高壓注水管線可靠性評估方法應(yīng)用

李海榮 閆琦 于立松（中國石油中東公司）

油田開發(fā)到一定階段后，需要進行注水保持地層能量，通過注水泵和注水管線將處理后的地表水或者生產(chǎn)水回注地下。注水管線運行一段時間后，由于輸送介質(zhì)和鋪設(shè)環(huán)境的影響，沖蝕和內(nèi)外腐蝕的共同作用[1]，導(dǎo)致壁厚減薄，產(chǎn)生泄漏。高壓注水管線由于輸送壓力高，甚至?xí)l(fā)生管線爆裂，造成生產(chǎn)注水量的損失。

1 概述

伊拉克某油田目前共有注水井153 口，其中正常注水生產(chǎn)的井僅占63%，而因管線泄漏導(dǎo)致無法生產(chǎn)的井約占11%。注水管線均為埋地敷設(shè)，沒有陰極保護，只有外防腐層。目前新建管線為1 500磅級 （25 MPa），API-5L 碳鋼，GR.X60， SCH160(壁厚18.26 mm，3 mm腐蝕余量)。埋地管線由于無法準(zhǔn)確檢測壁厚，很難預(yù)測管線的使用情況，無法確定是否已經(jīng)到了使用年限，是否需要進行更換。油田早期還有部分管線采用900 磅級（15 MPa）管線，部分管線建設(shè)時間在1979 年前后，運行時間將近40年。

由于整個油田注水井多，管線數(shù)量大，隨著注水開采的深入，管線泄漏導(dǎo)致的注水井停注損失越來越高，有些井在2019年1年就維修了4次。管線泄漏后需要截斷泄漏處管線前后各2 m延長線的管線，重新焊接新管段。從發(fā)現(xiàn)管線泄漏到開挖，維修后焊接探傷、試壓到恢復(fù)注水，需要至少2 周。如果管線泄漏位置在水渠和鐵路附近，開挖維修的時間則需要4周，對注水生產(chǎn)任務(wù)的完成造成很大影響。

因此，生產(chǎn)部要求提高管道的完整性管理水平[2]，減少停注時間，建立一套簡單實用的評估方法，對泄漏嚴(yán)重的管線進行綜合評估。根據(jù)評估結(jié)果，逐年對舊管線進行更新，滿足注水生產(chǎn)的需要。

2 油田注水管線腐蝕泄漏現(xiàn)狀

注水管線破壞的原因較為復(fù)雜，水中的雜質(zhì)、氫離子和氫氧根離子腐蝕管壁；磨損腐蝕造成管底部磨損嚴(yán)重，變薄甚至開裂[3]；由于埋地管道所處的地質(zhì)環(huán)境影響，不同電位差造成電化學(xué)腐蝕，或者周圍的放電源對管道產(chǎn)生局部腐蝕，都可能是管線泄漏的原因[4]。

油田2014 年以來的管線泄漏維修均有記錄，到2019 年累計6 年，共149 次與注水管線有關(guān)的泄漏。管線泄漏次數(shù)統(tǒng)計如圖1 所示。由圖1 可知，在運行10年的管線中，有40%至少泄漏1次；在運行35年以上的管線中，有55%至少泄漏1次。

運行5 年內(nèi)的管線泄漏次數(shù)在1 到2 次左右。根據(jù)記錄，大部分是地面管線安裝的閥門、法蘭和取樣閥的泄漏，基本是由于安裝和材料質(zhì)量問題導(dǎo)致的；而運行35 年以上管線出現(xiàn)的多是埋地管線的泄漏。

圖1 管線泄漏次數(shù)統(tǒng)計

3 注水管線可靠性評估方法

隨著可靠性工程學(xué)的廣泛應(yīng)用，對于含缺陷壓力管道的可靠性評定目前也日益受到人們的重視[5]，管道完整性管理也逐漸成為生產(chǎn)管理的重要環(huán)節(jié)。對于埋地管道可靠性研究的相關(guān)文獻主要集中在以可靠性為基礎(chǔ)的焊接接頭檢測和維修方面研究[6]，多為基于概率論來進行安全評估[7]，也有根據(jù)在線檢測數(shù)據(jù)、腐蝕增長模型和缺陷嚴(yán)重度預(yù)測的模型[8]。而這些方法往往包括函數(shù)和概率計算等，對于現(xiàn)場生產(chǎn)來說，都過于復(fù)雜，可執(zhí)行性比較差。需要采取更加簡單、直觀、方便操作的方法進行評估。

根據(jù)油田注水生產(chǎn)管線更換的要求，采用兩種對于注水管線泄漏的評估方法，作為是否更換舊管線的依據(jù)。

3.1 損失評估法

油田2018 年以前采用定量風(fēng)險評估法，該方法為管道完整性管理的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過定量描述管線泄漏發(fā)生的可能性和后果，計算風(fēng)險水平，分析風(fēng)險的可接受性[9]。對于高風(fēng)險的管線及時更換新管線，以減少維護費用和停注風(fēng)險。

式中：V為管線泄漏風(fēng)險評估值；P為管線泄漏可能性；C為管線泄漏對注水量影響后果。

管線泄漏可能性見表1。根據(jù)泄漏總次數(shù)（包括地面部分管線和管件）給予評分。管線泄漏對注水量影響后果見表2。管線風(fēng)險評估值及判別標(biāo)準(zhǔn)見表3。

這種方法是按照常規(guī)的風(fēng)險評估法，用泄漏可能性和后果量化值來進行風(fēng)險等級評估。但泄漏次數(shù)，它采用的是全部地上部分和埋地管線的總泄漏次數(shù)，對于是否更換地下管線來說，缺乏準(zhǔn)確性。另外，注水量的高低并不意味著油藏獲得最大產(chǎn)出，注水生產(chǎn)重要的是要注到需要的地方，而不只是關(guān)注注水量。

表1 管線泄漏可能性

表2 管線泄漏對注水量影響后果

表3 管線泄漏風(fēng)險評估值

計算實例：損失評估法對4 號站M-13 井評估結(jié)果為24，屬于高風(fēng)險等級，需要更換。注水管線評估計算結(jié)果見表4。

表4 注水管線評估計算結(jié)果

3.2 效益評估法（三分法）

這種評估方法主要包括管線可靠性評估和生產(chǎn)效益評估。通過定性分析，將管線泄漏次數(shù)、運行時間、油藏重要程度、單井重要程度4個因素考慮權(quán)重后，按照高、中、低三部分打分，最終得出風(fēng)險分值。權(quán)重需要組織生產(chǎn)部、工程部、油藏部和維護部共同討論決定。采用三分法進行打分，中間分值為1.5，最高3分，最低1分；判別標(biāo)準(zhǔn)：評估總分值大于1.5 分為有風(fēng)險需要更換的管線。注水管線更換評估見表5。

由表1 可知，當(dāng)管線泄漏超過3 次時，可能會繼續(xù)泄漏。因此，考慮到更換新管線的時間和成本，將泄漏3次作為判斷管線整體承壓能力降低的表現(xiàn)。另外，就3年前的泄漏，維修后如果沒有繼續(xù)發(fā)生泄漏，則是局部腐蝕或局部問題，不代表整個管線的腐蝕情況。當(dāng)最近3 年發(fā)生3 次以上的泄漏，則認(rèn)為管線的整體使用情況不太樂觀，需要進行評估。

表5 注水管線更換評估

油藏重要程度是按照注水站不同油藏來打分的，注水站油藏評估見表6。單井注水則按照每口井對油藏的貢獻來排序，4號站M2油藏注水井排序見表7所示。

表6 注水站油藏評估

表7 4號站M2油藏注水井排序

4號站共有13口注水井，排序前30%的井分值為3，中間30%～60%的井分值為2，剩余注水井分值為1。4 號站M-13 井注水管線評估計算見表8。由表8 可知，最終評估值為2.2，大于1.5，推薦新建管線。

表8 注水管線評估計算

3.3 評估方法優(yōu)缺點對比

生產(chǎn)部將2019年前6年記錄發(fā)生泄漏的管線用兩種方法同時進行評估，發(fā)現(xiàn)損失評估法中有30%的管線估值過高，屬于誤判。主要原因是計入了法蘭、取樣閥等地面管件的泄漏次數(shù)，造成管線泄漏可能性的分值過高，從而建議更換管線。兩種評估方法的優(yōu)缺點對比。損失評估法優(yōu)點：最大限度避免注水損失，給出泄漏風(fēng)險分值；缺點：無法考慮油藏注水需求沒有針對埋地管線進行評估，存在風(fēng)險估值過高，誤判管線風(fēng)險程度的可能。效益評估法優(yōu)點：注水油藏效益最大化精確評估埋地管線風(fēng)險，給出風(fēng)險排序，評估結(jié)果直觀且易于操作；缺點：沒有針對性避免現(xiàn)有注水量損失。以滿足從滿足油田注水生產(chǎn)整體效益，對油藏能量恢復(fù)的貢獻及合理投資的角度出發(fā)，效益評估法對于管線更換的評估結(jié)果更優(yōu)。

由于生產(chǎn)部、工程部、油藏部和維護部都對效益評估法（三分法）的評估結(jié)果表示滿意，2019年油田生產(chǎn)部采用效益評估法代替了損失評估法，目前已篩選出6口注水井進行更換。根據(jù)管線泄漏情況共進行了11口井的評估，涉及5個注水站，有投產(chǎn)2年的井也有投產(chǎn)40年的井，按評估分值高低進行排序，2019年注水管線評估見表9。根據(jù)工程部預(yù)算和優(yōu)先排序，決定排在前6的井M-13、M-09、M-10、M-14、M-12、M-102進行管線更換。

表9 2019年注水管線評估

4 結(jié)論

評估埋地注水管線的可靠性，有利于平衡管線維修費和新建管線費用，可以為注水生產(chǎn)節(jié)省大量的投資。兩種評估方法都可以確認(rèn)管線風(fēng)險程度：損失評估法側(cè)重于管線泄漏后可能帶來的注水損失；效益評估法（三分法）綜合了油藏的要求和管線本身的泄漏風(fēng)險，脫離了單純的風(fēng)險分析識別范疇[10]，體現(xiàn)對未來效益的需求。后者估算直接，更加切合生產(chǎn)實際，而且便于所評估管線的準(zhǔn)確排序，作為將來生產(chǎn)預(yù)算和計劃的依據(jù)。效益評估法（三分法）的應(yīng)用將大大推動油田注水管線的完整性管理。