基于風險矩陣和層次分析法的深水氣井測試作業(yè)風險評估

嚴淳鳀，呂紅剛，孫巧雷，施 雷，張 紅，靳祖文，馮 定,4*

(1.長江大學機械工程學院，荊州 434023；2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心，荊州 434023；3.中國石油長慶油田分公司第九采油廠，西安 710000；4.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100)

在深水油氣資源開發(fā)和勘探中，深水油氣井測試作為其必要手段，對于深水特別是超深水中深水高溫高壓井測試管柱及地面安全風險評估、高產(chǎn)氣井復雜條件下的安全放噴控制要求更高[1]。

在現(xiàn)有的相關(guān)研究中[2-4]，針對深水測試作業(yè)過程中風險分析大多集中在測試過程中水合物防治、測試工藝流程優(yōu)化、地層出砂防治等關(guān)鍵技術(shù)方面。針對單一技術(shù)問題，Chen等[5]針對海底低溫易形成天然氣水合物問題，強調(diào)在深水測試作業(yè)過程中選擇合適的測試液和測試開關(guān)井間隔的重要性，并對影響天然氣水合物形成的因素與防治措施進行了討論；張崇等[6]建立深水氣井測試井筒溫壓場預測模型，研究了測試液性能對井口溫度的影響；Li等[7]采用事故樹分析法對深水測試作業(yè)過程中風險因素進行了分析，得到深水測試事故樹模型；孫巧雷等[8]采用Workbench對測試管柱在不同頻率、不同水深和不同波動幅度軸向力下的動力響應進行了分析及對應的安全系數(shù)進行了計算；Dennis[9]針對測試管柱力學行為、地面流程模塊化設計與工藝流程進行了研究與優(yōu)化。但深水測試作業(yè)是極其復雜的過程，且現(xiàn)有研究尚缺乏對深水油氣井測試作業(yè)系統(tǒng)的風險評估研究，為此，結(jié)合深水測試作業(yè)中潛在的主要風險，劃分了深水測試作業(yè)風險評估評價單元，確立了評價指標，結(jié)合風險矩陣法和層次分析法，計算了各評價指標的風險值與權(quán)重值，最后將其應用于南海某氣井測試作業(yè)的風險評估，以有效降低南海深水高產(chǎn)氣井測試作業(yè)風險，為高產(chǎn)氣井深水測試現(xiàn)場管理提供參考。

1 深水測試風險因素辨識

南海深水氣井測試過程中，影響測試過程安全的環(huán)境與井況因素主要有淺層地質(zhì)災害、海洋環(huán)境影響和井況條件的影響。除了測試作業(yè)過程所處的惡劣海洋環(huán)境所帶來的環(huán)境風險，還有測試作業(yè)所使用的測試設備與工具的自身不安全狀態(tài)，以及現(xiàn)場人員不安全的操作行為與企業(yè)的管理制度問題等[10-11]。根據(jù)以上風險分析從而構(gòu)建出深水測試作業(yè)風險評價指標體系，如圖1所示。

圖1 深水測試作業(yè)風險評價指標體系

2 風險評估模型的建立

2.1 風險矩陣分析

根據(jù)建立的深水測試作業(yè)風險評估指標體系，由現(xiàn)場工作人員或?qū)＜覍Ω鱾€風險評價指標的嚴重程度S和發(fā)生可能性P進行評價打分，從而確立各個風險評價指標的風險值L[12]，可表示為

Li=SiPi

(1)

式(1)中：Li為第i個風險評價指標的風險值；Si為第i個評價指標的嚴重程度；Pi為第i個評價指標的發(fā)生可能性，其取值范圍如表1所示。

表1 嚴重程度與發(fā)生可能性指標量化

2.2 層次分析

基于建立的深水測試作業(yè)風險評估指標體系，對準則層、子準則層、指標層的各項之間的重要性打分，其中，i和j相比重要性等級如為同等重要則量化值為1，稍微重要則量化值為3，較強重要則量化值為5，強烈重要則量化值為7，極端重要則量化值為9；若元素i與j的重要性之比為aij，那么元素j與i的重要性之比為aji=1/aij，量化值取值為1/3、1/5、1/7、1/9；兩相鄰判斷的中間值取值為2、4、6、8或1/2、1/4、1/6、1/8；對重要性打分后構(gòu)造各評價指標間重要性判斷矩陣A為

(2)

依據(jù)式(2)進行一致性檢驗，其表達式為

CR=CI/RI

(3)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(4)

式中：RI為比例系數(shù)，與判斷矩陣的階數(shù)n有關(guān)；CI為一致性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征根；CR為一致性比率。

如果CR<0.1，則認為一致性得到滿足；如果CR≥0.1，應當對判斷矩陣進行修正，直到滿足一致性為止。最后，計算得到各層評價指標元素對目標層的合成權(quán)重[13]。

2.3 風險等級劃分

根據(jù)各風險因素的風險矩陣方法的基本原理，用風險度R衡量深水測試作業(yè)風險的大小，由各風險評價指標所占風險值L和權(quán)重值W的函數(shù)確定，其表達式為

(5)

根據(jù)表2確定對應的風險度分值范圍得到相應的風險等級，將深水測試作業(yè)的風險度劃分為4級。

表2 風險等級劃分

3 實例應用

利用上述模型對中國南海深水某油氣井測試作業(yè)進行風險評估。由油田資料可知，該氣井水深在840～1 030 m，最大風速為80 km/h，平均風速為25 km/h，平均氣溫26.0 ℃；浪高集中在0～6 m，最大浪高為17 m，平均浪高為3 m；無海冰。

以井況與環(huán)境風險因素評價單元為例，通過現(xiàn)場專家打分取平均值的方式，得到井況與環(huán)境風險因素的各個評價指標發(fā)生的嚴重程度與發(fā)生可能性如表3所示。

對各項相對重要性打分后根據(jù)式(2)構(gòu)件井況與環(huán)境風險因素的評價指標相對重要性的判斷矩陣A。

(6)

(7)

式(7)中：WS為歸一化權(quán)重。

同理建立層次分析模型中的其他準則層、方案層及目標層的風險矩陣，最終得到各相關(guān)因素的合成權(quán)重，同時由專家確定各風險因素的發(fā)生可能性及嚴重程度得到風險值，如表3所示?？梢钥闯?，井況與環(huán)境風險因素是南海深水測試作業(yè)面臨的主要風險；而在井況與環(huán)境風險評價單元的7個評價指標中，對南海深水測試影響較大的風險因素分別為內(nèi)波流、淺層氣、和天然氣水合物，其風險度依次為7.826 7、2.393 7、0.944。因此，海流與氣井產(chǎn)氣量是井況與環(huán)境風險的主要影響因素，在生產(chǎn)過程中應重點考慮上述因素帶來的問題，并提前做好防治措施。

表3 評價指標風險度及綜合排序

4 結(jié)論

(1)通過深水測試風險因素的分析及其評價體系構(gòu)建，能劃分深水測試風險單元、梳理深水測試的主要風險單元風險點的組成，便于后續(xù)開展深水測試風險評估。

(2)矩陣分析通過嚴重程度和發(fā)生可能性進行風險值計算對風險進行了具體量化，層次分析方法的應用能有效確定各風險點間的數(shù)值關(guān)系并確定風險點的權(quán)重，矩陣分析和層次分析為風險值的計算提供了依據(jù)，結(jié)合風險等級劃分能明確測試井的風險狀態(tài)。

(3)實例應用結(jié)果表明，實例氣井風險測試狀態(tài)良好，主要風險因素是內(nèi)波流、淺層氣和制度及執(zhí)行，該實例說明了基于風險矩陣和層次分析法進行深水測試井風險評估具有可行性，該方法有助于梳理深水氣井測試作業(yè)風險，為氣井測試現(xiàn)場管理提供參考。

(4)該方法的關(guān)鍵是各風險點的權(quán)重計算，但對于多層次風險的權(quán)重指標、評分標準等還需進一步的研究，以促進中國深水測試風險評估體系的建立。