖9所示。集注站中風(fēng)險(xiǎn)最高的是壓縮機(jī)組，針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組，建立了基于組合式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)氣庫(kù)注采壓縮機(jī)組自適應(yīng)故障診斷方法，利用部件不同工況的振動(dòng)數(shù)據(jù)訓(xùn)練建立診斷網(wǎng)絡(luò)，能夠在變工況條件下較準(zhǔn)確地診斷出部件的故障類(lèi)型，為壓縮機(jī)的預(yù)防維修和儲(chǔ)氣庫(kù)的安全運(yùn)行提供有力證據(jù)[23]。集輸管道則基于肯特法半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，主要修正了腐蝕、第三方損壞指標(biāo)以及各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重[24]。

圖9 某儲(chǔ)氣庫(kù)集注站風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣圖

4 儲(chǔ)氣庫(kù)完整性技術(shù)發(fā)展展望

隨著我國(guó)大批儲(chǔ)氣庫(kù)規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)行，儲(chǔ)氣庫(kù)安全管理面臨新的挑戰(zhàn)和要求。儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期完整性管理被普遍認(rèn)為是保障天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)本質(zhì)安全的有效手段，并向著技術(shù)體系化、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化、智慧化方向發(fā)展。然而，我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)完整性管理起步較晚，正處于規(guī)劃研究階段，完整性管理體系尚不健全。因此，針對(duì)我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際運(yùn)行工況，應(yīng)加強(qiáng)“地層-井筒-地面”三位一體的儲(chǔ)氣庫(kù)的全生命周期完整性管理體系建設(shè)；加快儲(chǔ)氣庫(kù)完整性設(shè)計(jì)、完整性管理規(guī)范、油套環(huán)空壓力評(píng)價(jià)與管理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測(cè)體系與方法、檢測(cè)評(píng)價(jià)、井筒泄漏檢測(cè)與維修、油套管技術(shù)條件等標(biāo)準(zhǔn)研究與制定；深化儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉動(dòng)態(tài)密封性評(píng)價(jià)、微地震監(jiān)測(cè)、強(qiáng)注強(qiáng)采下套管柱安全選用與優(yōu)化設(shè)計(jì)、儲(chǔ)氣庫(kù)注采井動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、廢棄準(zhǔn)則及處置等完整性關(guān)鍵技術(shù)研究，以及井筒泄漏超聲波檢測(cè)及定位技術(shù)的研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化，并搭建基于大數(shù)據(jù)的儲(chǔ)氣庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理平臺(tái)，從而保障儲(chǔ)氣庫(kù)安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行。