孫富強(qiáng)，閆怡飛，張勝躍，閆相禎，劉毅璠

(1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院 山東 青島 266580；2.中國石油大學(xué)(華東)CAE技術(shù)研究中心 山東 青島 266580)

0 引 言

環(huán)空帶壓是當(dāng)前儲氣庫注采作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的井筒環(huán)空帶壓力異常現(xiàn)象，根據(jù)API RP 14B中的內(nèi)容可知，其出現(xiàn)原因多種多樣。同其他形式的氣井環(huán)空帶壓相同，儲氣庫注采井筒環(huán)空帶壓的出現(xiàn)，也會導(dǎo)致注采井管柱的泄漏，影響管柱的安全性，對日常的生產(chǎn)造成不同程度的影響。目前，針對儲氣庫注采井井筒內(nèi)部的環(huán)空帶壓異常現(xiàn)象分析及其形成機(jī)制的研究不斷深入，為儲氣庫注采井筒的環(huán)空帶壓安全性研究提供了方向。Kenneth在環(huán)空帶內(nèi)部氣體溫度和密度的基礎(chǔ)上，模擬出了環(huán)空帶壓出現(xiàn)異常的過程變化[1]。閆相禎等結(jié)合井筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于雙流體模型對UGS力學(xué)研究方法進(jìn)行了一定的修正[2]。Yang等針對失環(huán)和偏心環(huán)空狀態(tài)下的環(huán)空帶壓變化進(jìn)行了分析，建立了瞬態(tài)傳熱模型和流體流動模型[3]。雖然針對儲氣庫注采井環(huán)空帶壓異常問題的研究不斷深入，但是由于井筒內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性，僅依靠單一的指標(biāo)對環(huán)空帶壓的異常波動進(jìn)行監(jiān)測和分析結(jié)果是不準(zhǔn)確的[4]。所以，想要更好地對儲氣庫注采作業(yè)中的壓力進(jìn)行評估和監(jiān)測，就必須采用更加全面的安全評估與應(yīng)急預(yù)警體系。相關(guān)評估和預(yù)警體系，在頁巖氣井環(huán)空帶壓的控制中研究的比較深入，曾德智等采用模糊評價(jià)的方法，設(shè)計(jì)出了頁巖氣井環(huán)空帶壓的定量安全評價(jià)體系[5]。張智等通過對頁巖氣井儲層壓力、定量變化和腐蝕磨損等情況進(jìn)行綜合性考量，提出了頁巖氣井環(huán)空帶壓的臨界值控制方法[6]。隨著儲氣庫建設(shè)數(shù)量和規(guī)模不斷增加，對于儲氣庫的研究開發(fā)投入不斷增大，針對儲氣庫注采井進(jìn)行研究和分析，建立起一套適合儲氣庫注采井筒壓力評估和監(jiān)測的流程體系是非常必要的。

本文對儲氣庫注采過程中環(huán)空安全屏障失效機(jī)理進(jìn)行了分析，探究環(huán)空帶壓異常的具體原因，并結(jié)合API RP 90-2《陸上油田環(huán)空帶壓管理推薦做法》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對儲氣庫注采井筒環(huán)空帶壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)優(yōu)化；同時(shí)在綜合考量各井屏部件安全性的前提下，建立起了針對儲氣庫井注采生產(chǎn)的自動化控制分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了事故原因及位置的有效分析；此外，本文還根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，建立了風(fēng)險(xiǎn)分級矩陣，為事故風(fēng)險(xiǎn)級別的有效判定提供了依據(jù)，為儲氣庫注采井的風(fēng)險(xiǎn)管控和處理提供有效的支撐。

1 儲氣庫井注采風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 儲氣庫環(huán)空帶壓分析技術(shù)

儲氣庫環(huán)空帶壓分析的技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

1.2 儲氣庫環(huán)空帶壓的變化與控制

儲氣庫注采過程中，各環(huán)空都處于密閉的狀態(tài)，其內(nèi)部壓力通常都保持為0，其注采擾動或溫度等環(huán)境因素變化所引起的環(huán)空部位壓力的變化，都可通過頂部的安全閥有效地調(diào)控。但是由于氣體泄漏等原因所導(dǎo)致的環(huán)空壓力異常(P≠0)，通過安全閥的調(diào)整很難實(shí)現(xiàn)有效的控制，這時(shí)就導(dǎo)致了環(huán)空帶壓的產(chǎn)生。

1.3 儲氣庫井安全屏障失效機(jī)理

根據(jù)環(huán)空帶壓類型的不同，將A、B、C環(huán)空之間的安全屏障分為四種不同的形式：初級安全屏障、次級安全屏障、三級安全屏障以及外部屏障。注采過程中氣體通過不同的屏障會導(dǎo)致不同環(huán)空帶壓的產(chǎn)生，氣體的泄漏過程便形成了其泄漏途徑。組成各屏障的部件比較多，任何一個(gè)部件的失效都會導(dǎo)致相應(yīng)氣體泄漏途徑的形成，氣體泄漏的原因分析必須細(xì)化到每一個(gè)具體的組成部件上。當(dāng)前各屏障失效的具體原因已經(jīng)超過了20種[7]，其具體的失效形式和相互關(guān)系如圖2所示。因此，基于屏障失效形式的復(fù)雜性，建立起更為簡潔的儲氣庫注采井氣體泄漏途徑模擬圖，結(jié)合不同的元件形式，形成儲氣庫安全屏障失效分析流程圖，對于判斷儲氣庫的安全屏障失效原因有著極大的幫助。

圖2中將各環(huán)空帶壓出現(xiàn)的原因以R1-R16的形式列出，各原件失效類型與氣體泄漏流程圖相對應(yīng)。通過儲氣庫井筒簡化示意圖，可以清晰地將環(huán)空帶壓出現(xiàn)的位置對應(yīng)到氣體泄漏流程圖中，然后根據(jù)流程圖中各原因的組合形式，分析可能出現(xiàn)的元件失效情況，為井屏失效具體原因的確定提供了系統(tǒng)化的分析流程。

圖2 UGS安全屏障失效形式分析及地層流體無控制泄漏模式分析

2 儲氣庫環(huán)空帶壓安全監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)分級綜合處理體系

2.1 儲氣庫注采井筒環(huán)空壓力臨界值基礎(chǔ)確定形式

當(dāng)前儲氣庫環(huán)空帶壓臨界值計(jì)算并未形成明確的標(biāo)準(zhǔn)，參照API RP 90標(biāo)準(zhǔn)中海上油氣井井口最大允許帶壓值的確定方法[8]，結(jié)合儲氣庫井環(huán)空帶安全屏障失效機(jī)理分析，同時(shí)，結(jié)合API RP 90-2《陸上油田環(huán)空帶壓管理推薦做法》的標(biāo)準(zhǔn)，基于儲氣庫注采井筒環(huán)境以及油套管的強(qiáng)度分析，得到儲氣庫注采井筒中環(huán)空帶壓臨界值的基本確定形式[9]：

(1)

公式(1)中，PA為A環(huán)空的壓力控制值，MPa；Ppb為生產(chǎn)套管的抗壓強(qiáng)度，MPa；Ptc為油管的抗外擠強(qiáng)度，MPa；PiXb為第X技術(shù)套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；PBX為BX環(huán)空的井口壓力控制值，MPa；Pi(n-2)c為外第n-2層技術(shù)套管的抗挖外擠強(qiáng)度，MPa；Psb為表層套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；Pcb為導(dǎo)管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；Pi(n-1)c為第n-1層技術(shù)套管的抗外擠強(qiáng)度，MPa；PC為C環(huán)空井口壓力控制值，MPa；Pinc為第n層技術(shù)套管的抗外擠強(qiáng)度，MPa。

2.2 儲氣庫注采井環(huán)空壓力臨界值確定改進(jìn)形式

根據(jù)1.3中的安全屏障失效形式模式分析流程，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)空帶壓的產(chǎn)生可能是由于組成安全屏障的任意一個(gè)元器件故障、儲氣庫具體井屏組成形式的多樣化。因此，UGS環(huán)空帶壓泄漏監(jiān)測工程中設(shè)置安全帶壓的臨界值，還必須分析安全屏障中其他元器件的承壓能力。

當(dāng)確定儲氣庫注采井環(huán)空壓力的臨界值時(shí)，綜合分析封隔器承壓能力、井口裝置承壓能力、技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度、生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度、生產(chǎn)套管抗外擠強(qiáng)度、油管抗外擠強(qiáng)度和表層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，得到更為精確的儲氣庫注采井環(huán)空壓力臨界值計(jì)算式：

Pmax=min{P1,P2,P3,P4,P5,P6}

(2)

其中，Pmax為環(huán)空帶壓選取最大臨界值，MPa；P1為表層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；P2為生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；P3為技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；P4為油管抗外擠強(qiáng)度，MPa；P5為封隔器承壓能力，MPa；P6為井口裝置承壓能力，MPa。

結(jié)合API RP 90-2標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)下的儲氣庫環(huán)空壓力臨界值基本計(jì)算形式，在一定安全系數(shù)的前提下，儲氣庫注采井環(huán)空壓力臨界控制值為：

Pmax=min{0.3P1,0.8P2,0.5P3,0.75P4,P5,P6}

(3)

同時(shí)，在分析環(huán)空流體壓力以及時(shí)間性腐蝕和磨損的情況下，可以計(jì)算出各部位臨界壓力隨時(shí)間變化的具體數(shù)值，為環(huán)空壓力值的動態(tài)判斷和安全監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)保護(hù)提供了更準(zhǔn)確的定量依據(jù)[6]：

(4)

公式(4)中：Ppb(t) 為腐蝕、磨損后套管的最小抗壓強(qiáng)度，MPa；Pin為套管內(nèi)環(huán)空保護(hù)液壓力，MPa；Ppout為套管外流體壓力，MPa；Pib為磨損后技術(shù)套管最低抗壓強(qiáng)度，MPa；Pio為技術(shù)套管外部的流體壓力，MPa；Pin為技術(shù)套管內(nèi)部的流體壓力，MPa；Ptc(t) 為腐蝕作用和儲層壓力衰減影響下的套管最低抗外擠強(qiáng)度，MPa；Ptout為油管外部的環(huán)空保護(hù)液壓力，MPa；Ptin為油管內(nèi)部的流體壓力，MPa；Pce為封隔器承壓等級，MPa；Pd(t) 為封隔器下部流體壓力，MPa；Pu為封隔器上部流體壓力，MPa；Pw為井口裝置額定工作壓力，MPa。

2.3 環(huán)空帶壓安全監(jiān)測和事故分析系統(tǒng)

根據(jù)上文對儲氣庫注采井環(huán)空帶壓安全臨界值的判定分析，可以更加準(zhǔn)確地確定環(huán)空帶壓的安全性。為了更加有效地對環(huán)空帶壓值進(jìn)行安全監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其異常波動情況并初步判斷事故產(chǎn)生的原因，本文在環(huán)空帶壓安全臨界值的基礎(chǔ)上建立起了儲氣庫環(huán)空帶壓安全監(jiān)測和事故分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)儲氣庫環(huán)空帶壓值的動態(tài)監(jiān)測和判斷，并及時(shí)分析帶壓值異常波動的影響大小和原因，實(shí)現(xiàn)更加高效的安全監(jiān)測和事故初步分析。其具體的工作流程如圖3所示。

圖3 環(huán)空帶壓安全監(jiān)測和事故分析流程

通過上述UGS井筒注采壓力安全對偶事件及流程分析，可以對A環(huán)空帶壓值的安全性進(jìn)行判斷，確定其安全性的數(shù)值。同時(shí)還可以通過帶壓異常原因綜合分析流程，依次對其產(chǎn)層組分、泄漏速率和壓力值變化范圍進(jìn)行分析，判斷問題出現(xiàn)的位置，為進(jìn)一步的事故處理提供建議。

3 環(huán)空帶壓各因素風(fēng)險(xiǎn)矩陣分級評價(jià)

在儲氣庫井自動化控制分析系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)上，為了保證相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測和判斷更加準(zhǔn)確，根據(jù)公式(4)中對于儲氣庫環(huán)空帶壓臨界值的具體計(jì)算形式，結(jié)合儲氣庫注采過程中自動化系統(tǒng)，對環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生位置和原因的自動分析，可以進(jìn)一步對環(huán)空帶壓各主要因素的出現(xiàn)概率及其造成的后果進(jìn)行一定的評價(jià)分析，得出儲氣庫環(huán)空帶壓各危險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)矩陣分級評價(jià)表。

在風(fēng)險(xiǎn)矩陣分級評價(jià)過程中，首先需要根據(jù)儲氣庫環(huán)空帶各安全屏障組成零件的失敗可能性，確定出其失效的似然水平，將基本事件發(fā)生的概率分為經(jīng)常發(fā)生、可能發(fā)生、有時(shí)發(fā)生、很少發(fā)生以及不發(fā)生五種，見表1。

表1 似然等級分類表

根據(jù)各基本事件發(fā)生后對儲氣庫整體運(yùn)營所造成的損失大小，建立事故后果等級分級表，將基本事件發(fā)生后引起的事故后果劃分為五個(gè)等級，分別是非常嚴(yán)重、嚴(yán)重、一般、較輕以及輕五個(gè)等級，見表2。

表2 事故后果分級

依據(jù)專家評判和模糊集理論，確定基本事件發(fā)生的失效可能性等級和先驗(yàn)概率，同時(shí)根據(jù)專家打分法，確定出基本事故造成的后果的具體等級?；臼录l(fā)生概率以及后果分級評價(jià)見表3。

根據(jù)事故的發(fā)生概率以及事故發(fā)生后引起的后果，做出危險(xiǎn)因素風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖，如圖4所示。利用后果嚴(yán)重程度和失效等級得出儲氣庫注采過程中的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖，圖中的方框確定風(fēng)險(xiǎn)等級值，X軸位置為后果嚴(yán)重程度數(shù)，Y軸位置是失效等級數(shù)。風(fēng)險(xiǎn)水平是結(jié)果和可能性的乘積，由公式(風(fēng)險(xiǎn)等級=結(jié)果×可能性)決定。矩陣中的每個(gè)方框都有一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級編號，并且有五個(gè)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)等級類別:⑤—嚴(yán)重(17～25)、④—高(13～16)、③—顯著(9～12)、②—中等(4～8)和①—低(1～3)。

表3 基本事件的發(fā)生概率及后果分級

圖4 儲氣庫環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

根據(jù)儲氣庫環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖的計(jì)算評價(jià)原則，結(jié)合各基本事件的事故發(fā)生概率分級以及事故后果分級，可以得出最終的各基本事件的風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果，見表4。

表4 基本事件風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果

根據(jù)最終的基本事件風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，事件X2、X5、X10最終的風(fēng)險(xiǎn)類別為②級別，相應(yīng)事故發(fā)生后產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果為“中等”；事件X1、X3、X4、 X7、 X9、X11、X12最終的風(fēng)險(xiǎn)類別為③級別，相應(yīng)事故發(fā)生后產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果為“顯著”；事件X6、X8最終的風(fēng)險(xiǎn)類別為④級別，相應(yīng)事故發(fā)生后產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果為“高”；幾類基本事件中沒有出現(xiàn)最低風(fēng)險(xiǎn)級別以及最高風(fēng)險(xiǎn)級別。

4 結(jié) 論

1)為了保障儲氣庫井交變載荷作用下井筒的環(huán)空帶壓監(jiān)測，對儲氣庫注采井環(huán)空帶安全屏障的16個(gè)組成部件進(jìn)行了井屏失效原因分析，總結(jié)了23種主要的氣體泄漏途徑，并在此基礎(chǔ)上建立了儲氣庫安全屏障失效風(fēng)險(xiǎn)分析流程圖，為儲氣庫環(huán)空帶壓異?，F(xiàn)象的原因排查提供了方法。

2)以不同失效條件下儲氣庫井屏部件的臨界環(huán)空壓力計(jì)算分析公式為基礎(chǔ)，結(jié)合井屏的安全控制系數(shù)，對環(huán)空井屏部件的6個(gè)壓力控制方程進(jìn)行了優(yōu)化，為環(huán)空壓力值的動態(tài)判斷和安全監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)保護(hù)提供了更準(zhǔn)確的定量依據(jù)，并以此為基礎(chǔ)建立了安全監(jiān)測和事故初步分析控制系統(tǒng)。

3)采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法確定了儲氣庫總閥泄漏、安全閥泄漏以及生產(chǎn)套管封隔器泄漏等11個(gè)基本事件的最終風(fēng)險(xiǎn)等級，為儲氣庫注采進(jìn)程中環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)場管控和處理提供了定量化的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了失效風(fēng)險(xiǎn)的分級評價(jià)。評價(jià)結(jié)果顯示，生產(chǎn)套管封隔器部位及其下部的生產(chǎn)套管泄漏是主要風(fēng)險(xiǎn)因素，需要在儲氣庫運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)中特別進(jìn)行監(jiān)控。