油氣井井筒系統(tǒng)可靠性評價方法與應用*

何漢平

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

0　引言

油氣井尤其是高溫高壓含腐蝕性流體油氣井，其井筒安全可靠性越來越受到重視[1-3]。井筒安全可靠性主要依靠設置井筒結(jié)構(gòu)部件來保障，若要確定井筒系統(tǒng)的可靠性，需要對構(gòu)成井筒結(jié)構(gòu)部件的可靠性進行評價。依據(jù)井筒系統(tǒng)的可靠性評價結(jié)果，可采取針對性的工藝設計措施。目前，針對組成井筒的單一部件的可靠性研究較多，如深井套管安全可靠性研究[4-5]和井口裝置的可靠性研究[6-7]等，從受力、強度衰退等方面進行可靠性分析，但針對油氣井井筒整體系統(tǒng)的可靠性研究鮮有報道。本文基于可靠性分析原理[8]，局部結(jié)構(gòu)和整體系統(tǒng)分析相結(jié)合，通過分類分析典型油氣井井筒機械部件構(gòu)成及各部件的平均失效時間(MTBF)，從宏觀上開展井筒系統(tǒng)可靠性定量分析方法設計，建立了油氣井井筒系統(tǒng)可靠性框圖和井筒部件、系統(tǒng)可靠性定量分析數(shù)學模型；應用該分析方法對某油氣田單井進行井筒系統(tǒng)可靠性定量估評，預測油氣田單井在不同生產(chǎn)年限后的井筒系統(tǒng)可靠性，估評結(jié)果可為油氣井的井筒設計和生產(chǎn)監(jiān)控、維護措施制定及安全管理提供指導依據(jù)。

1　油井井井筒部件構(gòu)成分析

油氣井尤其是高溫高壓油氣井，其井筒結(jié)構(gòu)(本文研究只涉及生產(chǎn)管柱、井口裝置、采油氣樹及油套環(huán)空)相當于一個控制油氣流動的物理系統(tǒng)[9-10]。該系統(tǒng)由2個子系統(tǒng)構(gòu)成。子系統(tǒng)A保障油氣流體正常流出井筒，其機械組成部件主要包括生產(chǎn)封隔器、油管、滑套、伸縮短節(jié)、井下安全閥、采油氣樹本體和采油氣樹閘閥(見圖1)；子系統(tǒng)B保障井筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其機械組成部件主要包括生產(chǎn)套管、套管頭、套管掛及密封、采油四通、油管掛及密封(見圖1)。由子系統(tǒng)A和子系統(tǒng)B組共同組成一個可靠的井筒系統(tǒng)。按照可靠性定義的要素，上述機械部件需要在特定條件、時間內(nèi)完成特定功能。就油氣井來說，特定條件包括井筒環(huán)境與生產(chǎn)條件，如壓力、溫度、腐蝕性流體類別與含量、使用的工藝與設備、油氣產(chǎn)量等；特定時間指預期的油氣井井筒服役時間，一般以年為單位。隨著油氣井生產(chǎn)時間的增加，組成井筒的機械部件可靠性會呈下降趨勢；特定功能指組成井筒的機械部件必須發(fā)揮協(xié)同作用，保障油氣井安全、長效生產(chǎn)。

圖 1　典型油氣井井筒系統(tǒng)構(gòu)成示意Fig.1　Schematic diagram of wellbore system in typical oil and gas wells

上述機械部件的可靠性決定了油氣井井筒系統(tǒng)的可靠性，只要其中某一組成部件的可靠性發(fā)生變化，就會影響子系統(tǒng)和系統(tǒng)的可靠性。因此，需要定量評估各個機械部件的可靠性，進而確定系統(tǒng)可靠性，為油氣井井筒設計方案的制定提供依據(jù)。典型油氣井井筒系統(tǒng)各機械部件的可靠度代碼見表1。

表1　典型油氣井井筒系統(tǒng)機械部件可靠度代碼

2　井筒系統(tǒng)可靠性定量分析方法設計

井筒系統(tǒng)可靠性定量分析亦稱井筒系統(tǒng)可靠性預計[11]，即對井筒系統(tǒng)完成油氣生產(chǎn)的成功概率計算。井筒系統(tǒng)可靠性定量分析步驟如下：

1)建立井筒系統(tǒng)可靠性框圖；

2)預計井筒系統(tǒng)組成部件的故障率或平均失效時間(MTBF)；

3)確定部件服役時間；

4)依據(jù)可靠性框圖，計算不同服役時間下井筒系統(tǒng)可靠度。

2.1　井筒系統(tǒng)可靠性定量分析數(shù)學模型建立

基于可靠性框圖原理，結(jié)合上文分析，在子系統(tǒng)A和子系統(tǒng)B中，任何一種部件的故障都會導致子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)井口泄漏或油管與套管環(huán)空異常帶壓，帶來安全隱患，因此，采用串聯(lián)方式建立子系統(tǒng)A和子系統(tǒng)B可靠性框圖，見圖2和圖3。

井筒系統(tǒng)可靠性框圖如圖4所示。

圖2子系統(tǒng)A可靠性框圖

Fig. 2Subsystem A reliability block diagram

圖3子系統(tǒng)B可靠性框圖

Fig. 3Subsystem B reliability block diagram

圖4井筒系統(tǒng)可靠性框圖

Fig. 4Hole system reliability block diagram

在油氣井井筒屏障系統(tǒng)可靠性框架基礎上，基于串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計算公式(1)[11]建立井筒子系統(tǒng)1、子系統(tǒng)2和系統(tǒng)可靠性定量分析數(shù)學模型，分別見公式(2)、公式(3)和公式(4)：

(1)

式中：Rs(t)為系統(tǒng)可靠度，無量綱，數(shù)值范圍0～1；R(t)為部件可靠度，無量綱，數(shù)值范圍0～1；n為組成系統(tǒng)的部件數(shù)，個。

RSA(t)=R1(t)×R2(t)×R3(t)×R4(t)×R5(t)×R6(t)×R7(t)×R8(t)

(2)

RSB(t)=R9(t)×R10(t)×R11(t)×R12(t)×R13(t)

(3)

RS(t)=RSA(t)×RSB(t)=R1(t)×R2(t)×R3(t)×R4(t)×R5(t)×R6(t)×R7(t)×R8(t)×R9(t)×R10(t)×R11(t)×R12(t)×R13(t)

(4)

式中：RSA(t)為子系統(tǒng)A可靠度，無量綱，數(shù)值范圍0～1；RSB(t)為子系統(tǒng)B可靠度，無量綱，數(shù)值范圍0～1；R1(t)～R13(t)分別代表各部件的可靠度，見表1。

2.2　井筒部件可靠性定量分析數(shù)學模型建立

井筒部件可靠性定量分析參數(shù)包括部件故障率和服役時間，其中，部件故障率數(shù)據(jù)通常缺乏。在此情況下，可以采用評分預計法來確定故障率。評分預計法原理是用1個已知故障率的部件為基準，通過經(jīng)驗豐富設計人員或?qū)＜覍τ绊懝收下实囊蛩剡M行評分，推算其他部件故障率。應用這種方法時，時間因素一般應以井筒系統(tǒng)工作時間為基準。

基于可靠性定量計算模型[11]和評分預計方法，得出組成井筒的部件可靠性定量計算公式如下：

(5)

式中：R(t)為部件的可靠度值，無量綱，數(shù)值范圍0～1；λ為已知某部件的故障率, 1/h，為平均失效時間(MTBF)的倒數(shù)；wi為某部件的評分數(shù)；w為已知某部件的評分數(shù)；t為部件服役時間，h；C 為修正系數(shù)，與部件來源有關(guān)。

wi計算公式如下：

wi=j1·j2·j3·j4

(6)

式中：j1為復雜度；j2為技術(shù)水平；j3為服役時間；j4為服役環(huán)境。

上式中的評分因素打分原則如下：

1)復雜程度。根據(jù)組成部件的元部件數(shù)及安裝難易程度，最簡單為1分，最復雜為10分。

2)技術(shù)水平。根據(jù)部件技術(shù)狀況，技術(shù)非常成熟為1分，技術(shù)非常不成熟為10分。

3)工作時間。井筒系統(tǒng)工作時部件同時工作給10分，工作時間最短給1分。

4)環(huán)境條件。根據(jù)部件服役環(huán)境，會經(jīng)受極其惡劣環(huán)境條件給10分，環(huán)境條件最好給1分。

3　應用與分析

Y油田為中國大型海外油田開發(fā)投資項目。該油田主力產(chǎn)層F油層具有埋藏深(埋深4 500～5 000 m)、地層壓力高(壓力系數(shù)高達1.6)、單井產(chǎn)量高(700～1 000 t/d)、產(chǎn)出流體高含硫化氫和二氧化碳等特點[12-13]。由于該油田處于環(huán)境較為惡劣區(qū)域，為了保障該油田的長效、高效和安全開發(fā)，盡快獲得投資收益，對油井井筒結(jié)構(gòu)的設計和可靠性提出了較高的要求。要求油井投產(chǎn)后盡可能在較長時間內(nèi)安全生產(chǎn)，盡量做到不修井或少修井, 因此，在設計時需要進行可靠性評估，以便指導井筒系統(tǒng)的工藝設計。

按照上述方法，對該油田油井井筒系統(tǒng)設計進行了可靠性評價。該井筒系統(tǒng)的機械構(gòu)成部件包括子系統(tǒng)A中的生產(chǎn)封隔器、油管、滑套、伸縮短節(jié)、井下安全閥、注入閥、采氣樹本體、閘閥和子系統(tǒng)B中的生產(chǎn)套管、套管頭、套管掛及密封件、采油四通、油管掛及密封件。根據(jù)文獻和完井失效統(tǒng)計等相關(guān)資料[14-15]，確定目前國際上較為認可的MTBF取值，見表2。

表2　主要部件MTBF取值

采氣樹本體及閘閥、套管頭、套管掛及密封、采油四通、油管掛及密封均作井口裝置處理。滑套、注入閥的MTBF值基于井下安全閥的MTBF采用評分預計法確定。生產(chǎn)封隔器和伸縮短節(jié)都涉及到密封橡膠件，伸縮短節(jié)的MTBF值采用生產(chǎn)封隔器的MTBF值。

基于常規(guī)設計進行了設計可靠性評價，計算結(jié)果見表3。從表3可以看出，如果采用常規(guī)井筒部件設計，即不采用耐高壓、耐高溫、防腐工藝設計，在油井產(chǎn)出原油含水的情況下，投產(chǎn)第5年后井筒系統(tǒng)可靠度為0.547 0，即會有45.30%左右的井會出現(xiàn)井筒故障；投產(chǎn)第10年后井筒系統(tǒng)可靠度只有0.299 2，即會有將近70%的井會出現(xiàn)井筒系統(tǒng)故障而需要修井作業(yè)。

表3　常規(guī)設計條件下服役5年、10年可靠度計算參數(shù)與結(jié)果

針對上述計算結(jié)果，為了達到滿足油井投產(chǎn)后盡可能在較長時間內(nèi)安全生產(chǎn)、不修井或少修井要求，必須通過非常規(guī)設計即采用提高部件的性能要求和采取技術(shù)措施，提高井筒機械部件的可靠度，進而提高井筒系統(tǒng)的可靠度。由于子系統(tǒng)A中各部件直接和產(chǎn)出流體接觸，材質(zhì)選擇直接關(guān)系到油井的安全與壽命；因此，根據(jù)油田特征，提出了針對性的工藝設計：子系統(tǒng)A中，采用復合防腐設計，在油管上安裝緩蝕劑注入閥，緩蝕劑注入閥以上油管采用中低碳含量和中等強度的L80-1管材；緩蝕劑注入閥之下部件(包括緩蝕劑注入閥)采用N08535材質(zhì)；緩蝕劑采用連續(xù)注入方式；采油樹本體和閘閥性能要求級別為PR2，采油樹壓力級別68.947 57 MPa(10 000 psi)、材料等級HH級，溫度級別為U級；井下功能部件如滑套、封隔器等采用耐腐蝕合金材質(zhì)。子系統(tǒng)B中，油管四通和油管掛性能要求級別為PR2，壓力級別68.947 57 MPa(10 000 psi)、材料等級HH級，溫度級別為U級；封隔器以上油套環(huán)空注滿保護液。

采取上述措施后的可靠度計算結(jié)果見表4。從表4中可以看出，采用耐高壓、耐高溫、防腐工藝的井筒部件設計，即使在油井產(chǎn)出原油含水的情況下，投產(chǎn)第5年后井筒系統(tǒng)可靠度為0.891 5，即預計只有10% 左右的井會出現(xiàn)井筒故障；投產(chǎn)第10年后井筒系統(tǒng)可靠度為0.794 8，即有20%左右的井會出現(xiàn)井筒故障。從圖5可以看出，采取措施后，投產(chǎn)第10年井筒系統(tǒng)可靠度從常規(guī)設計的0.299 2提高到0.794 8，提高幅度達到165.64%。井筒系統(tǒng)可靠度的提高延長了油井的安全生產(chǎn)期，可以減少修井作業(yè)，保障了較長時間內(nèi)的穩(wěn)定收益。另外，去掉一潛在薄弱點的井下部件伸縮短節(jié)后，投產(chǎn)第10年后井筒系統(tǒng)可靠度可以提高1.2%，見圖5。

表4　采取措施情況下服役5年、10年可靠度計算參數(shù)與結(jié)果

圖5　采取措施前后井筒系統(tǒng)可靠度隨服役時間的變化曲線Fig. 5　Variation curve of wellbore system reliability with service time before and after taking measures

目前，該油田在完井方案中采用措施工藝后在現(xiàn)場實施50口井。從將近2 a的實施情況來看，除一口井出現(xiàn)A環(huán)空異常帶壓外，其余井生產(chǎn)正常，與預計情況相符(預計生產(chǎn)2 a后的井筒系統(tǒng)可靠度為0.955 1，即48口油井的生產(chǎn)運行正常)。

通過上述實例應用分析表明，可采用以下方法來提高井筒系統(tǒng)的可靠性：

1)提高工藝與設計規(guī)范，提升關(guān)鍵部件的可靠性能，如油管、套管、封隔器等。

2)在成本有限的情況下，盡量減少井筒構(gòu)成部件，可以提高井筒系統(tǒng)的可靠性。因此，井筒系統(tǒng)設計功能不應大而全，因盡量簡化設計。

3)系統(tǒng)A可靠度要低于系統(tǒng)B的可靠度，因此，應強化系統(tǒng)A的技術(shù)與規(guī)范要求。

4)在投入有限的情況下，縮短工作時間，可以提高系統(tǒng)的可靠性。

3　結(jié)論

1)通過分類分析典型油氣井井筒機械部件構(gòu)成及各部件的平均失效時間，基于可靠性分析原理，局部結(jié)構(gòu)和整體系統(tǒng)分析相結(jié)合，提出了井筒系統(tǒng)可靠性定量分析方法，建立了油氣井井筒系統(tǒng)可靠性框架和可靠性定量分析模型，用以預測油氣井在不同生產(chǎn)年限后的井筒系統(tǒng)可靠性。

2)利用提出的新方法，評估了某油田在不同工藝設計下井筒可靠度，評估結(jié)果表明：如果采用常規(guī)工藝設計，井筒系統(tǒng)可靠度在投產(chǎn)10 a后為29.92%；如果采用針對性的措施工藝設計，井筒系統(tǒng)可靠度在投產(chǎn)10 a后為79.48%，提高了165.64%。評估結(jié)果已用于Y油田井筒系統(tǒng)設計和現(xiàn)場實施。從實施情況來看，與預計情況相符。

3)該方法對油氣井井筒系統(tǒng)可靠度評估、工藝設計、生產(chǎn)監(jiān)控和維護措施制定具有指導意義。

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