于志剛,康 露,張德政,楊 志,韓云龍

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057; 2.西南石油大學(xué),四川 成都 610500)

引言

氣舉工藝井口簡(jiǎn)單、井下管柱無(wú)運(yùn)動(dòng)件、免修期長(zhǎng),被廣泛應(yīng)用于海上油田,但氣舉采油時(shí)井筒油套環(huán)空帶壓,這使其井筒的完整性面臨更大風(fēng)險(xiǎn)[1-2],特別是油、套管柱已受到腐蝕的老井以及處于含CO2、H2S、Cl-等腐蝕環(huán)境的井,井筒的安全制約了氣舉工藝參數(shù)能否滿足全生命周期的提液需求,所以,對(duì)海上氣舉采油井筒完整性開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)十分必要。國(guó)外學(xué)者對(duì)井筒完整性的研究起步較早,通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法建立了井筒完整性管理系統(tǒng),對(duì)氣井整個(gè)生命周期內(nèi)的完整性進(jìn)行了評(píng)價(jià),并對(duì)油氣井生命周期每個(gè)階段的井筒內(nèi)管柱及附件進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)與校核[3-5]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)海上油氣井的井筒完整性關(guān)注度高,結(jié)合經(jīng)典的專(zhuān)家調(diào)查法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣法等[6-12],提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的深水探井井筒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[13]、基于主成分分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的含硫氣井井筒風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)模型[14]等多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,并研制了井筒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)管理軟件[15-17],但研究主要聚焦在海上高溫高壓深水井和含硫氣井以及鉆完井階段,尚無(wú)對(duì)海上氣舉采油工藝井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究。

本文提出一種新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,并以海上典型的雙油管注氣氣舉為例開(kāi)展井筒完整性評(píng)價(jià),為海上氣舉采油井筒完整性的現(xiàn)場(chǎng)管理提供指導(dǎo)。

1 井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

將井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)歸結(jié)于設(shè)計(jì)難度、井筒失效、影響程度3方面,結(jié)合設(shè)計(jì)之初面臨的風(fēng)險(xiǎn)狀況和管理難度,建立設(shè)計(jì)難度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;采用Bow-Tie模型將井筒失效形式分為井筒屏障失效和操作管理失效兩類(lèi),結(jié)合井筒屏障單元,分析導(dǎo)致井筒失效的影響因素及發(fā)展過(guò)程,建立井筒失效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;同時(shí),借鑒肯特風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型針對(duì)失效后果建立影響程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)等,建立風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并基于油田和行業(yè)的井筒完整性失效大數(shù)據(jù),等比例確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)評(píng)價(jià),加權(quán)求和分別得到設(shè)計(jì)難度、井筒失效、影響程度的量化風(fēng)險(xiǎn)值。引入設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)修正井筒失效風(fēng)險(xiǎn)值,修正后的井筒失效風(fēng)險(xiǎn)值與影響程度風(fēng)險(xiǎn)值構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)矩陣,從而確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型建立流程如圖1所示。

圖1 井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程

上述井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法綜合了Bow-Tie模型和肯特風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,既考慮了井筒失效的可能性,又考慮了井筒失效后果的嚴(yán)重程度,同時(shí)引入設(shè)計(jì)難度因素對(duì)井筒失效可能性進(jìn)行修正,使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)更全面。該模型基于井筒完整性失效大數(shù)據(jù),按照等比例原則確定各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值, 方便快捷,更適合油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1.1 雙油管氣舉井筒屏障

雙油管氣舉即一根油管用來(lái)注氣,另一根油管安裝氣舉閥用來(lái)氣舉采油,是近年來(lái)海上油田常用的典型氣舉方式,其井筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)井屏障定義[12],確定雙油管氣舉井筒屏障單元,見(jiàn)表1。

表1 雙油管氣舉井筒屏障單元

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

(1)井筒失效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)雙油管氣舉井筒屏障,以井筒失效作為頂層風(fēng)險(xiǎn)事件,識(shí)別導(dǎo)致井筒失效的風(fēng)險(xiǎn)因素,將其分為井筒屏障失效和操作管理失效兩類(lèi),并建立Bow-Tie模型,如圖3所示。

圖3 雙油管氣舉井筒失效的Bow-Tie模型

井筒屏障中不同位置的同一風(fēng)險(xiǎn)因素所處的工況不同,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值也不同,因此結(jié)合井筒屏障單元建立井筒失效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)表2。

表2 井筒失效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(2)影響程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖3中,左側(cè)是導(dǎo)致頂層風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素,右側(cè)是頂層風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的后果。后果的嚴(yán)重程度與介質(zhì)危害的大小、泄漏速度的快慢、周?chē)h(huán)境的重要性有關(guān),因此借鑒肯特風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型建立影響程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)表3。

表3 影響程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(3)設(shè)計(jì)難度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

油氣井的地層條件和環(huán)境工況不同, 設(shè)計(jì)階段面臨的難度也不同,因此建立設(shè)計(jì)難度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見(jiàn)表4。

表4 設(shè)計(jì)難度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立

三大評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)應(yīng)的井筒失效包含25個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素,設(shè)計(jì)難度包含5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素,影響程度包含5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素,結(jié)合文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)建立風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。例如,根據(jù)行業(yè)內(nèi)關(guān)于鉆井井深的定義, 制定設(shè)計(jì)難度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中井深的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表5。當(dāng)評(píng)價(jià)井的井深小于3 000 m時(shí),則該項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)值為0.2,代表最小風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)Q/HS 14031—2017《海上油氣井完整性要求》[18],制定影響程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中泄漏速度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表6。當(dāng)評(píng)價(jià)井的天然氣泄漏速度大于等于10 kg/s,或者原油泄漏速度大于等于100 kg/s,則泄漏速度的風(fēng)險(xiǎn)值為5,代表最大風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》[19],制定操作規(guī)程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表7。當(dāng)評(píng)價(jià)井有操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行,則該項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)值為0,代表無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

表5 井深評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表6 泄漏速度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表7 操作規(guī)程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況給定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,其中井筒屏障各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)失效樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)確定,原則是各指標(biāo)權(quán)重之比與對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素失效概率之比保持一致,即

(1)

式中:λi為某末級(jí)第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,無(wú)量綱;m為某末級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù),無(wú)量綱;ωi為某末級(jí)第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素失效概率占比,%。

若油田無(wú)樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),則可參考挪威國(guó)家石油與天然氣協(xié)會(huì)完整性失效案例數(shù)據(jù)[16],以及WellMaster、OREDA和SINTEF等油氣行業(yè)公布的失效數(shù)據(jù)庫(kù)。若某級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)由套管、水泥環(huán)、封隔器等3項(xiàng)組成,在挪威國(guó)家石油與天然氣協(xié)會(huì)完整性失效案例數(shù)據(jù)(圖4)中, 套管、水泥環(huán)、封隔器的失效概率占比分別為12 %、12 %、6 %,那么這3項(xiàng)在該級(jí)評(píng)價(jià)中的權(quán)重分配分別為0.4、0.4、0.2。

圖4 挪威國(guó)家石油與天然氣協(xié)會(huì)完整性失效案例

1.5 設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的確定

設(shè)計(jì)難度不隨時(shí)間變化,不受其他因素干擾,于是引入設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)用于修正井筒失效風(fēng)險(xiǎn)值,計(jì)算公式為

(2)

式中:α為風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)系數(shù),無(wú)量綱;μ為專(zhuān)家修正因子,無(wú)量綱;σ為設(shè)計(jì)導(dǎo)致井筒完整性失效的占比,無(wú)量綱;n為設(shè)計(jì)難度的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)個(gè)數(shù),無(wú)量綱;Qi為第i個(gè)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值,無(wú)量綱;λi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,無(wú)量綱。

1.6 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定

經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)評(píng)價(jià)、加權(quán)求和分別得到設(shè)計(jì)難度、井筒失效、影響程度的風(fēng)險(xiǎn)值,進(jìn)而得到設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。將井筒失效風(fēng)險(xiǎn)值乘以風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)系數(shù)進(jìn)行修正后,與影響程度風(fēng)險(xiǎn)值構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)矩陣,見(jiàn)表8。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣,按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表9)確定評(píng)價(jià)井的井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以及處理要求。

表8 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

2.1 案例井井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潿洲12-1油田A井計(jì)劃由電泵井轉(zhuǎn)為雙油管注氣氣舉井,采用建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法開(kāi)展氣舉井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),得到設(shè)計(jì)難度、井筒失效、影響程度的評(píng)價(jià)結(jié)果,分別見(jiàn)表10—表12。

表10 設(shè)計(jì)難度各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值

表11 井筒失效各級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值

表12 影響程度各級(jí)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值

表10—表12數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加權(quán)求和得到設(shè)計(jì)難度的風(fēng)險(xiǎn)值為0.52,井筒失效的風(fēng)險(xiǎn)值為2.20,影響程度的風(fēng)險(xiǎn)值為4.24。根據(jù)圖4取設(shè)計(jì)失效概率占比3%,專(zhuān)家修正因子1,代入式(2)得到設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為1,進(jìn)而得到修正后的井筒失效風(fēng)險(xiǎn)值仍為2.20。根據(jù)表8、表9判斷潿洲12-1油田A井為Ⅱ類(lèi)井,需要根據(jù)油田最低合理可行原則采取預(yù)防和降低風(fēng)險(xiǎn)的控制措施。

2.2 案例井井筒完整性主要風(fēng)險(xiǎn)因素及對(duì)策

井筒完整性的設(shè)計(jì)難度、井筒失效、影響程度三大風(fēng)險(xiǎn)因素中,井筒失效因素是可以干預(yù)的。根據(jù)2.1小節(jié)案例井井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù),計(jì)算得到案例井井筒失效各指標(biāo)對(duì)井筒失效風(fēng)險(xiǎn)值2.20的貢獻(xiàn)值(圖5),貢獻(xiàn)值為0的指標(biāo)未列入圖中。

圖5 井筒失效各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值

由圖5可知,生產(chǎn)油管、生產(chǎn)套管、生產(chǎn)套管水泥環(huán)、注氣油管的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值比其他指標(biāo)高很多,由此判斷該井井筒失效的高風(fēng)險(xiǎn)因素即為油管、生產(chǎn)套管以及生產(chǎn)套管水泥環(huán)。究其原因是A井是一口生產(chǎn)了十幾年的老井,套管材質(zhì)為N80,工程測(cè)井資料顯示其水泥膠結(jié)情況較差,井下管柱已受到不同程度的腐蝕,且地層產(chǎn)出水Cl-含量高,計(jì)劃注入的氣源含CO2和H2S,該井轉(zhuǎn)氣舉后將處于強(qiáng)腐蝕環(huán)境中。因此,針對(duì)上述高風(fēng)險(xiǎn)因素,可通過(guò)合理設(shè)計(jì)氣舉注氣壓力,油套環(huán)空采用防腐工作液,更換油、套管柱并采用防腐材質(zhì),生產(chǎn)套管與技術(shù)套管之間的環(huán)空擠注水泥至井口等措施降低風(fēng)險(xiǎn),建議油田結(jié)合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)采取相應(yīng)措施。

3 結(jié) 論

(1)綜合Bow-Tie模型、肯特風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型以及風(fēng)險(xiǎn)矩陣建立了新的井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,結(jié)合雙油管氣舉井筒屏障單元,構(gòu)建了設(shè)計(jì)難度、井筒失效、影響程度三大評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從而確定了導(dǎo)致雙油管氣舉井筒完整性失效的35個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素,并制定了各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)基于新建的井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,經(jīng)對(duì)標(biāo)評(píng)價(jià)、加權(quán)求和實(shí)現(xiàn)了對(duì)潿洲12-1油田雙油管氣舉案例井井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià),明確了該井的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和主要風(fēng)險(xiǎn)因素,通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)原因分析,有針對(duì)性地給出了風(fēng)險(xiǎn)處理措施,能夠?yàn)樵摼D(zhuǎn)氣舉生產(chǎn)的井筒完整性現(xiàn)場(chǎng)管理提供參考。