何漢平

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

0 引言

隨著高溫高壓高酸性油氣田開發(fā)力度的增加，為降低開采風(fēng)險(xiǎn)，保障油氣井在整個(gè)生命周期的井筒完整性起著至關(guān)重要的作用。井筒完整性不僅需要在結(jié)構(gòu)和功能上是完整的，而且要使井筒事故風(fēng)險(xiǎn)處于可控范圍內(nèi)，同時(shí)，操作者能夠不斷采取措施降低井筒事故發(fā)生的可能性。在油氣井生產(chǎn)過程中，影響井筒完整性失效的主要因素有環(huán)空帶壓、完井管柱滲漏和腐蝕、套管柱腐蝕、水泥環(huán)和井口裝置密封不良及套管頭發(fā)生移動(dòng)等[1-8]。對于井筒完整性來說，上述因素往往相互耦合共同影響井筒完整性。然而目前大多數(shù)學(xué)者只針對單因素進(jìn)行了研究，而對井筒多因素風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)較少。另外，針對井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，普遍采用的是定性分析方法，僅僅依靠專家的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)去確定井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)權(quán)重，往往存在一定的局限性。為此，結(jié)合Borda序值法以及油套管定量評價(jià)等方法，開展了井筒完整性評價(jià)。

1 井屏障風(fēng)險(xiǎn)因素設(shè)置

按照油氣井生產(chǎn)階段的工藝和技術(shù)特點(diǎn)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，將油氣生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)成因性指標(biāo)分為液體屏障因素、機(jī)械屏障因素以及操作管理屏障因素3大類[9-10]。機(jī)械屏障主要包括地層、油套管柱、水泥環(huán)、管柱密封等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；液體屏障主要包括靜液柱壓力與液體腐蝕性因素；操作管理屏障主要包括環(huán)空帶壓管理、管理機(jī)構(gòu)設(shè)置、管理制度以及風(fēng)險(xiǎn)教育與培訓(xùn)因素等。本文主要考慮管柱力學(xué)、管柱腐蝕、管柱密封、管柱附件密封、水泥環(huán)力學(xué)、地層以及油氣井管理等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)因素的相互耦合協(xié)同作用對井筒完整性的影響。對井筒完整性評價(jià)的主要因素劃分如圖1所示。

圖1 井筒完整性屏障劃分及影響因素Fig.1 The division of wellbore integrity barrier and its influencing factors

2 井筒完整性多因素耦合評價(jià)方法

油氣井井筒關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)比較多且各因素之間存在相互作用的特點(diǎn)。對于上述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的評價(jià)，需要定性及定量相結(jié)合的方法。對于管柱力學(xué)及水泥環(huán)組合體力學(xué)等具有比較明確物理意義且有比較完善的標(biāo)準(zhǔn)或操作規(guī)范供參考，采用定量分析評價(jià)；對于操作管理等難以量化的因素采用定性評價(jià)，對于腐蝕環(huán)境因素采用定量與定性相結(jié)合的方法進(jìn)行評價(jià)。在定性及定量評價(jià)的基礎(chǔ)之上，對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)影響程度的劃分及量化，再基于層次分析及風(fēng)險(xiǎn)矩陣的方法建立井筒完整性評價(jià)模型。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)因素風(fēng)險(xiǎn)影響程度與概率的劃分

在評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)影響程度時(shí)，可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素影響程度的大小進(jìn)行等級的劃分，將某風(fēng)險(xiǎn)因素對井筒完整性造成影響的嚴(yán)重程度分為5個(gè)等級[11-13]，即：影響非常高、影響高、中等影響、影響低、影響非常低。為了使各級別更具體直觀性以及方便評價(jià)，將5個(gè)級別分別給與賦值區(qū)間(4,5),(3,4],(2,3],(1,2],(0,1]。同樣地將影響井筒完整性破壞因素發(fā)生的概率分為5個(gè)等級即：經(jīng)常發(fā)生、發(fā)生的可能性比較大、可能發(fā)生、發(fā)生的可能性較小、幾乎不發(fā)生；為了使各級風(fēng)險(xiǎn)更具有直觀性以及方便評價(jià)，將5個(gè)可能性等級分別給與賦值區(qū)間(85,100),(60, 85],(40,60],(10,40],(0,10]。在此基礎(chǔ)上參與評價(jià)的專家根據(jù)有關(guān)資料及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對風(fēng)險(xiǎn)因素影響程度的劃分和打分，根據(jù)評分結(jié)果通過科學(xué)的計(jì)算方法確定各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素的影響等級，進(jìn)而構(gòu)建對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣。對與評價(jià)出來的風(fēng)險(xiǎn)影響比較高的因素，應(yīng)進(jìn)行有針對性的防范治理。

以螺紋密封以及套管柱腐蝕為例進(jìn)行說明其風(fēng)險(xiǎn)影響程度以及風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的量化及等級的劃分，具體量化及等級劃分見表1至表4。對于其他風(fēng)險(xiǎn)因素依據(jù)其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范以及經(jīng)驗(yàn)做參考劃分其影響程度等級及風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。

表1 螺紋密封失效風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)影響程度等級劃分及量化

表2 螺紋密封失效概率指標(biāo)量化及可能性劃分

表3 套管柱腐蝕失效指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)影響程度等級劃分及量化

表4 套管柱腐蝕概率指標(biāo)量化及可能性劃分

2.2 風(fēng)險(xiǎn)等級量化

對于井筒完整性的風(fēng)險(xiǎn)等級的確定，為了比較直觀的表示風(fēng)險(xiǎn)等級，把風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為5個(gè)等級區(qū)間，如表5所示。

表5 風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)間劃分

采用差值的方法更加細(xì)致地表示風(fēng)險(xiǎn)等級：

(1)

式中：R*為當(dāng)前評價(jià)評價(jià)因素的風(fēng)險(xiǎn)等級。

其原理是：假設(shè)某風(fēng)險(xiǎn)因素的影響程度S在[S1，S2]之間，RP為該因素發(fā)生的可能性，且RP在[RP1，RP2]區(qū)間內(nèi)，用R*表示該因素的風(fēng)險(xiǎn)等級，且R*在[RR1，RR2]區(qū)間內(nèi)，那么就存在一個(gè)與[RR1，RR2]線性相關(guān)的表達(dá)式且可以求出R*。

表6 風(fēng)險(xiǎn)等級量化

對于風(fēng)險(xiǎn)等級的確定，有時(shí)會有多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級的情況，這種情況對井筒完整性的評價(jià)是有影響的，引入了Borda序值法降低這種情況的影響[14]。Borda原理如下：

(2)

式中：B11為當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)因素的Borda序值；當(dāng)k=1時(shí)，RR111表示比當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)影響程度等級高的因素個(gè)數(shù)；當(dāng)k=2時(shí)，RR112表示比當(dāng)前因素風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性更大的因素個(gè)數(shù)。

2.3 井筒完整性評價(jià)的綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

對于1口井不僅需對單個(gè)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析評價(jià)，往往這些因素是相互協(xié)同作用共同影響著井筒的完整性。井筒完整性綜合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)計(jì)算公式如下：

(3)

式中：RRij為風(fēng)險(xiǎn)等級量化值；uij為風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 實(shí)例井概況及風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1.1 實(shí)例井地層基本概況

實(shí)例井區(qū)塊地層構(gòu)造平緩，低幅度構(gòu)造，斷裂不發(fā)育，斷層數(shù)量少，延伸短，斷距小、傾角陡。該實(shí)例井氣層中部溫度為157℃，溫度梯度介于1.9～2.1℃之間，為低地溫梯度；氣層中部壓為69 MPa，壓力系數(shù)介于1～1.11之間，為正常壓力系統(tǒng)。根據(jù)對儲層、構(gòu)造及溫壓系統(tǒng)的介紹可知該氣藏屬于高含硫、地層構(gòu)造簡單、正常壓力、低地溫梯度類型。

另外，該井儲層主要產(chǎn)出天然氣，甲烷平均含量為83%，CO2平均含量為8%，H2S平均含量為5%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6168-2009對含硫氣藏分類的規(guī)定，該氣藏為高含H2S、中含CO2氣藏。

3.1.2 環(huán)空保護(hù)液性能

所用環(huán)空保護(hù)液性能為添加了緩蝕劑、抑制劑及其他試劑的無固相有機(jī)酸鹽，對油套管具有防腐的作用。環(huán)空保護(hù)液的具體性能要求：pH大于9.5，凝點(diǎn)不大于-17℃，密度為1.3 g/cm3，對碳鋼的腐蝕速率不大于0.076 mm/a；

3.1.3 完井管柱設(shè)計(jì)

根據(jù)選材圖版和該井腐蝕分壓預(yù)測，結(jié)合前期完成的腐蝕試驗(yàn)評價(jià)結(jié)果，該井完井管柱材質(zhì)選擇4C及以上材質(zhì)油管；該井綜合考慮產(chǎn)能、沖蝕、攜液及儲層改造等因素，選擇φ89 mm+73 mm組合油管；按施工要求，生產(chǎn)管柱抗拉安全系數(shù)應(yīng)不小于1.8，抗內(nèi)壓和抗外擠安全系數(shù)均不小于1.25，為了保證井口油管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，滿足長期安全生產(chǎn)要求，采用4C及以上125鋼級的φ88.9 mm×7.34 mm+φ88.9 mm×6.45 mm+φ73 mm×5.51 mm復(fù)合油管。油管所用鋼級為125，扣型為VAM TOP氣密封扣。

3.1.4 實(shí)例井管柱強(qiáng)度校核

校核發(fā)現(xiàn)抗內(nèi)壓的最小安全系數(shù)為1.59，抗擠的最小安全系數(shù)為1.24，抗拉的最小安全系數(shù)為1.82，三軸的最小安全系數(shù)為1.71，說明套管柱強(qiáng)度在安全范圍之內(nèi)。

3.2 井筒完整性評價(jià)結(jié)果

依據(jù)前文所述風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，編制相應(yīng)計(jì)算軟件，對于實(shí)例井的風(fēng)險(xiǎn)因素排序結(jié)果見圖2所示，由圖2中排序結(jié)果可以看出，對于管柱強(qiáng)度來說，抗拉失效最容易出現(xiàn)；對于水泥環(huán)風(fēng)險(xiǎn)失效來說，固井質(zhì)量影響著水泥環(huán)的完整性，在固井質(zhì)量良好的情況下，水泥環(huán)最容易出現(xiàn)抗拉失效。對于實(shí)例井來說，氣層中部溫度為157℃，氣層中部壓力為69 MPa，H2S平均含量5%，其腐蝕環(huán)境比較嚴(yán)重，所以評價(jià)出來的其腐蝕環(huán)境因素排序值比較高。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)因素排序結(jié)果Fig. 2 Ranking results of risk factors

由圖2可以看出，對實(shí)例井井筒完整性影響最大的因素為腐蝕環(huán)境，其次為材料的適用性、地層溫度以管柱的抗拉失效因素，較為安全的因素為水泥環(huán)的力學(xué)完整性及管柱強(qiáng)度。

對于1口井，不僅需要對單個(gè)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析評價(jià)，這些因素往往是相互協(xié)同作用共同影響著井筒的完整性，實(shí)例井綜合評價(jià)結(jié)果如圖3所示。

圖3 井筒完整性綜合風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果Fig.3 Results of wellbore integrity risk

由圖3可以看出，生產(chǎn)階段該井井筒完整性存在的風(fēng)險(xiǎn)級別為一般風(fēng)險(xiǎn)，其綜合風(fēng)險(xiǎn)值為2.095 9。在所有評價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)因素中，酸性氣體腐蝕最容易造成該井井筒完整性失效，該風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究結(jié)果與文獻(xiàn)中該區(qū)塊井筒發(fā)生的失效相類似[15]，驗(yàn)證了本文所建井筒完整性評價(jià)方法具有一定的合理性。依據(jù)評價(jià)結(jié)果，對于該井日后的生產(chǎn)管理，應(yīng)及時(shí)監(jiān)測及監(jiān)測井筒的腐蝕狀況，預(yù)防重大事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

1)基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣評價(jià)方法及層次分析法建立了綜合考慮了管柱力學(xué)、管柱腐蝕、管柱密封、管柱附件密封、水泥環(huán)力學(xué)、地層以及油氣井管理等多因素的井筒完整性評價(jià)方法。

2)依據(jù)實(shí)例井的基本情況，對其進(jìn)行了完整性風(fēng)險(xiǎn)分析。評價(jià)結(jié)果表明，對井筒完整性影響最大的因素為腐蝕環(huán)境，其次為材料的適用性、地層溫度以管柱的抗拉失效因素對井筒造成風(fēng)險(xiǎn)也是可觀的。該風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)中該區(qū)塊井筒發(fā)生的失效類似，驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法在井筒完整性風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方面的可行性和適用性。

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