嚴(yán)淳鳀，呂紅剛，孫巧雷，施 雷，張 紅，靳祖文，馮 定,4*

(1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(fēng)險評估、高產(chǎn)氣井復(fù)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(fēng)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(jìn)行了討論；張崇等[6]建立深水氣井測試井筒溫壓場預(yù)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(fēng)險因素進(jìn)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(yīng)進(jìn)行了分析及對應(yīng)的安全系數(shù)進(jìn)行了計算；Dennis[9]針對測試管柱力學(xué)行為、地面流程模塊化設(shè)計與工藝流程進(jìn)行了研究與優(yōu)化。但深水測試作業(yè)是極其復(fù)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(fēng)險評估研究，為此，結(jié)合深水測試作業(yè)中潛在的主要風(fēng)險，劃分了深水測試作業(yè)風(fēng)險評估評價單元，確立了評價指標(biāo)，結(jié)合風(fēng)險矩陣法和層次分析法，計算了各評價指標(biāo)的風(fēng)險值與權(quán)重值，最后將其應(yīng)用于南海某氣井測試作業(yè)的風(fēng)險評估，以有效降低南海深水高產(chǎn)氣井測試作業(yè)風(fēng)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(fēng)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(zāi)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(fēng)險，還有測試作業(yè)所使用的測試設(shè)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(fēng)險分析從而構(gòu)建出深水測試作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 深水測試作業(yè)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

2 風(fēng)險評估模型的建立

2.1 風(fēng)險矩陣分析

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

Li=SiPi

(1)

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

表1 嚴(yán)重程度與發(fā)生可能性指標(biāo)量化

2.2 層次分析

基于建立的深水測試作業(yè)風(fēng)險評估指標(biāo)體系，對準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層、指標(biāo)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(biāo)間重要性判斷矩陣A為

(2)

依據(jù)式(2)進(jìn)行一致性檢驗，其表達(dá)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(biāo)；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(rèn)為一致性得到滿足；如果CR≥0.1，應(yīng)當(dāng)對判斷矩陣進(jìn)行修正，直到滿足一致性為止。最后，計算得到各層評價指標(biāo)元素對目標(biāo)層的合成權(quán)重[13]。

2.3 風(fēng)險等級劃分

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

(5)

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

表2 風(fēng)險等級劃分

3 實例應(yīng)用

利用上述模型對中國南海深水某油氣井測試作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險評估。由油田資料可知，該氣井水深在840～1 030 m，最大風(fēng)速為80 km/h，平均風(fēng)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(fēng)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(fēng)險因素的各個評價指標(biāo)發(fā)生的嚴(yán)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(fēng)險因素的評價指標(biāo)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(zhǔn)則層、方案層及目標(biāo)層的風(fēng)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(fēng)險因素的發(fā)生可能性及嚴(yán)重程度得到風(fēng)險值，如表3所示。可以看出，井況與環(huán)境風(fēng)險因素是南海深水測試作業(yè)面臨的主要風(fēng)險；而在井況與環(huán)境風(fēng)險評價單元的7個評價指標(biāo)中，對南海深水測試影響較大的風(fēng)險因素分別為內(nèi)波流、淺層氣、和天然氣水合物，其風(fēng)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(fēng)險的主要影響因素，在生產(chǎn)過程中應(yīng)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(biāo)風(fēng)險度及綜合排序

4 結(jié)論

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

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

(3)實例應(yīng)用結(jié)果表明，實例氣井風(fēng)險測試狀態(tài)良好，主要風(fēng)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(fēng)險矩陣和層次分析法進(jìn)行深水測試井風(fēng)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(fēng)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(fēng)險點的權(quán)重計算，但對于多層次風(fēng)險的權(quán)重指標(biāo)、評分標(biāo)準(zhǔn)等還需進(jìn)一步的研究，以促進(jìn)中國深水測試風(fēng)險評估體系的建立。