基于權(quán)重分析法的海洋棄置井井筒完整性評價方法建立

周松民， 李軍偉， 李 瑾， 李 軍， 連 威

(1中海油田服務(wù)股份有限公司 2中石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司 3中國石油大學(xué)·北京)

我國海上油氣井生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計壽命為20～50年，隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，已有部分油氣井已經(jīng)進入了生產(chǎn)末期亟待棄置[1]，相比于陸上油氣井的棄置作業(yè)，海上油氣井面臨的問題則復(fù)雜的多。油氣井開發(fā)生命周期可以分為鉆完井、開發(fā)、棄置3個階段，根據(jù)挪威石油標準化組織對井筒完整性概念的定義[2]：“在一口井的生命周期中，運用技術(shù)、生產(chǎn)和管理手段降低地層流體失控的風(fēng)險”，油氣井的井筒完整性要求油氣井在整個生命周期內(nèi)都處于可控狀態(tài)。油氣井的井筒完整性狀態(tài)對油氣井的經(jīng)濟價值和安全環(huán)保具有重要影響，在油氣井開發(fā)過程中出現(xiàn)環(huán)空帶壓、套管變形等問題時，不僅使修井作業(yè)、測試作業(yè)以及增產(chǎn)措施不能順利實施，更會對油氣井的生產(chǎn)周期和安全開釆構(gòu)成威脅。若環(huán)空竄流無法控制，可能會誘發(fā)井噴導(dǎo)致全井報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失[3]。油氣井在棄置過程中或棄置后出現(xiàn)井筒完整性問題時，一是顯著增加作業(yè)成本，根據(jù)M Khalifeh等的調(diào)研[4]，井筒棄置的費用可以占到鉆井費用的25%以上，當(dāng)井筒完整性被定義為危險時，棄置預(yù)算會進一步增加；二是封隔失效后修復(fù)困難，尤其對海洋棄置井，海洋采油平臺以及海下采油樹在棄置過程中被移除，且井口會填埋一定厚度的水泥，如果棄置后出現(xiàn)油氣水竄、井口漏油冒泡等問題，再次修復(fù)困難且風(fēng)險高。因此，有必要對海洋油氣井在棄置作業(yè)前進行井筒完整性評估，根據(jù)井筒的實際情況對井筒的完整性進行分級，從而制定不同的棄置方案和應(yīng)急措施。

一、海洋棄置井井筒完整性影響因素

在海洋油氣井的整個開發(fā)周期過程中，受工程因素以及井下條件的影響，井口采油樹、套管、水泥環(huán)和封隔器往往存在完整性的風(fēng)險。如井下流體中含有的硫化氫、二氧化碳溶解物會對套管、水泥環(huán)和封隔器進行腐蝕[5]，熱采過程中井底高溫蒸汽使套管發(fā)生塑性變形甚至脫扣[6]，注水過程中誘發(fā)泥巖膨脹/地層滑移導(dǎo)致套管變形[7]，試井或修井過程中由于井筒壓力波動導(dǎo)致固井膠結(jié)面失效[8]，采油樹在海水腐蝕作用下導(dǎo)致其密封失效[9]、耐壓等級降低等。影響海洋油氣井完整性的因素及機理如表1所示。

表1 影響海洋油氣井井筒完整性的常見因素

二、權(quán)重分析

1.層次結(jié)構(gòu)

所謂層次分析法[10]，是將與計算目標相關(guān)的元素分解為不同層級，上級與下級為從屬關(guān)系，將表1中影響各影響因素進行分級，可得到如圖1所示的層級關(guān)系圖，層次結(jié)構(gòu)總共分為3層，分別為目標層、準則層和方案層。

圖1 海洋油氣井評價單元層次結(jié)構(gòu)

最高層為目標層，即完整性評價；中間層為各影響因素歸屬層，最下層為影響因素層，即影響海洋棄置井的各個影響因素。

2.風(fēng)險矩陣

風(fēng)險矩陣評價方法[11]指的是在對某一事件存在的危害做分析處理時，主要考慮風(fēng)險定義的兩個方面：一是待評價事件某種風(fēng)險的可能性；二是待評價事件發(fā)生后其后果的嚴重性。風(fēng)險矩陣方法將事件發(fā)生的風(fēng)險破壞進行風(fēng)險評級，形成一個用以表征其風(fēng)險性的矩陣，使用數(shù)值定性表示待評價事件破壞的風(fēng)險。

一般地，在完整性評價過程中需邀請多位現(xiàn)場技術(shù)專家對待評價區(qū)塊潛在的風(fēng)險因素進行確定和分析，評價的依據(jù)為鉆井井史、生產(chǎn)報告、修井報告、棄置前測井報告等資料?？紤]到不同專家對同一區(qū)塊準則層熟悉程度不同，需對各專家的評分進行綜合評價，評價公式如式(1)：

(1)

式中：di—第i個指標的綜合評分值，分別為井口裝置、井筒、管柱、其它；dir—第r位成員對該指標的打分；i=1,2,…,n。

進一步可以得到準則層指標重要性風(fēng)險矩陣A：

(2)

式中：dij—第i個對第j個影響因素的相對權(quán)重，dij=di/dj。

在求取風(fēng)險矩陣A的基礎(chǔ)上，有必要分析風(fēng)險矩陣A的特征值，其歸一化特征值的大小即為準則層各影響因素對目標層的相對權(quán)重[12]。

同樣地，在現(xiàn)場技術(shù)人員對各準則層具體影響因素評分的基礎(chǔ)上，可以得到不同具體影響因素相對于準則層的歸一化權(quán)重，與井口裝置相關(guān)的完整性因素有采油樹密封和采油樹性能，則與井口相關(guān)的方案層的風(fēng)險矩陣為二階對稱矩陣，其歸一化特征值為采油樹密封和采油樹性能相對于井口裝置完整性的歸一化權(quán)重。同理，與井筒相關(guān)的完整性因素有六類，構(gòu)成六階對稱矩陣。與管柱相關(guān)的完整性因素共有四類，構(gòu)成四階對稱矩陣。與其它相關(guān)的完整性因素有三類，構(gòu)成三階對稱矩陣。求取以上矩陣的特征向量，并對特征向量進行歸一化，即可得到不同準則層下不同具體影響因素的權(quán)重。

三、井筒完整性綜合評估

確定了影響海洋棄置井15個風(fēng)險因素的權(quán)重后，就能結(jié)合每個影響因素對應(yīng)的風(fēng)險等級，最終獲得全井完整性的風(fēng)險等級。其計算公式如下：

(3)

(4)

式中：Zh、Zc—為準則層和方案層各因素對應(yīng)的權(quán)重；Rh、Rc—為準則層和方案層各對稱矩陣對應(yīng)的歸一化特征向量；Wh、Wc—為準則層和方案層對應(yīng)的評分。

經(jīng)過層次分析得到不同影響因素的從屬關(guān)系后，即可評估各影響因素發(fā)生后其后果的嚴重程度，可分為嚴重、中度、微小、可忽略4個等級，最終可根據(jù)實際情況調(diào)整棄置方案以降低油氣井棄置過程中的風(fēng)險。棄置井完整性風(fēng)險分類表如表2所示，表中評分越高，說明與井筒完整性相關(guān)的各個因素的評價越高，圖1中方案層的完整性越好。

四、案例分析

1.方法應(yīng)用

渤海灣某海洋平臺受油氣井壽命以及環(huán)保要求的影響，需要進行棄置，此平臺共有5口生產(chǎn)井，其中3口油套同壓，2口技術(shù)套管帶壓，且?guī)壕协h(huán)空存在少量可燃性氣體，井下情況不明，后續(xù)處理復(fù)雜，導(dǎo)致棄置之前井筒完整性評價困難。本文基于棄置前測井曲線以及生產(chǎn)資料，綜合現(xiàn)場多位工作人員的綜合經(jīng)驗，利用層次分析法對此平臺的一口生產(chǎn)井進行完整性評價。

表2 棄置井完整性分類表

現(xiàn)場工作人員對井口裝置、井筒、管柱、其它的評分分別為12、38、24、26，對應(yīng)準則層的風(fēng)險矩陣為：

風(fēng)險矩陣A的特征向量為：(0.23、0.71、0.45、0.49)T，歸一化特征向量為：(0.12、0.38、0.24、0.26)T，即井口裝置、井筒、管柱和其它因素對井筒完整性的影響權(quán)重分別為0.12、0.38、0.24、0.26。

同理，在此基礎(chǔ)上需要對各種具體影響因素進行細分，井口裝置包含采油樹密封和采油樹性能，歸一化特征向量為：(0.76、0.24)T。井筒包含套管絲扣性能、套管設(shè)計強度、套管剩余強度、套管偏心、固井膠結(jié)面完整性、固井水泥環(huán)完整性，歸一化特征向量為：(0.13、0.11、0.18、0.07、0.34、0.17)T。管柱包括油管絲扣性能、油管設(shè)計強度、油管剩余強度、封隔器性能，歸一化特征向量為：(0.36、0.17、0.28、0.19)T。其他因素包括井下安全閥性能、環(huán)空帶壓、環(huán)空有毒或易燃氣體，歸一化權(quán)重為：(0.14、0.47、0.39)T。

最終可以得到完整性風(fēng)險權(quán)重表，現(xiàn)場工作人員利用此表對各種影響因素進行評分，且評分小于或等于表格中提供的權(quán)重，最終對所有影響因素的評分進行累加，即可得到目標井的完整性評分(表3)。

現(xiàn)場技術(shù)人員通過對此平臺井筒完整性相關(guān)元素進行評分，得到其中一口待棄置的評分為66分，評分較低主要原因為此井套管和水泥環(huán)腐蝕較為嚴重，油套管環(huán)空帶壓長期高于10 MPa，且環(huán)空中含有一氧化碳和甲烷氣體，對井筒完整性的評價具有顯著影響。

表3 風(fēng)險定量評價表

2.風(fēng)險消減措施

考慮到此井套管和水泥環(huán)腐蝕較為嚴重，環(huán)空帶壓且含有危險氣體，井筒完整性評級較低，后續(xù)作業(yè)過程中需要采取相應(yīng)的技術(shù)手段降低棄置過程中的作業(yè)風(fēng)險同時保證油氣井在棄置后的完整性[13]。具體可分為以下三個步驟：①在拆井口裝置之前，利用正循環(huán)壓井方法壓井，使用高密度壓井液循環(huán)出井筒內(nèi)部油氣水，釋放各層套管壓力；②切割打撈井筒內(nèi)部生產(chǎn)管柱，對于腐蝕嚴重而無法打撈的井下安全閥、注入閥、封隔器等，需要下入銑鞋或者銑筒磨銑，以便于后續(xù)在井筒內(nèi)部注入水泥塞；③根據(jù)測井曲線，切割腐蝕嚴重的套管以及水泥環(huán)，防止油氣井在棄置后地層中的流體沿著固井膠結(jié)面上竄。

基于上述計算結(jié)果，現(xiàn)場工作人員進行棄置作業(yè)之前在平臺上安裝了相關(guān)的棄置設(shè)備，保證了棄置作業(yè)的安全高效。同時，根據(jù)此計算結(jié)果，在棄置過程中重點關(guān)注了循環(huán)壓井、套管切割打撈作業(yè)，棄置作業(yè)之后此井井口未發(fā)現(xiàn)油氣水竄。

五、結(jié)論

(1)基于風(fēng)險矩陣法，影響油氣井井筒完整性的因素較多，但海洋油氣井由于其特殊的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)后期常常出現(xiàn)環(huán)空帶壓、套管、水泥環(huán)等腐蝕問題，嚴重影響海洋油氣井的井筒完整性，給棄置作業(yè)帶來了一定的風(fēng)險。

(2)基于層次分析法，在現(xiàn)場工作人員評估的基礎(chǔ)上，對準則層和方案層的影響因素進行權(quán)重分析，綜合考慮多種因素的共同影響，最終得到待棄置井的完整性風(fēng)險值?，F(xiàn)場工作人員根據(jù)風(fēng)險值的不同，有必要采取相關(guān)措施以降低棄置過程中的風(fēng)險。