劉祥康，汪傳磊, 周 浪, 陳 奎, 余 曼, 張 林

(中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院)

當(dāng)前基于屏障分析為核心的三高氣井完整性分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于川渝地區(qū)的三高氣井完整性評價[1-4]，但將該方法推廣至非三高氣井完整性評價后，出現(xiàn)了顯著的不適應(yīng)性，主要體現(xiàn)在：三高氣井需要劃分兩級完整性屏障進行評估，但川渝地區(qū)大量的氣井沒有采用封隔器完井管柱，很難劃分兩級屏障；原有的評價方法重視單個屏障失效分析，僅根據(jù)單一的屏障部件發(fā)生失效來定性評估某一級完整性屏障是否失效，并劃分氣井完整性等級，這導(dǎo)致很多非三高氣井評價過于保守，評價結(jié)論和現(xiàn)場實際不符?；诖?，本文將事件樹分析方法引入氣井完整性評價，從系統(tǒng)的角度綜合分析氣井完整性屏障的可靠性。

該分析方法首先分析氣井屏障系統(tǒng)發(fā)生泄漏的通道和沿泄漏路徑各個相關(guān)井屏障部件的可靠性，然后從系統(tǒng)可靠性的角度建立氣井泄漏可靠性框圖，并在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)泄漏的邏輯關(guān)系式，計算氣井發(fā)生泄漏的概率大小。

一、川渝地區(qū)氣井完整性評價的難點

川渝地區(qū)氣井完整評價主要存在三個方面的挑戰(zhàn)：①氣井差異性，主要體現(xiàn)在氣田類型多，溫度、壓力以及井內(nèi)腐蝕環(huán)境均不同；氣井完井工藝差異大，井筒屏障結(jié)構(gòu)差異大；單井投產(chǎn)時間差異大，氣井處于不同的生命周期內(nèi)；②單井井下狀況復(fù)雜多變，尤其是大量長期生產(chǎn)的老氣井的井下管柱的腐蝕情況、環(huán)空壓力來源及泄漏原因限于技術(shù)條件無法搞清；③可操作性，氣井完整性評價數(shù)據(jù)來源應(yīng)容易獲取，評價方法應(yīng)滿足不同類型、不同生產(chǎn)階段氣井的完整性分析的需要[5]。

二、事件樹分析法的引入

事件樹分析(Event Tree Analysis，ETA)法是一種邏輯的演繹法，它以初始事件為起點，按照事故的發(fā)展順序，分成階段，一步一步地進行分析，直到達(dá)到系統(tǒng)故障或事故為止。事件樹分析法既可以定性地了解整個事件的動態(tài)變化過程，又可以定量計算出各階段的概率，最終了解事故發(fā)展過程中各種狀態(tài)的發(fā)生概率[6-9]。

氣井發(fā)生井筒流體泄漏至地表或大氣的情況是由于一系列沿氣井泄漏路徑的完整性屏障發(fā)生失效導(dǎo)致的，單獨一個完整性屏障的失效不會直接導(dǎo)致流體發(fā)生泄漏至地表，因此，最終泄漏事件發(fā)生是由于一系列次級事件的發(fā)生導(dǎo)致的，為了將該事件樹分析方法引入作如下設(shè)定：①井筒流體不受控制泄漏至地面或鄰井定義為最終的泄漏事件；②分析導(dǎo)致泄漏發(fā)生的不同的潛在泄漏路徑，并分別以每條泄漏路徑為分析對象，分析通過該泄漏路徑發(fā)生最終泄漏事件的概率;③泄漏起點處屏障部件泄漏事件設(shè)置為初始事件，泄漏路徑上各級屏障部件發(fā)生泄漏的事件設(shè)置為中間次級事件；④各個屏障部件泄漏概率應(yīng)結(jié)合工況條件變化進行修正。

基于以上設(shè)定，確定氣井泄漏路徑和對應(yīng)的井完整性屏障部件后，應(yīng)在此基礎(chǔ)上編制單井事件樹，并依托繪制的事件樹繪制發(fā)生泄漏事件的邏輯框圖，最后根據(jù)邏輯框圖形成每一條泄漏路徑的泄漏概率計算邏輯關(guān)系式，計算沿泄漏路徑發(fā)生泄漏的概率[10-11]。

三、氣井泄漏路徑識別及事件樹建立

1.泄漏路徑識別

從系統(tǒng)分析的角度，分析由屏障部件組成的井完整性系統(tǒng)的泄漏風(fēng)險。為了實現(xiàn)定量計算，首先需要分析氣井潛在的泄漏至地表和大氣中的通道。如圖1和圖2所示，為兩口氣井的潛在泄漏路徑分析示意圖。其中Q1井潛在泄漏路徑為3條：

圖1 Q1井潛在泄漏路徑

圖2 Q2潛在泄漏路徑

通道①：長興組→井筒→石炭系儲層→鄰井井筒和地面采輸管線→進入地表。

通道②：長興組→井筒→油層套管和套管頭→B環(huán)空→技術(shù)套管和套管頭→C環(huán)→地表。

通道③：長興組→井筒→井口大四通、采氣樹→進入大氣。

Q2井潛在泄漏路徑為2條：

通道①：石炭系→封隔器完井管柱或油層套管及水泥環(huán)→井口裝置→地表。

通道②：石炭系→封隔器完井管柱或油層套管及水泥環(huán)→各級套管、懸掛及水泥環(huán)→表層套管及水泥環(huán)→近地表層→進入大氣。

2.泄漏事件樹建立

在識別出氣井潛在的泄漏路徑后，在泄漏路徑的基礎(chǔ)上繪制氣井發(fā)生泄漏的事件樹，以Q2井的泄漏路徑為例，建立Q2井的事件樹如下圖3和圖4所示。

圖3 Q2潛在泄漏路徑1事件樹

圖4 Q2潛在泄漏路徑2事件樹

從事件樹上可以直觀的看到，井筒流體沿井筒屏障部件的流動方向，只有在沿泄漏路徑方向上所有屏障失效，才會發(fā)生氣井流體泄漏出大氣的情況。事件樹的建立為后續(xù)建立系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖提供了條件。

四、屏障部件可靠性

1.部件分類及可靠性取值

目前對于氣井井下發(fā)生泄漏進行精確評估還無法實現(xiàn)，因此，為了簡化分析流程，便于失效數(shù)據(jù)分析，本文將天然氣井井筒完整性屏障部件主要分為4大類：采氣樹和井口大四通；封隔器完井管柱；表層套管和套管頭及固井水泥環(huán)；技術(shù)套管、油層套管及套管頭、固井水泥環(huán)。并將失效形式分為井口外漏、地表竄氣、井下管柱竄漏三種情況。

統(tǒng)計四川共823口存在完整性屏障失效的氣井?dāng)?shù)據(jù)，將統(tǒng)計獲得的失效頻次數(shù)據(jù)與國外井屏障失效數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行比較得到氣井屏障失效頻次數(shù)據(jù)[12](如表1)。結(jié)果顯示川渝地區(qū)氣井的屏障失效數(shù)據(jù)與國外統(tǒng)計時效數(shù)據(jù)基本一致，但封隔器完井管柱失效頻次國內(nèi)遠(yuǎn)高于國外，分析認(rèn)為是川渝地區(qū)采用封隔器完井的氣井樣本數(shù)量較低導(dǎo)致。

表1 氣井屏障部件失效頻次

2.部件可靠性取值的修正

通過前面統(tǒng)計的方法獲取的屏障部件失效頻次為新完成井井屏障部件失效的頻次，在實際應(yīng)用中存在兩種情況：

(1)有充分證據(jù)表明井下某屏障部件已經(jīng)嚴(yán)重削弱甚至完全失效，例如通過井下多臂井徑測井發(fā)現(xiàn)油管腐蝕嚴(yán)重甚至出現(xiàn)穿孔的情形。

(2)由于井下工況發(fā)生變化，某屏障已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前井下耐溫、耐壓或耐腐蝕要求。

存在如上兩種情形時，需要調(diào)整屏障部件的失效頻次取值，對已經(jīng)失效的部件，失效頻次取值設(shè)定為1次/年；對明確存在削弱的部件，不滿足當(dāng)前井下工況的部件失效頻次按照經(jīng)驗或室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)取值(0.25～1)次/年。

五、氣井完整性屏障系統(tǒng)發(fā)生泄漏的概率計算

在進行系統(tǒng)分析時，無論是系統(tǒng)還是子系統(tǒng)，一般均可看作由若干單元通過一系列的邏輯關(guān)系所構(gòu)成，故任何巨系統(tǒng)都可劃分為只有串聯(lián)或并聯(lián)的子系統(tǒng)。然后根據(jù)各個子系統(tǒng)或元件在系統(tǒng)中的邏輯關(guān)系，對其可靠度進行對應(yīng)的邏輯運算得到系統(tǒng)的可靠度[13-14]。

采用系統(tǒng)方法分析氣井屏障泄漏風(fēng)險分析時，應(yīng)分別逐一分析潛在泄漏路徑發(fā)生的泄漏風(fēng)險。為此，結(jié)合前面事件樹建立泄漏路徑的邏輯關(guān)系圖。以Q2井泄漏路徑1為例，建立氣井發(fā)生儲層氣體泄漏至大氣的事件邏輯關(guān)系框圖，如圖5所示。

圖5 氣井泄漏事件邏輯關(guān)系圖

圖中P1、P2、P3、P4分別為在泄漏路徑上涉及的各井屏障部件發(fā)生次級泄漏事件的概率，單位為頻次/年。根據(jù)該邏輯結(jié)構(gòu)，可以看到儲層流體首先可以通過封隔器、油管柱、油層套管和套管外水泥環(huán)三條線路(并聯(lián))進入井筒環(huán)空，然后通過井口裝置外漏進入大氣(串聯(lián))。為此建立如下邏輯關(guān)系式：

P=[P1∪P3∪(P2∩P4)]∩P5

式中P為氣體沿該泄漏路徑泄漏至大氣的概率，單位為頻次/年；基于概率計算的加法定律和獨立性假設(shè)，根據(jù)邏輯關(guān)系式，獲得如下的該潛在泄漏路徑的發(fā)生泄漏的概率計算公式：

P=(P1+P3+P2P4-P1P3-P1P2P4-P2P3P4+2P1P2P3P4)P5

將單個屏障部件的可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)(失效頻次)輸入該計算公式，計算出該潛在泄漏路徑發(fā)生泄漏的可能性為1.195×10-3次/年。

六、結(jié)論

(1)本定量分析方法從系統(tǒng)角度去分析氣井完整性屏障，以潛在泄漏路徑作為分析對象，分析系統(tǒng)中各個屏障部件與發(fā)生氣井泄漏事件的邏輯關(guān)系，計算氣井泄漏風(fēng)險大小。

(2)采用該系統(tǒng)定量分析方法有別于傳統(tǒng)的三高氣井完整性評價方法，可廣泛應(yīng)用于不同類型和不同生產(chǎn)階段的氣井完整性失效風(fēng)險評估。

(3)井完整性系統(tǒng)泄漏風(fēng)險定量計算結(jié)果可以作為井完整性評價分級的參考依據(jù)，應(yīng)用于單井完整性評價。