段永鴻

(中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會，北京 100723)

0　引言

含硫氣藏全球資源量巨大，據HIS的RIS21數據庫2004年6月統(tǒng)計，僅北美以外地區(qū)H2S含量大于10%的天然氣藏儲量就超過9.8×1012m3。目前全球已發(fā)現400多個具有工業(yè)價值的高含H2S和CO2氣田(藏)，主要分布在加拿大、美國、法國、德國、俄羅斯、中國和中東地區(qū)[1-3]。自上世紀60年代起，我國首次在川渝地區(qū)的嘉陵江組地層發(fā)現含H2S天然氣，目前我國含硫氣藏已展開大規(guī)模的勘探開發(fā)。在開發(fā)過程中，含硫氣井也不可避免地發(fā)生過井噴、井漏等事故，例如美國得克薩斯州近10年發(fā)生含硫氣井井噴28起，占井噴總數的12%[4-6]。我國含硫天然氣資源十分豐富，川東北H2S氣田群更是典型的高含硫、特高含硫天然氣田，在鉆井過程中也面臨著顯著的安全風險。與此同時，高含硫氣田中H2S和CO2的劇毒性和強腐蝕性對管材、井下設備及井口裝置的性能提出了更高的要求，復雜的地層條件對工程設計的要求也更高，并且考慮到井場多位于居民區(qū)附近，一旦發(fā)生鉆井安全事故可能造成巨大的經濟損失、人員傷亡乃至嚴重的社會負面影響。

目前國內外對于鉆井過程中的風險評價研究主要包括安全屏障模型、Bow-tie模型、風險矩陣、概率分析等，但這些方法只能夠對鉆井過程中存在的風險進行定性分析。例如，佟彤[7]基于安全屏障方法對鉆井作業(yè)進行了研究；何龍[8]針對鉆井過程中的井涌、井漏、井塌及酸性氣體氣侵等方面進行了完整性研究，分析了鉆井過程中可能存在的風險因素；張智等[9]基于層次分析法對高含硫氣井的風險進行了評價研究，并對風險因素進行了排序；傅盛林[10]通過研究地層壓力的不確定性問題，采用概率分析相關理論以風險概率為指標建立了鉆井風險評價模型；部分學者[11-16]通過層次風險法對鉆井過程中的風險因素進行分析，取得了良好的效果。但是目前的風險評價模型未考慮含H2S氣井的特殊性，所得模型存在定性分析不夠全面、定量性差的缺點，因而并不適用于含H2S氣井。鑒于此，本文針對含H2S氣井的特殊性，將鉆井風險分為地質力學、地質構造、工程設計參數及腐蝕與H2S溢出對人員設備環(huán)境造成危害的安全作業(yè)因素4個方面，采用風險矩陣與風險權重相結合的方法，將各個因素進行模糊優(yōu)化，來定量分析鉆井風險，以得到含H2S氣井的鉆井風險因素排序，確定風險等級，為現場生產提供指導。

1　安全風險源識別

1.1　風險因素識別

本文建立的總體評價模型包括地質力學、地質構造、工程設計參數，以及腐蝕與H2S溢出等對人員設備環(huán)境造成危害的安全作業(yè)因素共4個方面，評價模型主要風險因素見圖1。

圖1　鉆井安全總體風險因素Fig.1　General risk factors of drilling safety

地質力學風險因素劃分為地層孔隙壓力當量密度、地層坍塌壓力當量密度、地層破裂壓力當量密度、地層漏失壓力當量密度、最大水平主應力和最小水平主應力，見圖2。

圖2　地質力學風險Fig.2　Risk factors of geomechanics

地質構造風險因素劃分為是否為碳酸鹽巖地層、是否為異常壓力層、是否為鹽膏地層、是否有淺層氣、是否為裂縫溶洞性地層，見圖3。

圖3　地質構造風險Fig.3　Risk factors of geological structure

工程設計風險因素劃分為鉆井液當量密度、抽汲壓力系數、激動壓力系數、壓差允值、溢流系數及地層壓裂安全增值等，見圖4。

圖4　工程設計風險Fig. 4　Risk factors of engineering design

針對含H2S氣井的安全作業(yè)風險，重點考慮油套管腐蝕及H2S溢出對人員、裝備及環(huán)境的影響，對其原因進行分析，得到影響鉆井安全作業(yè)的風險因素為管材抗腐蝕性能、H2S及CO2濃度、壓差允值、流速、防腐措施，見圖5。

圖5　腐蝕與H2S溢出等安全作業(yè)風險Fig.5　Risk factors of corrosion or overflow for safety operations

1.2　風險因素模糊優(yōu)化

鉆井安全風險因素層次劃分后，需要將不同風險因素的影響程度進行模糊優(yōu)化，從而實現風險因素從定性到定量的轉化。本文以地質構造為例，針對含硫地層的特點，著重考慮其對鉆井過程的影響，并將影響程度進行模糊優(yōu)化，得到量化劃分值，具體量化見表1至表5[15-16]。

1)碳酸鹽巖

表1　碳酸鹽巖影響程度模糊優(yōu)化Table 1　Quantification of carbonate rock influence

2)異常壓力層

表2　異常壓力層影響程度模糊優(yōu)化Table 2　Quantification of abnormal pressure layer influence

3)鹽膏層

表3　鹽膏層影響程度模糊優(yōu)化Table 3　Quantification of salt gypsum layer influence

4)淺層氣

表4　淺層氣影響程度模糊優(yōu)化Table 4　Quantification of shallow gas influence

5)裂縫溶洞

表5　裂縫溶洞性地層影響程度模糊優(yōu)化Table 5　 Quantification of fracture and karst cave

1.3　風險因素權值確定

根據地質力學、地質構造、工程設計參數，以及腐蝕與H2S溢出等因素的從屬關系，開展分級管理，確定風險層次，然后根據同一層次2個風險因素之間的重要性構建判斷矩陣，計算出各個因素的權值。

首先，針對鉆井過程中安全風險的風險因素進行分組，以形成不同的層次，見圖6。

圖6　層次分析法層次一般劃分方法Fig.6　AHP general level division method

其次，構建判斷矩陣進一步計算出風險因素的權重。通過比較處于同一從屬關系下不同因素的重要性比值確定權重，通常采用“1-9”比例標度進行賦值，形成判斷矩陣，其中aij表示風險Ci和Cj的比例標度。

構建一致性判斷矩陣A有：

(1)

當A符合一致性要求時，將其最大特征根λmax對應的特征向量歸一化后記為權重向量，它表示判據中的權重。

為了保證判斷矩陣的合理性，通常要對其進行一致性檢驗，如果不滿足要求，需重新構造判斷矩陣，以保證得到的權重具有一定的合理性。檢驗一致性的準則如下：

(2)

式中：CI為一致性判斷指標；n為判斷矩陣的階數；λmax為判斷矩陣最大特征值。

在得出一致性指標CI后，Saaty給出了不同階數所對應的平均隨機一致性指標RI，見表6。

表6　RI與判斷矩陣階數的關系Table 6　The relation of RI and matrix

(3)

式中：RI為常數，隨著n的變化而變化。

當計算結果CR小于0.1時，則構造的判斷舉證具有一定的合理性；若CR大于0.1，則構造的判斷矩陣不具有一致性，需要重新構建判斷矩陣。

2　綜合風險計算

對于一口井，往往是多種風險因素共同影響井筒完整性，因此，不能僅僅對單個因素進行風險分析評價。在層次分析法確定各風險因素權值的基礎上，根據各風險因素的等級量化值，可求得鉆井安全的綜合風險，計算公式如下：

(4)

式中：RRi為風險等級量化值；ui為風險因素權值。

把鉆井安全風險等級劃分為5個等級區(qū)間，如表7所示。

表7　風險等級區(qū)間劃分Table 7　Classification of risk grade interval

根據鉆井安全的綜合風險計算結果可以得到鉆井安全風險的量化等級。

3　實例應用分析

利用本文風險評價模型開展含H2S，CO2氣井鉆井安全風險評價如下。該井基本情況為：儲層埋深大于4 500 m、儲層壓力為86 MPa、儲層溫度為140℃，屬于高溫高壓氣藏，對油管柱、生產套管、井下工具和井口裝置的性能要求較高。天然氣中H2S含量為5.70～11.04 g/m3，CO2含量為28.87～48.83 g/m3，酸性氣體分壓高，井下管柱及采氣井口材質防腐要求高，其井身結構見圖7。

圖7　井身結構示意Fig.7　Sketch map of well structure

以鉆井安全作業(yè)風險為目標，由專家對“地質力學因素”、“地質構造因素”及“工程設計因素”的相對重要性程度進行賦值后，建立判斷矩陣A1如下：

A1=(aij)4×4=

對判斷矩陣評定結果進行一致性檢驗，求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax1=4.029 7,n=4，查得RI=0.9，根據式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax1=(0.067 7,0.237 6,0.130 5,0.564 1)T

以地質力學因素為目標，采用層次分析法，由專家對各元素的相對重要性程度進行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax2=6.306 7,n=6，查得RI=1.24，根據式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax2=(0.366 5,0.216 7,0.179 0,0.112 4，0.061 4，0.064 1)T

以地質構造因素為目標，采用層次分析法，由專家對各元素的相對重要性程度進行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax3=5.072 1,n=5，查得RI=1.12，根據式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax3=(0.263 6,0.477 3,0.053 1,0.098 9,0.107 2)T

以地質力學因素為目標，采用層次分析法，由專家對各元素的相對重要性程度進行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax4=6.638 4,n=6，查得RI=1.24，根據式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax4=(0.442 3, 0.192 5, 0.143 7, 0.102 7, 0.048 0, 0.070 8)T

以安全作業(yè)因素為目標，采用層次分析法，由專家對各元素的相對重要性程度進行賦值后，建立判斷矩陣如下：

求解出方案層判斷矩陣A的最大特征根為λmax5=5.122 7,n=5，查得RI=1.12，根據式(2)和式(3)得出，矩陣滿足一致性要求，特征向量為：

Wmax5=(0.263 6,0.477 3,0.053 1,0.098 9,0.107 2)T

按照上述方法得到所有風險的權值，按照層次結構對鉆井安全風險進行歸一化處理，并使所有的風險因素的權重總和為“1”。根據鉆井資料得到各風險因素的影響程度量化值和權值，如表8所示。

表8　風險因素的影響程度量化值和權值Table 8　Quantification value and weight value of risk factors

可以得到鉆井安全的綜合風險評價結果如下：

該井的鉆井安全綜合風險為3.39，可以看出該井在鉆井過程中的風險等級屬于較高風險，與實際情況相符。對風險因素的風險度進行排序后，可以看出該井最大的風險因素為“H2S濃度、CO2濃度”，其次需要注意的風險因素為“管材抗腐蝕性能”。因此，在鉆井過程中需重點考慮腐蝕因素帶來的影響，做好預防措施；需選用耐H2S，CO2腐蝕的管材。

4　結論

1)基于模糊優(yōu)化與風險矩陣方法建立了考慮地質力學、地質構造、工程設計及安全作業(yè)因素等多因素的含H2S氣井鉆井作業(yè)安全風險評價方法。

2)通過對風險因素進行模糊處理，確定了鉆井作業(yè)安全風險因素的權值、量化值及風險度的計算方法，建立了含H2S氣井的鉆井作業(yè)安全風險的等級評價模型，實現了對含H2S氣井鉆井過程中風險的等級評價及主要風險因素的識別。

3)將建立的鉆井作業(yè)風險評價方法應用于某井，進行了實例分析。實例評價結果表明，對鉆井作業(yè)風險影響最大的因素為“H2S濃度、CO2濃度”；同時，“管材抗腐蝕性能”、“異常壓力”2個影響因素也值得注意。該風險評價結果與實際鉆井情況相符，驗證了本文建立的評價模型在鉆井安全風險評價方面的可行性。

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