基于環(huán)空壓力的儲氣庫井風險分級及管控程序

王兆會, 曲從鋒, 周琛洋, 李軍鵬, 張曉兵

(中國石油集團工程技術研究院有限公司)

0 引言

儲氣庫在保障天然氣安全平穩(wěn)供應中發(fā)揮了不可替代的作用，到2020年底儲氣庫有效工作氣量將達到148×109m3[1-2]。但儲氣庫注采井的一個突出問題是生產(chǎn)管柱與套管間密閉環(huán)空帶壓，并且難以判斷問題來源[3-5]。對于儲氣庫注采井的環(huán)空帶壓問題，國內(nèi)外做了一定的研究，結果表明：環(huán)空帶壓不一定是生產(chǎn)管柱泄漏引起的，也不一定具有極高風險需要馬上進行修井處理[6-9]，并且實例分析表明：大多數(shù)儲氣庫注采井油/套管間環(huán)空壓力，是生產(chǎn)過程中生產(chǎn)管柱內(nèi)溫度/壓力升高引起的正?，F(xiàn)象[3-4,10]。為此，有必要對儲氣庫注采井環(huán)空帶壓問題進行明確的風險分級，對環(huán)空壓力超出正常范圍的、壓力卸放/恢復測試顯示泄漏量較大的井進行技術檢測、評價，必要時進行修井。

國內(nèi)外對儲氣庫注采井安全性評價、評估和風險分級研究較少。參考文獻[11]介紹了儲氣庫地面采氣系統(tǒng)的風險評估技術，并根據(jù)失效概率和失效后果給出了風險矩陣，把風險分為低、中、次高和高風險4個等級；參考文獻[12]借鑒國際管道技術委員會(PRCI)輸氣管道風險因素分類方法，列出了事故樹分析的風險評價方法，并指出要建立相關事故模型，判斷失效概率、計算失效后果，最終確定主要風險及其控制措施。但這些研究考慮因素多，風險評價方法復雜，沒有給出具體的失效概率、失效后果的算法和數(shù)值，也很難確定風險等級，從而不能采取有針對性的處置和管理控制程序。

為此，本文期望通過儲氣庫注采井環(huán)空帶壓發(fā)展趨勢的統(tǒng)計分析以及溫度/壓力耦合作用下的環(huán)空壓力計算數(shù)值，基于環(huán)空壓力的大小，探討儲氣庫注采井環(huán)空帶壓的風險分級，建立各環(huán)空壓力管理圖版，并給出不同風險等級所對應的處置措施和管理控制程序，使儲氣庫管理者將主要精力集中到高/極高風險和疑難問題的注采井中，并為高溫高壓天然氣井的風險分級及管控提供參考和借鑒。

1 國內(nèi)外儲氣庫井環(huán)空帶壓規(guī)律

天然氣井服役時間越長越容易出現(xiàn)環(huán)空帶壓。天然氣井投產(chǎn)不久，有5%的井出現(xiàn)環(huán)空帶壓，而隨著井服役時間的增加，環(huán)空帶壓井比率逐步增加。生產(chǎn)15年后環(huán)空帶壓的比率約為50%，天然氣井服役后期，大多數(shù)井環(huán)空帶壓[13]。儲氣庫注采井也有類似現(xiàn)象，羅馬尼亞Totea油田包含6個儲氣庫，固井15年后其中3個儲氣庫的49口井監(jiān)測到有0.3～5.0 MPa的環(huán)空壓力[14-15]。

近年來，國內(nèi)某儲氣庫群統(tǒng)計了該儲氣庫環(huán)空帶壓井數(shù)與環(huán)空帶壓值隨投產(chǎn)時間的關系，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)隨著投產(chǎn)時間的增長，環(huán)空帶壓井數(shù)與環(huán)空帶壓值均明顯增加。

同時，該儲氣庫群對65口注采井進行了69井次的檢測評價。對于A環(huán)空，53.62%井次帶壓<7.5 MPa；81.16%井次帶壓<10.0 MPa；有2井次帶壓>22.5 MPa。B環(huán)空帶壓的有22口井，但帶壓值均較小，有8口井(11.6%)壓力大于1.4 MPa，其中有2口井接近14 MPa。

由于各井實際注釆壓力和原始地層壓力存在差異，各井檢測到的環(huán)空壓力大小不能很好的說明問題。為此引入套油壓比(定義為注釆井同一時間檢測到套管壓力與油管壓力的比值)，分析環(huán)空帶壓情況。分析發(fā)現(xiàn)：只有28井次(約占40.58%)的套油壓比≤30%；大多數(shù)井次套管壓力超過油管壓力的30%，其中有2井次套壓與油壓相等，說明環(huán)空帶壓情況已非常嚴重，可能存在油套竄通的現(xiàn)象，已威脅到儲氣庫井的正常注采作業(yè)。

2 基于環(huán)空壓力的風險分級

2.1 最大許可環(huán)空壓力

通過環(huán)空帶壓規(guī)律的統(tǒng)計分析可以看出，對于儲氣庫注采井，在注采過程中環(huán)空帶壓是非常普遍的，但環(huán)空壓力過高可能導致安全生產(chǎn)事故。為利用較少的技術和工作，促使儲氣庫注采井危險程度達到可接受的水平，進而將主要精力集中到疑難問題的注采井中，根據(jù)API RP 90-2和ISO 16530-1等標準[16-19]以及參考文獻[20-22]確定最大許可環(huán)空壓力(MAASP)。

在計算最大許可環(huán)空壓力時應分別考慮管柱強度降低的影響、油壓和環(huán)空壓力變化的影響以及地層壓力或井底流壓的影響。A環(huán)空、Bi環(huán)空和C環(huán)空的最大許可環(huán)空壓力應為考慮下述各種因素的最小值，即：

(1)

式中：MAASPA、MAASPBi、MAASPC—分別為A、Bi和C環(huán)空的最大許可壓力，MPa。式中各參數(shù)計算方法見參考文獻[21-23]，以A環(huán)空為例，A環(huán)空最大許可環(huán)空壓力計算示意圖如圖1所示。

圖1 A環(huán)空最大許可環(huán)空壓力計算示意圖

2.2 可接受環(huán)空壓力

以參考文獻[4]中的實例井為例，如圖2所示，對于注氣階段，當井口溫度升高到近40℃時，A環(huán)空密閉環(huán)空壓力約為13.4 MPa，是A環(huán)空最大許可壓力的62.1%；對于采氣階段，當井口溫度升高到近55℃時，A環(huán)空密閉環(huán)空壓力超過17 MPa，超過了A環(huán)空最大許可壓力值。

為此，綜合統(tǒng)計分析和理論計算這兩個方面的研究，把儲氣庫注采井環(huán)空壓力按其大小范圍分為四個區(qū)域，分別為低、中、高和極高風險區(qū)域。對于A環(huán)空如圖3所示，對于B、C環(huán)空如圖4所示，具體劃分方法如下所述。

1)低風險環(huán)空壓力區(qū)域(LRAP)。低風險環(huán)空壓力值上限為該環(huán)空最大許可壓力的1/3。

2)中風險環(huán)空壓力區(qū)域(MRAP)。中風險環(huán)空壓力值上限為該環(huán)空最大許可壓力的2/3。

3)高風險環(huán)空壓力(HRAP)。高風險環(huán)空壓力值上限即為該環(huán)空最大許可壓力。

4)極高風險環(huán)空壓力區(qū)域(EHRAP)。極高風險環(huán)空壓力區(qū)域上限為不考慮井筒管柱和關鍵節(jié)點等井筒屏障部件安全系數(shù)的情況下計算得到的環(huán)空最大許可壓力。

圖2 文獻中儲氣庫井環(huán)空壓力隨井口溫度變化

圖3 A環(huán)空壓力管理圖版

圖4 B環(huán)空和C環(huán)空壓力管理圖版

儲氣庫注采井環(huán)空壓力處于低/中風險區(qū)是可以接受的，但壓力接近中風險區(qū)上限時應該進行壓力卸放/恢復測試，確定環(huán)空帶壓原因；環(huán)空壓力進入高風險區(qū)時應進行井筒完整性技術檢測、評價，并及時治理；禁止儲氣庫注采井環(huán)空壓力進入極高風險區(qū)。

3 風險分級管理控制程序

環(huán)空壓力管理控制程序見圖5。

1)當P=LRAP時，屬于低風險壓力，繼續(xù)進行生產(chǎn)。

2)當P=MRAP時，要進行壓力卸放/恢復測試，判斷油/套管環(huán)空壓力是否為生產(chǎn)管柱的溫度/壓力影響所致(壓力很快降低，則為溫度/壓力影響)，并測試卸放量Q。①對于A環(huán)空，如果Q>200 m3/d，要進行井筒完整性檢測；如果Q<200 m3/d，將油/套管環(huán)空壓力降至LRAP恢復生產(chǎn);②對于B、C環(huán)空，如果Q>100 m3/d，要進行間歇卸放/擠注等作業(yè)或井筒完整性檢測；如果Q<100 m3/d，將套管間環(huán)空壓力降至LRAP并恢復生產(chǎn)。

3)當P=HRAP時，要使用壓力卸放/恢復測試及井筒完整性技術檢測等多種措施，分析壓力來源，據(jù)此采取相應的措施。①對于A環(huán)空，如果是油/套管串通(包括附件失效)，則進行修井更換生產(chǎn)管柱；②對于B、C環(huán)空，如果是水泥環(huán)失效，則進行壓井修復、環(huán)空封堵、擠注等作業(yè)；③如果井口設施串通，嘗試修復(套管頭補注密封脂等)。

4)對于A環(huán)空，在開展環(huán)空壓力卸放/恢復測試及井筒完整性技術檢測的同時，需要進行注采井的相對風險分析，判斷是否需要馬上進行修井、更換管柱等作業(yè)。

5)如果P≥MAASP，立即關井停止生產(chǎn)，觀察壓力變化或放壓觀察、分析，根據(jù)觀察分析情況處理，必要時啟動預警程序，甚至應急響應。

圖5 環(huán)空壓力管理程序圖

4 結論

1)儲氣庫注采井A環(huán)空帶壓是普遍現(xiàn)象，大多數(shù)是可接受的，正常情況下環(huán)空帶壓值在該環(huán)空最大許可壓力值的1/3以內(nèi)，處于低風險狀態(tài)。但是隨著投產(chǎn)時間的增長，環(huán)空帶壓井數(shù)與環(huán)空帶壓值均明顯增加，對儲氣庫正常的注采作業(yè)產(chǎn)生威脅。

2)儲氣庫注采井環(huán)空壓力可接受的為低/中風險區(qū)域，不可接受的為高風險區(qū)域，應禁止進入的為極高風險區(qū)域。

3)儲氣庫注采井環(huán)空壓力接近中風險區(qū)域上限，應進行壓力卸放/恢復測試，進入高風險區(qū)域，應制定計劃進行井筒完整性技術檢測、評價，據(jù)此進行修井處理。