儲氣庫注采井失效模式與風(fēng)險評估技術(shù)*

閆怡飛, 張勝躍，閆相禎

(1.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院 山東 青島 266580; 2.中國石油大學(xué)(華東)CAE技術(shù)研究中心 山東 青島 266580)

0 引 言

為推動“形成多主體多渠道供應(yīng)、中間統(tǒng)一管網(wǎng)高效集輸、下游銷售市場充分競爭的油氣市場”體系的建立，目前國家計劃大力推動能源儲存基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計劃，而地下儲氣庫作為上游接納油氣資源、中游存儲與分配、下游分銷與集輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施，在滿足“中間統(tǒng)一管網(wǎng)高效集輸”方面，尤其是在我國調(diào)峰能力嚴重不足的背景下，發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用[1]。

儲氣庫通常作為一種戰(zhàn)略能源儲存方法[2]，其常多循環(huán)注采條件，因此容易引發(fā)各種類型的事故[3]。由于我國的儲氣庫起步晚，數(shù)量少，運營管理經(jīng)驗不足，可供研究的數(shù)據(jù)和案例少，儲氣庫特別是能源消耗預(yù)測、調(diào)峰、應(yīng)急預(yù)警響應(yīng)能力相對不足，使得失效模式研究不深入、不充分。此外，儲氣庫相關(guān)配套安全防控系統(tǒng)不健全、技術(shù)和標準不完善，風(fēng)險評估技術(shù)研究不成熟等因素也嚴重制約我國儲氣庫的發(fā)展[4]。

為降低儲氣庫在長期注采方面的風(fēng)險和在整個生命周期的安全運營風(fēng)險，需要一套綜合性的針對井筒失效模式、風(fēng)險識別和風(fēng)險評估的技術(shù)[5]，這對我國能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及風(fēng)險運營管理具有重要意義[6]。目前井筒完整性主要依賴于油氣井的完整性及井筒密封性能[7]，由于儲氣庫特有的工況條件，如，長期注采周期交變循環(huán)載荷等耦合作用[8]，進行風(fēng)險評估難度大的特點，因此近年來先進技術(shù)的不斷涌現(xiàn)出最新的研究成果，如通過運用，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，大數(shù)據(jù)等技術(shù)，同時考慮多因素邊界條件并構(gòu)建風(fēng)險評估模型[4]。

筆者通過總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于儲氣庫注采井失效模式概況及主要的幾種風(fēng)險致因類型，討論造成技術(shù)風(fēng)險，管理風(fēng)險的主要因素及注采井失效的主要風(fēng)險類別的原因，分析目前風(fēng)險分析關(guān)鍵方法的主要技術(shù)瓶頸及技術(shù)要點并結(jié)合相關(guān)標準的差異性和側(cè)重點進行系統(tǒng)性的總結(jié)，以期對地下儲氣庫注采井的主要失效模式的風(fēng)險評估技術(shù)現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進行展望。

1 國內(nèi)外儲氣庫風(fēng)險評估研究現(xiàn)狀與事故類型

針對儲氣庫風(fēng)險失效模式研究，其中與腐蝕相關(guān)方面的研究是最早的[9]。針對注采井管柱腐蝕情況[10]，李鶴林等研究了含CO2/H2S 高溫高壓井下的多相腐蝕環(huán)境介質(zhì)中CO2、H2S、Cl-的含量以及溫度等因素對N80鋼的腐蝕作用規(guī)律[11]。閆怡飛[12]針對地下儲氣庫建庫過程中的安全問題,分別進行了腐蝕環(huán)境條件下石油管選材方法研究和剩余壽命評價分析。Francois Ayello[13]等人使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的概率圖形模型創(chuàng)建了地下管道風(fēng)險評估模型，該模型分別計算內(nèi)部和外部腐蝕風(fēng)險，此外，還可以基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立相應(yīng)的腐蝕模型進行應(yīng)用[14-15]。在環(huán)空帶壓方面，Karen Bybee[16]等人通過原位測量氣體閾值壓力和優(yōu)化完井解決方案，最大限度地減少氣體存儲中的氣體逸出風(fēng)險。Ettehad[17]等人提出并演示了一種用于儲氣庫不確定性分析的工作流程。Barajas[18]等人考慮通過井和周圍鹽層的儲存氣體與地面設(shè)施的相互作用，開發(fā)了一種嚴格的建模方法，用于對地下鹽穴中天然氣儲存的井筒溫度和壓力、溫度進行耦合分析。在人為致因的風(fēng)險方面，Lyon等人[19]分析了油管職業(yè)安全與和設(shè)計風(fēng)險評估方法類別，以識別和評估對儲氣庫相關(guān)的操作風(fēng)險及其控制，并基于級聯(lián)風(fēng)險評估方法提供與職業(yè)安全和衛(wèi)生相關(guān)的操作建議。

儲氣庫容易受到地質(zhì)災(zāi)害、高壓注氣、循環(huán)載荷、腐蝕環(huán)境等多種因素作用的不良影響，進而造成儲氣庫安全可靠性降低，甚至出現(xiàn)重大事故[20]。截止目前,美國在役的儲氣庫設(shè)施達400座,有效工作氣體總量約1 158.45×108 m3。其中枯竭氣/油藏型326座,鹽穴型31座,含水層型43座。最近的一次大規(guī)模泄露事件在2015年10月Aliso峽谷地下儲氣設(shè)施注氣井SS-25出現(xiàn)故障，最后調(diào)查結(jié)果認為是井筒完整性問題和安全監(jiān)管漏洞共同導(dǎo)致此事故發(fā)生[22]。截止2017年，根據(jù)EIA數(shù)據(jù)，如圖1所示，顯示了美國四種儲氣庫類型故障報告次數(shù)(即，枯竭氣/油藏型為528次，含水層29次，鹽穴型225次，廢棄礦坑30次)，按照井的完整性，地下儲層的完整性，人為操作因素，地面站場設(shè)備設(shè)施故障，站場設(shè)備設(shè)施操作因素導(dǎo)致的故障和未知因素六類進行劃分，結(jié)果顯示與地下儲氣庫相關(guān)的全球事件的報告總量為500余次，涉及泄漏或與地面相關(guān)的事件報超過300余次，其中涉及地面站場設(shè)備的操作故障最多，井的完整性故障次之，通過薈萃分析結(jié)果，如圖1(a)所示，得出與枯竭氣/油藏型地面站場設(shè)備涉及的故障貢獻率超過50%，達290余次，與地下完整性相關(guān)的事故發(fā)生率約30%，達170余次。如圖1(b)所示，與火災(zāi)和爆炸事件相關(guān)的有70余次，其中大部分和枯竭氣/油藏型和鹽穴型有關(guān)，其中枯竭氣/油藏型所占比例最高，鹽穴型事故發(fā)生率次之。

圖1 美國四種儲氣庫類型的故障報告次數(shù)與六類因素之間的貢獻比率與關(guān)聯(lián)度關(guān)系

國內(nèi)有關(guān)儲氣庫的風(fēng)險評價標準目前尚未制定，目前僅針對特定油氣井的類型進行了規(guī)范化，例如，油氣藏型地下儲氣庫安全技術(shù)規(guī)程(SY 6805-2010)、鹽穴地下儲氣庫安全技術(shù)規(guī)程(SY 6806-2010)，但可操作性和具體實施的流程沒有給出[24]。國外方面，如API RP 1170給出了枯竭油氣藏和含水層類型的天然氣儲存的功能完整性建議，API RP 1171也包括了具體的天然氣儲存溶液開采鹽穴的設(shè)計與運行措施。由于國內(nèi)外地質(zhì)條件和技術(shù)條件的差異性，風(fēng)險因素的不確定性是廣泛存在的，如，環(huán)空壓力波動、地層溫度梯度變化及井筒管柱壁厚腐蝕或套管剩余強度的不確定性等。

2 注采井失效模式分析的核心技術(shù)與內(nèi)涵

2.1 井筒套管強度的不確定性量化

井筒屬性的隨機性是引起井筒強度的不確定性[4]。通常為研究井筒套管強度的隨機性分布規(guī)律，可以根據(jù)已有的井筒屬性的隨機分布通過抽樣分布模擬[25]。通常認為不確定參數(shù)服從正態(tài)分布。在已知井筒強度分布規(guī)律的前提下，可進一步通過一階二次矩法和蒙特卡洛法近似求取相應(yīng)的參數(shù)[26]。

2.2 井筒壓力載荷的不確定性量化

井筒載荷存在較強的隨機性[27]，大量的統(tǒng)計分析表明[28]，材料強度和大部分載荷也服從正態(tài)分布。通過對這些研究成果的總結(jié)、分析借鑒，可以為井筒的可靠性指標研究提供參考[29]。并為評價工程可靠性的定量標準與失效的概率成互補關(guān)系，有助于定量風(fēng)險評估。

2.3 風(fēng)險評價指標的不確定性量化

通過參考ISO 10400、SY/T 5724等油氣井筒完整性評估規(guī)范[30]，充分考慮井筒在整個服役期內(nèi)載荷的不確定性，建立一套全生命周期井筒風(fēng)險評估量化方法[31]。因此，形成一套井筒系統(tǒng)實時風(fēng)險評估及其可靠性不確定參數(shù)的井筒完整性評估的使用方法，風(fēng)險評估技術(shù)體系，對于確保井筒安全運行具有重要意義[32]。此外，進一步可以結(jié)合HSE管理體系及風(fēng)險評估技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用情況[33]，例如，基于Borda技術(shù)[34]確定井筒單元最大風(fēng)險評判指標，并構(gòu)建井筒全壽命周期內(nèi)的風(fēng)險評估模型。

3 研究重點及需要突破的技術(shù)瓶頸

基于前人研究的基礎(chǔ)，擬提議未來關(guān)于儲氣庫風(fēng)險評估方面應(yīng)著重開展以下兩個方面的研究：

1)通過針對相應(yīng)風(fēng)險因素及失效機理的研究，盡可能地依據(jù)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析影響各種風(fēng)險因素及各種風(fēng)險因素之間的相互作用機理，并結(jié)合國內(nèi)外研究成果確定風(fēng)險及失效模式的判定準則。

2)以力學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究各種失效模型對注采管柱應(yīng)力強度的影響規(guī)律[4]。通過概率風(fēng)險模擬和概率耦合方程，極限力學(xué)方程等應(yīng)用到對注采管柱應(yīng)力強度破壞的影響規(guī)律研究[35]，此外，還可以將故障樹模型映射至貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，分析得出注采管柱各個因素的風(fēng)險等級，并通過概率更新得出關(guān)鍵失效致因鏈，提出針對性的預(yù)防措施[36]。

通常儲氣庫風(fēng)險評估技術(shù)路線實施方案面臨的難點問題有如下三點：

1)基于多種理論模型建立的地下儲庫漏失的評價模型，數(shù)值模擬往往計算量巨大，同時計算結(jié)果不容易收斂，甚至計算結(jié)果失真等問題，因此需要解決從理論模型到算法概念，底層邏輯編碼，算法優(yōu)化等更深層次的問題，同時根據(jù)事實依據(jù)需要結(jié)合工程背景進行綜合考慮；

2)注采井系統(tǒng)安全可靠性評價。以套管柱和注采管柱的安全可靠性為中心，分析壓力、溫度、腐蝕、水泥環(huán)等因素對注采井管柱承載能力的影響，計算注采井系統(tǒng)的壽命周期[37]；將溫度、壓力、水泥環(huán)性質(zhì)等因素按隨機變量處理，將腐蝕、地層巖石性質(zhì)等影響因素按模糊隨機變量處理，在此基礎(chǔ)上分析主要的注采井系統(tǒng)的主要失效模式和計算注采井系統(tǒng)的可靠度各個因素的權(quán)重分配問題需要解決；

3)油氣儲庫系統(tǒng)事故風(fēng)險評價。采用故障樹等方法分析造成儲庫事故的風(fēng)險因素，建立的儲氣庫事故定量風(fēng)險評價模型，作為演繹系統(tǒng)安全可靠性的評價模型，模型中包括分析評估單元劃分、風(fēng)險因素識別、失效模式確定、事件發(fā)生概率計算、事件發(fā)生后果計算、風(fēng)險計算及風(fēng)險裕度確定等，分析問題模型的方法往往不是動態(tài)的，因此確定其理論的風(fēng)險評估結(jié)果，難以為風(fēng)險防范措施和安全管理決策提供科學(xué)依據(jù)[13]。

4 風(fēng)險評估的模型方法及技術(shù)路線

4.1 基于貝葉斯及Monte-Carlo的風(fēng)險評估方法應(yīng)用

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種模擬動態(tài)推理過程中因果關(guān)系的不確定性關(guān)系模型，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于有向無環(huán)圖，是由節(jié)點和有向弧段組成，并采用多個隨機變量來標識，其定義如下：

(1)

其中，A為隨機變量，存在n種狀態(tài)a1,a2,…,an。則動態(tài)推理過程，即全概率可以表示為：

P(B)=∑P(B/A=ai)P(A=ai)

(2)

(3)

(4)

其中，(x1i,x2i,...,xni)為在隨機抽樣的觀測結(jié)果，N為抽樣次數(shù)。

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)后驗概率的模擬，并采用 Monte-Carlo并對套管某參數(shù)失效概率進行不確定采樣模擬，分析流程示例如圖2所示，分析結(jié)果及按照ARALP即風(fēng)險盡可能低且可接收的原則，并按照顏色劃分，如高風(fēng)險(紅橙色)，中等風(fēng)險(黃綠色)，低風(fēng)險(藍綠色)，可以作為不確定條件下判斷注采井的可靠度，其置信度與風(fēng)險概率的關(guān)系可進一步通過隨機輸入?yún)?shù)模擬和量化影響套注采井風(fēng)險指標和時間序列下的故障概率進行分類，其中根據(jù)不同風(fēng)險指標分類結(jié)果進行聚類結(jié)果如圖3所示，此外還可以進一步建立井筒有限元模型，運用并行計算技術(shù)或者第三方云計算服務(wù)進行全尺寸有限元模擬和注采井受力計算，如圖4所示，分別顯示了4 500 m(圖4a)全程近井區(qū)井筒應(yīng)力計算的置信區(qū)間和基于貝葉斯Monte-Carlo，經(jīng)100 000次模擬的全程4 000 m(圖4b)井段，根據(jù)計算結(jié)果所得出的破裂應(yīng)力風(fēng)險置信區(qū)間模擬結(jié)果示例。

圖2 基于Monte-Carlo采樣并對套管某參數(shù)失效概率進行不確定抽樣流程示例

圖3 基于Monte-Carlo采樣并對套管某參數(shù)失效概率進行不確定抽樣分類聚類結(jié)果示例

圖4 兩個不中不同風(fēng)險可視化量化結(jié)果(a)4 500 m全程近井區(qū)井筒應(yīng)力計算的風(fēng)險置信區(qū)間(b)了全程4 000 m根據(jù)Monte-Carlo采樣模擬的破裂應(yīng)力風(fēng)險置信區(qū)間結(jié)果

4.2 以力學(xué)分析為基礎(chǔ)的風(fēng)險評估的技術(shù)流程

針對儲氣庫管柱在實際工況下的受力類型，可進一步地與API標準的抗擠毀壓力類型進在組合載荷下相結(jié)合的方法[38]，并充分考慮各工況受力強度等力學(xué)載荷狀態(tài)，其中，儲氣庫基于力學(xué)方法分析的風(fēng)險失效方法技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 以力學(xué)分析方法為基礎(chǔ)的儲氣庫風(fēng)險失效技術(shù)路線流程

5 風(fēng)險評估技術(shù)及其展望

未來儲氣庫關(guān)于風(fēng)險評估技術(shù)應(yīng)注重于大數(shù)據(jù)及智能化應(yīng)用方面，結(jié)合SCADA系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并重點關(guān)注于以“儲氣庫井筒”運行參數(shù)指標量化為基礎(chǔ)的相關(guān)風(fēng)險分級控制與風(fēng)險識別技術(shù)等系列配套的系統(tǒng)化的分析手段。具體包括但不僅限于智能化風(fēng)險控制，智能化風(fēng)險分級，智能化選材優(yōu)化技術(shù)，智能化完整性管理，為提高儲氣庫總體運行的穩(wěn)定性，促進智能化安全生產(chǎn)、風(fēng)險管控，預(yù)警調(diào)峰并提高儲氣庫注采井的風(fēng)險管控能力與風(fēng)險失效相關(guān)的風(fēng)險應(yīng)急響應(yīng)水平的高效化提供建設(shè)性意見。