基于FTA-AHP法的儲(chǔ)氣庫封堵井氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

任 壘，陳元強(qiáng)，雷俊杰，黃 玲

(1.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南濮陽 457001 2.中國石化中原油田分公司采油三廠，河南濮陽 457001)

1 前言

為了彌補(bǔ)區(qū)域天然氣季節(jié)性缺口，我國自2007年起全面加快了地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)進(jìn)程，其中，利用枯竭油氣藏改建地下儲(chǔ)氣庫是目前的主要趨勢(shì)。相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，由封堵井引發(fā)的氣體泄漏是該類儲(chǔ)氣庫的主要事故類型之一。因此，封堵井的安全與否直接關(guān)系到整個(gè)儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行安全。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)外針對(duì)儲(chǔ)氣庫井的完整性研究主要集中在注采井，封堵井因受井內(nèi)灰塞的限制，無法像注采井一樣通過下入監(jiān)測(cè)工具測(cè)試獲得井筒及儲(chǔ)體的相關(guān)信息，故針對(duì)封堵井的完整性評(píng)價(jià)難度較大。目前，基于風(fēng)險(xiǎn)分析的封堵井完整性評(píng)價(jià)是一種相對(duì)成型技術(shù)手段，部分石油公司、科研人員在該領(lǐng)域已取得了一定的研究進(jìn)展，如OXAND和Schlumberger提出的P&R法(Performance and Risk management)即在井?dāng)?shù)據(jù)搜集、分析的基礎(chǔ)上利用SIMEOTMStor平臺(tái)模擬封堵井氣體泄漏事件的發(fā)展過程并采用風(fēng)險(xiǎn)圖對(duì)封堵井泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定[1,2]；加拿大C-FER Technologies公司采用故障樹法(Fault Tree Analysis)建立了封堵井完整性失效模型并提出了失效風(fēng)險(xiǎn)和平均失效時(shí)間的計(jì)算公式[3]；Bert Metz等人[4]建立了一種特征(Features)、事件(Events)和過程(Processes)(簡(jiǎn)稱FEP)方法的泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，通過構(gòu)建FEP數(shù)據(jù)庫，為潛在的風(fēng)險(xiǎn)提供相應(yīng)的處置對(duì)策。此外，一些國內(nèi)學(xué)者也提出了基于AHP法(Analytical Hierarchy Process)、模糊數(shù)學(xué)等理論的風(fēng)險(xiǎn)綜合分析方法，如李琦等人[5]提出的CO2RISKEYE方法由修正后的Oldenburg篩選排序法、Bachu現(xiàn)場(chǎng)篩選法和層次分析法構(gòu)成，用于不同階段的CO2地質(zhì)埋存風(fēng)險(xiǎn)分析。

但需指出的是，以上研究對(duì)象均為常規(guī)油氣田封堵井或用于CO2地質(zhì)封存的封堵井，與儲(chǔ)氣庫封堵井相比在井筒所處地下環(huán)境、泄漏氣體組分及泄漏產(chǎn)生機(jī)理等方面均存在較大差異。

近年來，國內(nèi)也相繼出臺(tái)了相關(guān)的法規(guī)和監(jiān)管體系以完善廢棄井管理，如中國石化發(fā)布的Q/SH 0653-2015《廢棄井封井處置規(guī)范》中對(duì)廢棄井進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分類劃分[6]，但上述均為定性風(fēng)險(xiǎn)分析，可供借鑒的儲(chǔ)氣庫封堵井風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)案例鮮有報(bào)道。在此背景下，本文以W儲(chǔ)氣庫為例，分別采用故障樹法和層次分析法(Analytic Hierarchy Process)實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)氣庫封堵井的泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別和井控風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)，在確定封堵井泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的基礎(chǔ)上，完善了相應(yīng)的日常管理制度，以保障儲(chǔ)氣庫的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2 封堵井氣體泄漏途徑

W儲(chǔ)氣庫庫區(qū)范圍內(nèi)共有44口廢棄井，為了防止地層氣體沿井筒和管外發(fā)生竄漏，廢棄井封井時(shí)均采用了“地層+管外+井筒”的多級(jí)封堵模式，即對(duì)產(chǎn)層段擠注特殊堵劑封層；對(duì)管外固井質(zhì)量差的井段鍛銑套管或射孔后實(shí)施二次固井；對(duì)井筒注連續(xù)灰塞并上覆防腐重泥漿至井口。

盡管在封井過程中已對(duì)產(chǎn)層段實(shí)施了擠堵、對(duì)套管問題或固井質(zhì)量差的井段實(shí)施了修套或二次固井等一系列措施且作業(yè)后試壓結(jié)果均達(dá)到了施工要求，但考慮到封堵井井筒所處的環(huán)境較為復(fù)雜，如當(dāng)臨近的注采井大范圍強(qiáng)注強(qiáng)采時(shí)，封堵井水泥環(huán)在交變載荷和溫壓交替等因素的作用下可能出現(xiàn)接觸面膠結(jié)失效或在其內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，從而引發(fā)地層氣體泄漏[7]。結(jié)合目前封堵井的井筒工況，地層氣體潛在的泄漏通道主要包括以下3條路徑(圖1)。

圖1 地層氣體泄漏通道示意

2.1 通過水泥環(huán)泄漏

目前，針對(duì)水泥環(huán)泄漏機(jī)理的研究已較為成熟，水泥環(huán)引發(fā)的氣體泄漏可進(jìn)一步細(xì)分至以下3種方式：經(jīng)圍巖和水泥環(huán)界面的微間隙①；經(jīng)套管和水泥環(huán)界面的微間隙②；經(jīng)水泥環(huán)本體內(nèi)微裂縫③。

2.2 通過灰塞泄漏

灰塞泄漏機(jī)理與水泥環(huán)泄漏機(jī)理類似，同樣存在經(jīng)接觸界面微間隙④和灰塞本體內(nèi)裂縫⑤兩條途徑。

2.3 通過套管泄漏

由于封堵井服役時(shí)間久，套管狀況復(fù)雜，同時(shí)可能遭受電化學(xué)腐蝕，非均衡應(yīng)力等方面的影響，破壞套管的密封性，引發(fā)地層氣體經(jīng)套管漏點(diǎn)散逸⑥。

3 封堵井氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)主控因素識(shí)別

根據(jù)上述的3類氣體泄漏途徑可以看出水泥環(huán)密封失效、灰塞封堵失效及套管柱失效是導(dǎo)致地層氣體泄漏的主要原因。為此，本文將地層氣體泄漏至井筒作為頂事件(T)，將經(jīng)水泥環(huán)泄漏(M1)、經(jīng)灰塞泄漏(M2)及經(jīng)套管柱泄漏(M3)作為中間事件，通過建立封堵井泄漏故障樹模型[8,9]，得到了導(dǎo)致頂事件發(fā)生的10個(gè)基本事件，分別為：臨井注采氣活動(dòng)X1；鹽巖蠕動(dòng)X2；高壓注水X3；地震X4；擠堵施工X5；氣層堵劑性能X6；水泥漿性能X7；注灰施工X8；套管腐蝕X9，螺紋失效X10，見圖2。

圖2 封堵井地層氣體泄漏事故故障樹模型

由于在封井施工前，開展了系統(tǒng)的氣層堵劑、水泥漿性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，因此可以認(rèn)為此次封井施工使用的氣層堵劑、水泥漿指標(biāo)均符合施工要求，進(jìn)而篩選得到封堵井地層氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的8項(xiàng)主控因素：X1、X2、X3、X4、X5、X8、X9、X10。

4 封堵井泄漏風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)

4.1 主控因素權(quán)重計(jì)算

為了更加客觀地判定各主控因素對(duì)地層氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，首先依據(jù)8項(xiàng)主控因素的自身特點(diǎn)將其歸納為工程風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、井筒風(fēng)險(xiǎn)和自然風(fēng)險(xiǎn)4類，在此基礎(chǔ)上，建立了如圖3所示的層次結(jié)構(gòu)模型。

圖3 層次結(jié)構(gòu)模型

邀請(qǐng)8位儲(chǔ)氣庫建設(shè)領(lǐng)域?qū)＜也捎?～9數(shù)量標(biāo)度對(duì)各項(xiàng)主控因素進(jìn)行兩兩比較后構(gòu)建了判斷矩陣，并運(yùn)用AHP法計(jì)算獲得各層要素相對(duì)上層要素的相對(duì)概率值，通過將同類要素的概率值算術(shù)平均，最終得到反映專家群體意見的綜合權(quán)重，結(jié)果如表1所示。

表1 各層要素權(quán)重計(jì)算結(jié)果

通過復(fù)合求解法[10]得出地層氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)主控因素相對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重分布，見圖4。

圖4 各主控因素權(quán)重分布

4.2 主控因素考核指標(biāo)篩選

考慮到部分主控因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，為了簡(jiǎn)化分析，通過橫向比較后優(yōu)選出最佳指標(biāo)用于主控因素量化考核，具體如下。

4.2.1注采氣活動(dòng)

注采氣活動(dòng)對(duì)封堵井的影響主要體現(xiàn)在注氣壓力和井距兩個(gè)方面，考慮到W儲(chǔ)氣庫目前仍處于墊底氣注入階段且注氣時(shí)各注氣井井口壓力基本一致，因此，選取井距作為注采氣活動(dòng)的考核指標(biāo)。

4.2.2高壓注水

W儲(chǔ)氣庫儲(chǔ)氣層位上部發(fā)育一套油層，目前主要通過水驅(qū)方式采油，注水壓力約30 MPa，參考注采氣活動(dòng)指標(biāo)篩選方法，選取注水井與封堵井井距作為該項(xiàng)考核指標(biāo)。

4.2.3擠堵施工

W儲(chǔ)氣庫擠堵施工時(shí)采用的低壓擠注法，即控制擠注壓力低于地層破裂壓力，以避免擠堵過程中壓開地層形成新的裂縫。若堵劑實(shí)際用量與設(shè)計(jì)用量存在較大偏差，很大程度上反映出堵劑未對(duì)炮眼孔道或人工裂縫深部實(shí)現(xiàn)有效封堵，因此，選取堵劑用量作為該項(xiàng)考核指標(biāo)。

4.2.4注灰施工

灰塞跨度是衡量井筒封堵可靠與否的重要參數(shù)，故選其作為注灰施工的考核指標(biāo)。

4.2.5鹽巖蠕動(dòng)

鹽膏層蠕動(dòng)是造成水泥環(huán)及套管擠毀事故的主要原因。通常認(rèn)為鹽膏層越厚，其對(duì)水泥環(huán)或套管的潛在危害越大，故選取封堵井鉆遇的鹽層厚度作為考核指標(biāo)。

4.2.6井筒腐蝕

研究表明，套管腐蝕能夠?qū)е戮植繎?yīng)力集中，特別是在非均衡應(yīng)力的作用下，可能造成套管裂紋損壞或刺漏等。選取腐蝕速率作為考核指標(biāo)，參考NACE的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)和評(píng)分。

4.2.7螺紋失效

W儲(chǔ)氣庫封堵井普遍服役年限時(shí)間久，套管接箍螺紋隨時(shí)間推移可能出現(xiàn)螺紋失效，破壞套管的密封性。

4.2.8地震

通常而言，6級(jí)以下地震對(duì)套管柱及水泥環(huán)完整性影響不大，W儲(chǔ)氣庫所屬地區(qū)地震峰值加速度介于0.15～0.2 g，抗震設(shè)防烈度為7度，該地區(qū)近30年發(fā)生的地震均小于4級(jí)，因此認(rèn)為受地震影響較小。

各主控因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)取值見表2。

表2 主控因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)取值

4.3 泄漏風(fēng)險(xiǎn)算例分析

結(jié)合W儲(chǔ)氣庫44口封堵井實(shí)際情況，根據(jù)表2的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各單井主控因素進(jìn)行量化打分，并按下式計(jì)算得到各單井的最終泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值。

S=P1·Q1+Pi·Qi+…+Pn·Qn

(1)

式中：S——泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)最終得分；

Pi——第i項(xiàng)主控因素對(duì)于泄漏風(fēng)險(xiǎn)的概率值；

Qi——第i項(xiàng)主控因素量化考核得分；

n——參與計(jì)算的主控因素個(gè)數(shù)，n=7。

計(jì)算結(jié)果顯示：44口封堵井中，泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分值大于0.8的封堵井?dāng)?shù)為5口，處于該水平的封堵井安全等級(jí)相對(duì)較高，泄漏風(fēng)險(xiǎn)最低；分值介于0.6～0.8的封堵井?dāng)?shù)為26口，該類井安全等級(jí)處于中等水平；安全等級(jí)較低即評(píng)價(jià)分值小于0.6的封堵井?dāng)?shù)為13口，該類井普遍服役年限久，且與注采井井距較小，泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)較高。

5 日常管理制度優(yōu)化

結(jié)合封堵井泄漏風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)于安全等級(jí)較高的井，可以適當(dāng)延長巡檢時(shí)間間隔；對(duì)于安全等級(jí)較低的氣井，當(dāng)臨井有注采氣或注水活動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)加大巡檢頻次，密切關(guān)注井口壓力變化，對(duì)于異常井況問題(如起壓或滲漏等)應(yīng)做好相關(guān)記錄并及時(shí)通知封堵井所屬場(chǎng)站管理人員。

6 結(jié)論

本文通過采用FTA和AHP法分別實(shí)現(xiàn)了W儲(chǔ)氣庫封堵井泄漏風(fēng)險(xiǎn)主控因素識(shí)別和量化考核評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，地層氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)受注采氣活動(dòng)影響最為明顯，受地震影響最弱；44口封堵井中泄漏風(fēng)險(xiǎn)較高的井?dāng)?shù)為13口，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該類井的日常管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并合理處置異常井況問題，確保儲(chǔ)氣庫運(yùn)行安全。

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