王全友,謝軍太,高建民,馮 春,朱麗娟,楊尚諭
(1.西安交通大學中國西部質(zhì)量科學與技術(shù)研究院 陜西 西安 710049; 2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)
隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,我國對石油需求量日益增大,但是石油生產(chǎn)效率提升緩慢,油氣對外依存度不斷上升,保障能源供應成為當務之急[1]。油井工況分析是通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料,反映油井的運行狀況的重要手段[2]。鉆井技術(shù)是石油開采中重點應用的技術(shù),油氣井工況是制約鉆井技術(shù)發(fā)展的重要因素[3],如地質(zhì)因素影響開采工藝,載荷因素影響開采設備使用壽命。鑒于諸如此類問題,有必要提出一個新的方案,對油井工況進行評估,通過評估結(jié)果,對一些潛在的風險進行識別,并進行規(guī)避和預防。
風險矩陣法是由美國空軍電子系統(tǒng)中心(ESC, Electronic Systems Center)采辦工程小組在1995年提出的。作為一種簡單有效的風險辨識方法,主要應用于項目潛在風險分析中,具有操作便捷、定性分析與定量分析相結(jié)合的特點。該法將決定危險事件風險的兩種因素(即所有種類的傷害嚴重度、引起傷害的概率),按其特點劃分為相應的等級,形成風險矩陣,即多維表格,來定性地衡量風險大小。該方法簡單易行,能有效地識別對項目影響最為關(guān)鍵的風險,卻避免不了容易受到人的主觀性影響,降低風險評估的精確度。
在風險矩陣法的研究應用方面,馮誠等[4]將層次分析法和風險矩陣模型結(jié)合起來進行了鎢礦改建項目的風險分析,建立了鎢礦改建項目的風險分析。王海燕等[5]將FMEA與風險矩陣法結(jié)合起來對鋁礬土國際(海陸)運輸風險進行了評估,并且提出了具體的風險控制措施。李中等[6]基于貝葉斯網(wǎng)絡與風險矩陣法模型對深水探井井筒完整性失效風險進行了評估,對關(guān)鍵風險因素進行了識別,并且確定了井筒完整性風險優(yōu)先級。李玉峰等[7]基于風險矩陣模型對水電站項目進行了分級評估,并且對風險點進行了明確劃分??梢钥闯?,風險矩陣法的應用是非常廣泛和有效的。
本文通過調(diào)查影響油井工況的各項參數(shù)以及油井發(fā)生事故后果的嚴重性,結(jié)合風險矩陣法,建立了油井工況分級矩陣,通過計算油井風險值,對油井工況進行了合理劃分,并用兩個實例說明了油井工況劃分的有效性,為不同油井制定生產(chǎn)方案提供了參考。
風險矩陣分析法(簡稱LS法),R=L×S,其中R是風險值,是事故發(fā)生的可能性與事件后果的結(jié)合,L是事故發(fā)生的可能性;S是事故后果嚴重性;R值越大,說明該系統(tǒng)危險性大、風險大[8]。
表1是事故發(fā)生的可能性判定標準,表2是事故發(fā)生的后果嚴重性判定標準,在人員傷亡和直接經(jīng)濟損失中可以根據(jù)具體行業(yè)進行具體數(shù)值劃分。表3 是事故安全風險等級判定準則以及控制措施,按照風險值的不同可以劃分為5級[9-11]。
表1 事故發(fā)生的可能性(L)判定準則
表2 事件后果嚴重性(S)判定準則
表3 安全風險等級判定準則(R)及控制措施
在實際評價中,有時一種原因往往由多種因素造成,如果只考慮一種失效原因?qū)е碌氖ЫY(jié)果,從而對原因等級進行評定,得到的評定結(jié)果往往是不準確的,不能正確反映引起失效原因是由于綜合因素作用的結(jié)果,為了合理評價失效原因等級,建立了一種失效原因因素關(guān)聯(lián)方程式(1):
設A={A1,A2…An}是失效原因的集合,a=[a1,a2…an]是失效原因的評價取值,B={B1,B2…Bn}是與失效原因A有關(guān)的因素集合,b=[b1,b2…bn]是因素B的取值,w=[w1,w2…wn]是為每種失效因素分配的權(quán)重值,則
a=bT×w
(1)
式中:
集合a稱為關(guān)聯(lián)度集,其中元素稱為風險值,取值越大,表明風險程度越高。
集合b為因素集,其中元素稱為因素值,取值越大,表明此種因素風險等級越高。
集合w稱為失效因素權(quán)重集,其中元素稱為權(quán)重值,取值越大,表明某種因素b對失效原因的影響越大。
由此方程可以合理的建立起不同因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系,同時考慮到了因素對失效原因的影響程度,可以作為失效原因等級評價的指導準則。
在實際生產(chǎn)作業(yè)中,影響油田產(chǎn)量的因素很多,包括石油柱服役的載荷條件,比如振動載荷、彎曲載荷、沖擊載荷等,除此之外環(huán)境載荷也是重要影響因素,比如油井壓力、溫度等,還有環(huán)境條件的影響,比如在油井中存在腐蝕性氣體介質(zhì)如CO2、H2S等。除此之外,還有一些因素對油井工況評價有重大影響。
2.1.1 油井井深因素
井深是影響石油生產(chǎn)的重要因素。由于含石油地層較深下泵越深,因此,在石油開采時,鉆井深度要求就越深,當深度增加,要求的舉升壓頭越大,同時管柱及桿柱受力越大,對桿、管的強度要求也越高,同時,要求泵定子和轉(zhuǎn)子不但要有足夠的剛度,還要提高泵定轉(zhuǎn)子的承壓能力,保證密封不漏失。除此之外,下泵越深,地層溫度越高,對定子的耐溫要求也高。
2.1.2 油井溫度以及壓力因素
溫度和壓力是影響石油鉆桿以及油井工況的重要影響因素[12]。在石油開采設備中往往存在一些橡膠材質(zhì)的結(jié)構(gòu),若地層溫度超過橡膠許用溫度,會對使用橡膠的設備功能產(chǎn)生影響。油井溫度越高,設備功能損失越大,使系統(tǒng)工況變差。除此之外,溫度和壓力對其他生產(chǎn)要素也有一定的影響。
2.1.3 油井采油工藝復雜度
對于不同的油井,石油開采工藝不同。石油開采工藝的復雜度不同,石油生產(chǎn)效率也不相同,一般可以將石油開采工藝分為四大類,分別是一次采油,二次采油,三次采油和四次采油,每種采油工藝復雜度不相同,當遇到不同油井工況需要針對此類油井設計專門的采油工藝,因此石油采油工藝復雜度也能衡量油井工況的情況[13-15]。
2.1.4 油井腐蝕介質(zhì)因素
油井工作環(huán)境由于地層原因以及地質(zhì)因素存在大量液體介質(zhì),石油開采主要在油田區(qū)作業(yè),因此在液體介質(zhì)中不僅有水,還有油、天然氣中的烴類以及伴生的非烴類介質(zhì),除此之外,還有鉆采過程中注入的介質(zhì)等。硫化氫、二氧化碳等氣體介質(zhì)也會與液體參與化學反應,生成酸性介質(zhì),這些介質(zhì)會引起管柱腐蝕,從而引起管柱失效,大大增加了管柱服役的嚴苛程度,因此這些要素也是油井工況評價的關(guān)鍵要素。
2.1.5 油井井型
不同的井型對應著不同的鉆井難度,也對應著不同的開采難度。按照井型油井可以分為直井,水平井,定向井以及大位移井,按照目前我國采油工藝的發(fā)展,水平井采油工技術(shù)發(fā)展比較成熟,具有鉆井穩(wěn)定、上下協(xié)調(diào)、動態(tài)評估、安全性、時效性等基本特征。大位移井技術(shù)是當今世界石油勘探開發(fā)領(lǐng)域最先進的鉆井技術(shù)之一,但是對設備要求比較高,往往適應于復雜地質(zhì)條件,相對來說,工藝復雜度比較高。
2.1.6 油井特殊載荷工況
油井特殊載荷工況是指由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的對管柱的載荷,管柱服役過程中主要有靜載荷,動載荷、交變載荷等,常見的管柱動載荷以及交變載荷如下:
1)振動載荷。鉆井過程中由于鉆頭突起的結(jié)構(gòu)特點,引起鉆柱縱向跳動,當外界的周期干擾力與鉆柱的固有頻率相同時,鉆柱發(fā)生共振。高溫高壓油氣井中,由于流體的沖擊作用及排量和壓力等波動會導致油管柱發(fā)生振動。
2)彎曲載荷。在旋轉(zhuǎn)鉆進條件下,管柱不可避免的與井壁接觸,在同一位置截面處與井壁接觸端受壓而未接觸端受拉,受鉆柱自身旋轉(zhuǎn)影響,每旋轉(zhuǎn)一周應力的變化完成一個循環(huán)。因此,鉆柱上的每一點均承受著對稱的旋轉(zhuǎn)彎曲交變載荷。
3)沖擊載荷。管柱在井下作業(yè)過程中發(fā)生屈曲時與井壁突起或管柱間接觸均會產(chǎn)生沖擊載荷,這種載荷在鉆桿柱及旋轉(zhuǎn)上提下放的套管柱中較為普遍。在射孔等作業(yè)過程中,爆轟造成的沖擊載荷對于油管柱的作用顯著。
4)摩擦載荷。管柱在起、下鉆等作業(yè)過程中與井壁、巖屑、流體接觸產(chǎn)生摩擦載荷。由于井眼直徑由鉆頭外徑?jīng)Q定而一般大于鉆柱直徑,而鉆桿接頭外徑又大于管體,在旋轉(zhuǎn)鉆井方式下,鉆桿接頭將普遍產(chǎn)生偏磨。鉆柱與套管柱接觸也產(chǎn)生摩擦載荷,極端情況下會磨穿套管。油管柱內(nèi)壁的抽油桿柱由于其上下往復運動會產(chǎn)生摩擦載荷。
2.1.7 油井管柱強度折減
地質(zhì)因素產(chǎn)生的環(huán)境載荷往往會由于不同下入工藝導致管柱強度發(fā)生折減,成為威脅安全生產(chǎn)的潛在因素,而且管柱折減有時并不僅僅由一種因素產(chǎn)生,而是多種因素共同作用。管柱強度折減程度越高,說明油井工況就越為苛刻,因此油井管柱強度折減也可作為油井工況的反映指標。
2.1.8 操作人員專業(yè)度
在油氣生產(chǎn)中,需要大量的操作人員進行實地操作,熟練地操作人員可以有效的防范、規(guī)避風險,對于剛參與油田生產(chǎn)的工作人員來講自己本身就是油田安全潛在的風險因素,因此操作人員的專業(yè)度對油井工況評價也有一定程度的影響。
2.2.1 工況分析評價算法
在石油生產(chǎn)中,由于工況導致的人身安全事故很少發(fā)生,由于工況復雜最容易導致的是石油生產(chǎn)停滯或者石油生產(chǎn)效率下降,每口油井每天石油產(chǎn)量都很巨大,如果生產(chǎn)停滯,沒有及時的補救措施,將導致石油產(chǎn)能下降,嚴重影響經(jīng)濟效益。本文將基于LS法建立合理的石油工況分級體系,在油井建設初期,可以根據(jù)本算法對風險進行一定的預防,各參數(shù)的具體劃分見表4、表5。
表4 油井風險分級標準及指導準則
表5 油井工況指標等級評價指導準則及后果嚴重性評價標準
2.2.2 油井工況指標評價方法
2.1節(jié)我們已經(jīng)基于一定的標準提取出了油井工況分級的潛在影響因素,以及可能導致的后果,需要建立合理的對油井工況指標的評價方法。
首先需要對某油井工況指標做出評價,評價等級用A、B、C、D等字母表示,根據(jù)具體劃分類別可以適當延伸。在油田工況指標中,有些有具體劃分標準,如油井深度,可以根據(jù)深度不同采用不同等級,有些沒有具體的評價準則,如操作人員專業(yè)度等,可以采取專家打分的方式獲得評價等級。
在獲得評價等級之后,需要對評價等級進行綜合判定,從而得到油氣井潛在影響因素影響等級。由于在對油田參數(shù)影響因素中,采用字母的方式評價,評價結(jié)果比較模糊,可以將模糊評價轉(zhuǎn)換為定量評價,采取對模糊語言賦分的方式再次評價。賦分方式可以參考表6。
表6 評語等級賦分表
2.2.3 石油工況參數(shù)評價方法
賦分完成后,對賦分結(jié)果求和,在這里我們認為各種工況參數(shù)對油田工況影響程度是相同的,因此采用直接求和的方式得到某一油田工況因素影響評價值,根據(jù)油田工況等級劃分標準,劃分油田工況影響因素評價等級,見表7。
表7 油田工況參數(shù)評價等級
工況指標的數(shù)據(jù)獲取需要有一定的依據(jù),可以根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的難易程度,將石油井工況指標分為兩大類,一類是可以直接獲取數(shù)據(jù)工況指標,這類指標在行業(yè)內(nèi)有直接的劃分依據(jù),對應相應的開采難度,如油井井深,油井溫度以及壓力因素,油井井型以及采油工藝復雜度,還有一類是需要綜合評價的指標,這一類指標收到指標內(nèi)一些要素的影響,要素之間具有一定的相關(guān)性,需要采用相應的方法去獲取總的評價指標,如油井腐蝕介質(zhì)因素、油井特殊載荷工況、操作人員專業(yè)度。
3.1.1 直接獲取評價值工況指標分析
在石油行業(yè)中,油井井深、溫度和壓力因素、石油采油工藝、油井井型有著明確的劃分標準,各類工況指標可以根據(jù)對應的參數(shù)大致劃分為四類,可以根據(jù)級別的不同以及對石油井工況的影響程度不同賦予相應的評語等級,具體劃分標準見表8。
表8 可直接獲取的石油專用管工況指標數(shù)據(jù)
3.1.2 間接獲取評價值工況指標分析
石油開采中,在考慮某一些因素對工況的影響時,需要綜合考慮,這一類因素中的要素都會對油井工況產(chǎn)生影響,而且由于各自所占比例不同,對油井因素的影響也不盡相同,如油井中存在各種各樣的腐蝕介質(zhì),而且含量不同,對油井工況的影響不同,本文利用因素關(guān)聯(lián)方程,對間接獲取工況指標數(shù)據(jù)進行處理,可以很好的解決各因素中要素的關(guān)聯(lián)問題,獲取的數(shù)據(jù)見表9。
表9 間接獲取石油專用管工況數(shù)據(jù)指標
間接獲取的石油專用管工況指標數(shù)據(jù)間往往存在關(guān)聯(lián)度,本文為了統(tǒng)一描述方便,在分析指標相關(guān)程度上采用統(tǒng)一的評語等級標準,見表10。
表10 間接獲取工況指標關(guān)聯(lián)度及評語等級對應關(guān)系
基于LS法,將工況因素評價值與油井后果嚴重性評價值結(jié)合,建立油井工況等級評價矩陣,根據(jù)評價矩陣,可以直接得到油井工況等級,為合理指定生產(chǎn)方案提供參考,油井工況分級矩陣見表11。
表11 油井工況風險分級矩陣
案例1:A油井位于為西部某盆地,完鉆井深為6 810.00 m,采油工藝為三次采油。采用套管固井完井地層壓力為28.50 MPa, 地層溫度為120 ℃,硫化氫含量1.42~19.83 mg/m3, 二氧化碳平均含量為0.00~7.63%, 該井水平段長度1 584 m,豎直段長度為6 810.00 m, 水平段鉆遇白云巖308.7 m,白云巖鉆遇率32.0%;鉆遇氣層233.3 m,氣層鉆遇率14.7%。鉆井液密度約為1.44 g/cm3、地層為礫石巖層。該油井操作人員具有3 a以上工作經(jīng)驗,有專業(yè)資質(zhì)證明,油田會定期組織員工進行培訓。對該油井歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,該油井年產(chǎn)油率均位于正常水平,只有在停井檢修的時候無石油產(chǎn)量。
案例2:B油井是新疆某油田,鉆井設計為直井,實際完鉆井深為7 480 m, 采用四次采油工藝,地層平均溫度為160 ℃,地層最大壓力為68 MPa, 鉆壓為80~100 kN, 泵壓為10.5 MPa, 泥漿密度為1.42 kg/cm3, pH值為8.5,地層巖性為黑色泥巖,地層為沙三1亞段。該油田工作人員經(jīng)驗豐富,普遍有3 a以上工作經(jīng)驗,有專業(yè)資質(zhì)證明,油田定期組織員工培訓。對該油井5 a生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,在第三年發(fā)生過較大生產(chǎn)事故,導致油田產(chǎn)能較上一年下降14%,除此之外油井無產(chǎn)量均為停機檢修階段。
根據(jù)工況指標指數(shù)獲取方式,得到案例1與案例2各影響因素評語等級結(jié)果見表12。
表12 工況指標評語等級以及賦分結(jié)果
對案例1工況指標賦分值進行求和,對應的求和值為23,根據(jù)表7油田工況參數(shù)評價等級得到工況指標等級為3級,各因素對石油生產(chǎn)有影響,最好進行排查預防。尤其對于評語等級為D的因素要進行重點預防。
由于該油井石油產(chǎn)量位于正常水平,5 a內(nèi)并未發(fā)生嚴重后果導致產(chǎn)能下降,因此后果嚴重性評價為1級,由LS法,求得油井風險值為3,根據(jù)表11油井工況分級矩陣,該油井工況為Ⅰ級工況,工況較好。
對案例2工況指標賦分值進行求和,對應的求和值為22,根據(jù)表7油田工況參數(shù)評價等級得到工況參數(shù)等級為3級,各因素對石油生產(chǎn)有影響,最好進行排查預防, 對于評價等級為D的要素要重點預防。
該油井5 a內(nèi)發(fā)生了一次重大安全事故,導致當年產(chǎn)量下降14%,根據(jù)表5,后果嚴重度等級為3級,由LS法,求得油井風險值為9,根據(jù)表11油井工況分級矩陣,該油井工況等級為Ⅲ級,工況一般,有一定的風險因素,需要排查預防。
選取兩個案例進行了分析,第一個案例油井工況等級為Ⅰ級,油田工況相對較好,但是油井工況指標中有一些指標需要重點關(guān)注。我們往往以實際生產(chǎn)能力作為油井工況好壞的評價標準,該油井5 a內(nèi)沒有發(fā)生重大生產(chǎn)事故,說明各方面管控做的比較完善,對一些重點風險因素管理比較到位,從而保證了油井正常工作,根據(jù)本文所建立的方法評價得到的等級與實際基本符合。
第二個案例油井工況等級為Ⅲ級,油田工況一般,盡管導致產(chǎn)能下降,但是下降幅度并不大,除此之外,油井工況參數(shù)中一些因素還需要重點關(guān)注,在實際生產(chǎn)中,該油井發(fā)生過一次安全生產(chǎn)事故,說明某一些管控做的還是不到位,一些重點要素管理不夠完善,累積導致油井安全生產(chǎn)事故發(fā)生,根據(jù)本文建立的方法得到的油井工況等級與實際基本符合。
針對傳統(tǒng)油井工況難以進行準確評定,無法對其中關(guān)鍵要素進行識別,進而做出預防措施,本文基于風險矩陣法,將油井工況等級從工況參數(shù)以及后果嚴重度兩方面進行綜合評定,同時提取了油井工況參數(shù),建立了工況參數(shù)因素關(guān)聯(lián)方程,考慮了多種因素的共同作用。結(jié)果表明,本文建立的方法能夠合理地對工況進行分級,分級結(jié)果與實際相符,為油田制定安全生產(chǎn)管理措施提供了參考。