含H2S氣井鉆井作業(yè)多因素模糊識(shí)別及定量計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法*

段永鴻

(中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)，北京 100723)

0　引言

含硫氣藏全球資源量巨大，據(jù)HIS的RIS21數(shù)據(jù)庫2004年6月統(tǒng)計(jì)，僅北美以外地區(qū)H2S含量大于10%的天然氣藏儲(chǔ)量就超過9.8×1012m3。目前全球已發(fā)現(xiàn)400多個(gè)具有工業(yè)價(jià)值的高含H2S和CO2氣田(藏)，主要分布在加拿大、美國、法國、德國、俄羅斯、中國和中東地區(qū)[1-3]。自上世紀(jì)60年代起，我國首次在川渝地區(qū)的嘉陵江組地層發(fā)現(xiàn)含H2S天然氣，目前我國含硫氣藏已展開大規(guī)模的勘探開發(fā)。在開發(fā)過程中，含硫氣井也不可避免地發(fā)生過井噴、井漏等事故，例如美國得克薩斯州近10年發(fā)生含硫氣井井噴28起，占井噴總數(shù)的12%[4-6]。我國含硫天然氣資源十分豐富，川東北H2S氣田群更是典型的高含硫、特高含硫天然氣田，在鉆井過程中也面臨著顯著的安全風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，高含硫氣田中H2S和CO2的劇毒性和強(qiáng)腐蝕性對(duì)管材、井下設(shè)備及井口裝置的性能提出了更高的要求，復(fù)雜的地層條件對(duì)工程設(shè)計(jì)的要求也更高，并且考慮到井場(chǎng)多位于居民區(qū)附近，一旦發(fā)生鉆井安全事故可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡乃至嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面影響。

目前國內(nèi)外對(duì)于鉆井過程中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究主要包括安全屏障模型、Bow-tie模型、風(fēng)險(xiǎn)矩陣、概率分析等，但這些方法只能夠?qū)︺@井過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性分析。例如，佟彤[7]基于安全屏障方法對(duì)鉆井作業(yè)進(jìn)行了研究；何龍[8]針對(duì)鉆井過程中的井涌、井漏、井塌及酸性氣體氣侵等方面進(jìn)行了完整性研究，分析了鉆井過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)因素；張智等[9]基于層次分析法對(duì)高含硫氣井的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了排序；傅盛林[10]通過研究地層壓力的不確定性問題，采用概率分析相關(guān)理論以風(fēng)險(xiǎn)概率為指標(biāo)建立了鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；部分學(xué)者[11-16]通過層次風(fēng)險(xiǎn)法對(duì)鉆井過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，取得了良好的效果。但是目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型未考慮含H2S氣井的特殊性，所得模型存在定性分析不夠全面、定量性差的缺點(diǎn)，因而并不適用于含H2S氣井。鑒于此，本文針對(duì)含H2S氣井的特殊性，將鉆井風(fēng)險(xiǎn)分為地質(zhì)力學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造、工程設(shè)計(jì)參數(shù)及腐蝕與H2S溢出對(duì)人員設(shè)備環(huán)境造成危害的安全作業(yè)因素4個(gè)方面，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣與風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重相結(jié)合的方法，將各個(gè)因素進(jìn)行模糊優(yōu)化，來定量分析鉆井風(fēng)險(xiǎn)，以得到含H2S氣井的鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素排序，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1　安全風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

1.1　風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

本文建立的總體評(píng)價(jià)模型包括地質(zhì)力學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造、工程設(shè)計(jì)參數(shù)，以及腐蝕與H2S溢出等對(duì)人員設(shè)備環(huán)境造成危害的安全作業(yè)因素共4個(gè)方面，評(píng)價(jià)模型主要風(fēng)險(xiǎn)因素見圖1。

圖1　鉆井安全總體風(fēng)險(xiǎn)因素Fig.1　General risk factors of drilling safety

地質(zhì)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為地層孔隙壓力當(dāng)量密度、地層坍塌壓力當(dāng)量密度、地層破裂壓力當(dāng)量密度、地層漏失壓力當(dāng)量密度、最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力，見圖2。

圖2　地質(zhì)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)Fig.2　Risk factors of geomechanics

地質(zhì)構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為是否為碳酸鹽巖地層、是否為異常壓力層、是否為鹽膏地層、是否有淺層氣、是否為裂縫溶洞性地層，見圖3。

圖3　地質(zhì)構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)Fig.3　Risk factors of geological structure

工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為鉆井液當(dāng)量密度、抽汲壓力系數(shù)、激動(dòng)壓力系數(shù)、壓差允值、溢流系數(shù)及地層壓裂安全增值等，見圖4。

圖4　工程設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)Fig. 4　Risk factors of engineering design

針對(duì)含H2S氣井的安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，重點(diǎn)考慮油套管腐蝕及H2S溢出對(duì)人員、裝備及環(huán)境的影響，對(duì)其原因進(jìn)行分析，得到影響鉆井安全作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)因素為管材抗腐蝕性能、H2S及CO2濃度、壓差允值、流速、防腐措施，見圖5。

圖5　腐蝕與H2S溢出等安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)Fig.5　Risk factors of corrosion or overflow for safety operations

1.2　風(fēng)險(xiǎn)因素模糊優(yōu)化

鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)因素層次劃分后，需要將不同風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度進(jìn)行模糊優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素從定性到定量的轉(zhuǎn)化。本文以地質(zhì)構(gòu)造為例，針對(duì)含硫地層的特點(diǎn)，著重考慮其對(duì)鉆井過程的影響，并將影響程度進(jìn)行模糊優(yōu)化，得到量化劃分值，具體量化見表1至表5[15-16]。

1)碳酸鹽巖

表1　碳酸鹽巖影響程度模糊優(yōu)化Table 1　Quantification of carbonate rock influence

2)異常壓力層

表2　異常壓力層影響程度模糊優(yōu)化Table 2　Quantification of abnormal pressure layer influence

3)鹽膏層

表3　鹽膏層影響程度模糊優(yōu)化Table 3　Quantification of salt gypsum layer influence

4)淺層氣

表4　淺層氣影響程度模糊優(yōu)化Table 4　Quantification of shallow gas influence

5)裂縫溶洞

表5　裂縫溶洞性地層影響程度模糊優(yōu)化Table 5　 Quantification of fracture and karst cave

1.3　風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)值確定

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造、工程設(shè)計(jì)參數(shù)，以及腐蝕與H2S溢出等因素的從屬關(guān)系，開展分級(jí)管理，確定風(fēng)險(xiǎn)層次，然后根據(jù)同一層次2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的重要性構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算出各個(gè)因素的權(quán)值。

首先，針對(duì)鉆井過程中安全風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分組，以形成不同的層次，見圖6。

圖6　層次分析法層次一般劃分方法Fig.6　AHP general level division method

其次，構(gòu)建判斷矩陣進(jìn)一步計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重。通過比較處于同一從屬關(guān)系下不同因素的重要性比值確定權(quán)重，通常采用“1-9”比例標(biāo)度進(jìn)行賦值，形成判斷矩陣，其中aij表示風(fēng)險(xiǎn)Ci和Cj的比例標(biāo)度。

構(gòu)建一致性判斷矩陣A有：

(1)

當(dāng)A符合一致性要求時(shí)，將其最大特征根λmax對(duì)應(yīng)的特征向量歸一化后記為權(quán)重向量，它表示判據(jù)中的權(quán)重。

為了保證判斷矩陣的合理性，通常要對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如果不滿足要求，需重新構(gòu)造判斷矩陣，以保證得到的權(quán)重具有一定的合理性。檢驗(yàn)一致性的準(zhǔn)則如下：

(2)

式中：CI為一致性判斷指標(biāo)；n為判斷矩陣的階數(shù)；λmax為判斷矩陣最大特征值。

在得出一致性指標(biāo)CI后，Saaty給出了不同階數(shù)所對(duì)應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，見表6。

表6　RI與判斷矩陣階數(shù)的關(guān)系Table 6　The relation of RI and matrix

(3)

式中：RI為常數(shù)，隨著n的變化而變化。

當(dāng)計(jì)算結(jié)果CR小于0.1時(shí)，則構(gòu)造的判斷舉證具有一定的合理性；若CR大于0.1，則構(gòu)造的判斷矩陣不具有一致性，需要重新構(gòu)建判斷矩陣。

2　綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

對(duì)于一口井，往往是多種風(fēng)險(xiǎn)因素共同影響井筒完整性，因此，不能僅僅對(duì)單個(gè)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)。在層次分析法確定各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)因素的等級(jí)量化值，可求得鉆井安全的綜合風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：RRi為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)量化值；ui為風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)值。

把鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)區(qū)間，如表7所示。

表7　風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間劃分Table 7　Classification of risk grade interval

根據(jù)鉆井安全的綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果可以得到鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)的量化等級(jí)。

3　實(shí)例應(yīng)用分析

利用本文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型開展含H2S，CO2氣井鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)如下。該井基本情況為：儲(chǔ)層埋深大于4 500 m、儲(chǔ)層壓力為86 MPa、儲(chǔ)層溫度為140℃，屬于高溫高壓氣藏，對(duì)油管柱、生產(chǎn)套管、井下工具和井口裝置的性能要求較高。天然氣中H2S含量為5.70～11.04 g/m3，CO2含量為28.87～48.83 g/m3，酸性氣體分壓高，井下管柱及采氣井口材質(zhì)防腐要求高，其井身結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7　井身結(jié)構(gòu)示意Fig.7　Sketch map of well structure

以鉆井安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，由專家對(duì)“地質(zhì)力學(xué)因素”、“地質(zhì)構(gòu)造因素”及“工程設(shè)計(jì)因素”的相對(duì)重要性程度進(jìn)行賦值后，建立判斷矩陣A1如下：

A1=(aij)4×4=

對(duì)判斷矩陣評(píng)定結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax1=4.029 7,n=4，查得RI=0.9，根據(jù)式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax1=(0.067 7,0.237 6,0.130 5,0.564 1)T

以地質(zhì)力學(xué)因素為目標(biāo)，采用層次分析法，由專家對(duì)各元素的相對(duì)重要性程度進(jìn)行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax2=6.306 7,n=6，查得RI=1.24，根據(jù)式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax2=(0.366 5,0.216 7,0.179 0,0.112 4，0.061 4，0.064 1)T

以地質(zhì)構(gòu)造因素為目標(biāo)，采用層次分析法，由專家對(duì)各元素的相對(duì)重要性程度進(jìn)行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax3=5.072 1,n=5，查得RI=1.12，根據(jù)式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax3=(0.263 6,0.477 3,0.053 1,0.098 9,0.107 2)T

以地質(zhì)力學(xué)因素為目標(biāo)，采用層次分析法，由專家對(duì)各元素的相對(duì)重要性程度進(jìn)行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax4=6.638 4,n=6，查得RI=1.24，根據(jù)式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax4=(0.442 3, 0.192 5, 0.143 7, 0.102 7, 0.048 0, 0.070 8)T

以安全作業(yè)因素為目標(biāo)，采用層次分析法，由專家對(duì)各元素的相對(duì)重要性程度進(jìn)行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax5=5.122 7,n=5，查得RI=1.12，根據(jù)式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax5=(0.263 6,0.477 3,0.053 1,0.098 9,0.107 2)T

按照上述方法得到所有風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)值，按照層次結(jié)構(gòu)對(duì)鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸一化處理，并使所有的風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重總和為“1”。根據(jù)鉆井資料得到各風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度量化值和權(quán)值，如表8所示。

表8　風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度量化值和權(quán)值Table 8　Quantification value and weight value of risk factors

可以得到鉆井安全的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

該井的鉆井安全綜合風(fēng)險(xiǎn)為3.39，可以看出該井在鉆井過程中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于較高風(fēng)險(xiǎn)，與實(shí)際情況相符。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行排序后，可以看出該井最大的風(fēng)險(xiǎn)因素為“H2S濃度、CO2濃度”，其次需要注意的風(fēng)險(xiǎn)因素為“管材抗腐蝕性能”。因此，在鉆井過程中需重點(diǎn)考慮腐蝕因素帶來的影響，做好預(yù)防措施；需選用耐H2S，CO2腐蝕的管材。

4　結(jié)論

1)基于模糊優(yōu)化與風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法建立了考慮地質(zhì)力學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造、工程設(shè)計(jì)及安全作業(yè)因素等多因素的含H2S氣井鉆井作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

2)通過對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行模糊處理，確定了鉆井作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)值、量化值及風(fēng)險(xiǎn)度的計(jì)算方法，建立了含H2S氣井的鉆井作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含H2S氣井鉆井過程中風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)評(píng)價(jià)及主要風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別。

3)將建立的鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于某井，進(jìn)行了實(shí)例分析。實(shí)例評(píng)價(jià)結(jié)果表明，對(duì)鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)影響最大的因素為“H2S濃度、CO2濃度”；同時(shí)，“管材抗腐蝕性能”、“異常壓力”2個(gè)影響因素也值得注意。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際鉆井情況相符，驗(yàn)證了本文建立的評(píng)價(jià)模型在鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的可行性。

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