張紹輝 王帥 潘若生 耿笑然 王玲

1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司；3.中國石油吉林油田分公司油氣工程研究院；4.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院

CO2驅(qū)油可以實現(xiàn)提高原油采收率和地質(zhì)埋存的雙重目的，是一項綠色環(huán)保的驅(qū)油技術(shù)。注采工程是CO2驅(qū)油技術(shù)的關(guān)鍵組成環(huán)節(jié)，起著承上啟下的重要作用，是完成油藏方案提出開發(fā)指標(biāo)的保證，也是地面工程建設(shè)的依據(jù)和出發(fā)點。

CO2驅(qū)注采工程是一項十分龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋范圍廣、種類多、專業(yè)性強、工作環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場安全辨識和風(fēng)險控制難度大［1］。隨著CO2驅(qū)油技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的安全風(fēng)險問題暴露出來。由于CO2氣體的特殊性，CO2注入及采油過程中涉及的安全風(fēng)險與常規(guī)采油有較大的差別。在CO2注入以及采油作業(yè)過程中，由于設(shè)備的缺陷、作業(yè)場所的環(huán)境污染以及其他不可抗拒因素，造成人員健康傷害、設(shè)備及管線損壞、環(huán)境污染等問題［2-5］。利用危險可操作性分析、安全檢查表、作業(yè)條件危險性評價等方法，能夠?qū)Ω魃a(chǎn)流程的風(fēng)險進(jìn)行辨識和分級［6］。相關(guān)學(xué)者對CO2驅(qū)油安全方面的研究主要依靠經(jīng)驗和定性分析，缺乏定量分析與綜合性評價。科學(xué)、合理地分析和評價注采工程安全風(fēng)險因素是提高和完善CO2驅(qū)油技術(shù)安全風(fēng)險管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7］。

層次分析法是一種很好的定性分析與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，是在定性認(rèn)識復(fù)雜決策問題中的要素歸屬、內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的基礎(chǔ)上，以數(shù)學(xué)模型的方式表達(dá)決策者的決策思想，通過量化計算得出最佳方案，能夠?qū)崿F(xiàn)定性和定量的完美結(jié)合［8-9］。作為一種實用的決策工具，層次分析法在工程風(fēng)險評價、方案優(yōu)選、經(jīng)濟效益評價等方面得到了廣泛應(yīng)用［10-16］。筆者對CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險進(jìn)行綜合分析，并應(yīng)用層次分析法對安全風(fēng)險進(jìn)行量化處理與評價，為CO2驅(qū)油安全風(fēng)險決策與管理提供可靠依據(jù)。

1 CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險分析

CO2驅(qū)注采施工過程中涉及人員、設(shè)備、材料、作業(yè)環(huán)境、作業(yè)信息等多種因素。施工人員的不安全行為、設(shè)備的不安全狀態(tài)、材料的不安全存放和使用、作業(yè)環(huán)境的不安全因素、信息的不及時識別和溝通都會成為注采施工的安全風(fēng)險。

通過對CO2驅(qū)注采施工現(xiàn)場調(diào)查、風(fēng)險分析及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系研究，將注采工程安全風(fēng)險分為注采施工風(fēng)險、CO2腐蝕風(fēng)險、安全管理風(fēng)險、環(huán)境保護(hù)及人身安全風(fēng)險等方面。

1.1 注采施工風(fēng)險

在國內(nèi)實施CO2驅(qū)的區(qū)塊中，大多數(shù)為老井轉(zhuǎn)CO2驅(qū)。這些老井并不符合CO2驅(qū)鉆完井要求，未使用氣密封絲扣套管，固井水泥返高不夠，存在著套外氣竄和絲扣漏氣的風(fēng)險。采油過程中，采油井的高壓防噴盒由于光桿的磨損使其承壓能力降低，易發(fā)生刺漏。

由于氣體在地層中的移動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體，壓力易發(fā)生突變，若壓力變化不能被及時發(fā)現(xiàn)并采取有效控制措施，極易發(fā)生井噴失控事故。井控風(fēng)險是CO2驅(qū)面臨的主要風(fēng)險之一。

1.2 CO2腐蝕風(fēng)險

二氧化碳屬于弱酸性氣體，溶于水后形成碳酸，可與管材、設(shè)備中的鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成管材、設(shè)備的腐蝕破壞，在高溫高壓條件下，腐蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重。對于老井轉(zhuǎn)CO2驅(qū)，使用的是J55、N80、P110組合套管，這些套管不防腐，極易發(fā)生腐蝕。

目前CO2驅(qū)注采井筒采取以化學(xué)防腐為主、物理防腐為輔的防腐技術(shù)路線，關(guān)鍵部件使用耐腐蝕材料。緩蝕劑配方體系的研發(fā)、加藥工藝和制度的優(yōu)選對于腐蝕控制至關(guān)重要。

1.3 安全管理風(fēng)險

注采施工現(xiàn)場作業(yè)人員安全意識的高低是決定現(xiàn)場安全管理水平的關(guān)鍵因素。注采作業(yè)過程中，應(yīng)及時進(jìn)行風(fēng)險識別，并制定有效的風(fēng)險控制措施。對于突發(fā)事件，應(yīng)提前制定應(yīng)急預(yù)案。

1.4 環(huán)境保護(hù)及人身安全風(fēng)險

在CO2驅(qū)井下作業(yè)施工過程中，若存在管理不善或防治污染措施不全，易出現(xiàn)井液跑漏情況，造成環(huán)境污染。

CO2驅(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的地質(zhì)埋存，但也帶來了CO2的泄漏風(fēng)險。若CO2大量泄漏會引起大氣系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境的變化，給健康、安全、環(huán)保帶來諸多不利影響。CO2不屬于有毒物質(zhì)，但吸入后會對刺激眼睛及上呼吸道，長時間接觸后會引發(fā)遲發(fā)性肺水腫、成人呼吸窘迫癥等，濃度過高會導(dǎo)致人員窒息死亡，液態(tài)CO2迅速氣化引發(fā)低溫凍傷。CO2注入壓力一般在20 MPa左右，一旦發(fā)生泄漏，高壓必將對作業(yè)人員造成傷害。注入泵房、采油井等區(qū)域，若不按操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，易發(fā)生機械傷害。

2 層次分析法在CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險評價中的應(yīng)用

層次分析法是將決策問題的有關(guān)元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，把人的思維過程層次化、數(shù)量化，并用數(shù)學(xué)方法為分析、決策、預(yù)報或控制提供定量的依據(jù)。方法的主要特點是：在對復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素以及內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析后，構(gòu)建一個層次結(jié)構(gòu)模型，然后利用較少的定量信息，把決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為求解多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供一種簡便的決策方法。層次分析法的基本步驟為：建立層次結(jié)構(gòu)模型；專家賦值，建立判斷矩陣；單層次排序和一致性檢驗；總層次排序，如圖1所示。

圖1 層次分析法流程Fig.1 Flow chart of analytical hierarchy process

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

在安全風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合層次分析法，將注采施工、CO2腐蝕、安全管理、環(huán)境保護(hù)及人身安全設(shè)為準(zhǔn)則層，識別出套外氣竄、桿管磨損刺漏、腐蝕監(jiān)測、施工人員安全意識、井流物排放、高壓傷害等15種風(fēng)險作為方案層，建立了CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

2.2 構(gòu)建判斷矩陣

通過比較確定所有評價因素間的相對權(quán)重，構(gòu)建判斷矩陣，即每次取2個因素mi和mj，以Nij表示mi、mj對總體目標(biāo)的影響大小之比，采用“1～9”標(biāo)度對Nij進(jìn)行賦值，全部比較結(jié)果形成判斷矩陣，具體含義見表1。通過求解判斷矩陣來獲得各指標(biāo)的相對權(quán)重。

圖2 CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Hierarchical structure model of safety risk in the injection and production engineering of CO2 flooding

按照已建立的CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型，分別構(gòu)建不同層次的判斷矩陣，見表2～表6。

表1 “1～9”標(biāo)度的含義Table 1 Meaning of scale “1-9”

表2 CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險重要性判斷矩陣Table 2 Importance judgement matrix of safety risk in the injection and production engineering of CO2 flooding

表3 注采施工風(fēng)險重要性判斷矩陣Table 3 Importance judgement matrix of injection and production risk

表4 CO2腐蝕風(fēng)險重要性判斷矩陣Table 4 Importance judgement matrix of CO2 corrosion risk

表5 安全管理風(fēng)險重要性判斷矩陣Table 5 Importance judgement matrix of safety management risk

表6 環(huán)境保護(hù)及人身安全風(fēng)險重要性判斷矩陣Table 6 Importance judgement matrix of environmental protection and personal safety risk

2.3 檢驗矩陣一致性及計算元素的相對權(quán)重

為評價層次排序的有效性，必須對判斷矩陣的評定結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗，檢驗專家對各指標(biāo)相對權(quán)重的判斷是否合理。為此，提出隨機一致性比值CR，當(dāng)CR=0時，滿足完全一致性；當(dāng)CR＜0.1時，認(rèn)為一致性得到滿足；當(dāng)CR≥0.1時，認(rèn)為權(quán)重值不合理，應(yīng)返回到專家賦值階段，直到得到滿意的一致性為止。CR計算公式為

式中，RI為平均隨機一致性指標(biāo)，與判斷矩陣的階數(shù)n有關(guān)，見表7；CI為一致性指標(biāo)。

表7 平均隨機一致性指標(biāo)RITable 7 Average stochastic consistency index RI

CI計算公式為

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根。

若矩陣符合一致性檢驗，將其最大特征值對應(yīng)的特征向量歸一化后作為權(quán)重向量。上述各矩陣的一致性檢驗和權(quán)重向量計算結(jié)果見表8。

2.4 計算元素的合成權(quán)重

在確定各層次指標(biāo)的相對權(quán)重后，需要計算最低一層指標(biāo)權(quán)重折算到相對目標(biāo)層上來，求得指標(biāo)的合成權(quán)重。方案層所有風(fēng)險因素對CO2驅(qū)注采工程安全的影響程度及總排序見表9。

在影響CO2驅(qū)注采工程安全的4類風(fēng)險因素中，風(fēng)險從高到低排序為：CO2腐蝕風(fēng)險、注采施工風(fēng)險、安全管理風(fēng)險、環(huán)境保護(hù)及人身安全風(fēng)險。CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險影響因素合成權(quán)重及總體排序結(jié)果顯示，對注采工程安全影響程度從高到低排序為：油套管材質(zhì)、套外氣竄、緩蝕劑性能、施工人員安全意識、絲扣漏氣、加藥工藝和制度、桿管磨損刺漏、高壓傷害、風(fēng)險識別和控制措施制定、腐蝕監(jiān)測、井控、機械傷害、窒息凍傷中毒、應(yīng)急預(yù)案制定、井流物排放。

表8 矩陣一致性檢驗和權(quán)重向量計算結(jié)果Table 8 Results of matrix consistency check and weight vector calculation

表9 合成權(quán)重及總體排序Table 9 Synthetic weight and general ranking

2.5 結(jié)果分析

CO2腐蝕是CO2驅(qū)注采工程安全面臨的最大風(fēng)險，影響注采工程安全因素排在前3位的油套管材質(zhì)、套外氣竄、緩蝕劑性能都與腐蝕相關(guān)。對于CO2驅(qū)新井和轉(zhuǎn)CO2驅(qū)的老井，需做好CO2腐蝕風(fēng)險評價與控制。在關(guān)鍵部位選用耐腐蝕材料，做好與地層相適應(yīng)緩蝕劑配方體系的研發(fā)，控制好套外氣竄。施工人員的安全意識也是影響注采安全的重要因素。通過開展安全培訓(xùn)與教育，加強對高壓高含CO2油氣井施工的認(rèn)識，提高員工安全風(fēng)險意識，落實崗位責(zé)任制，強化施工過程監(jiān)督與控制，力求從本質(zhì)上控制安全風(fēng)險源。

3 結(jié)論及建議

（1）CO2驅(qū)注采工程存在的主要安全風(fēng)險包括注采施工風(fēng)險、CO2腐蝕風(fēng)險、安全管理風(fēng)險、環(huán)境保護(hù)和人身安全風(fēng)險等。

（2）通過建立CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型，對施工安全影響因素進(jìn)行量化評價，CO2腐蝕是CO2驅(qū)注采工程安全面臨的最大風(fēng)險。應(yīng)在關(guān)鍵部位選用耐腐蝕材料，做好與地層相適應(yīng)緩蝕劑配方體系的研發(fā)，控制好套外氣竄。

（3）施工人員的安全意識也是影響安全的重要因素。應(yīng)加強員工安全培訓(xùn)與教育，提高員工安全風(fēng)險意識，強化施工過程監(jiān)督與控制，實現(xiàn)本質(zhì)安全。

（4）層次分析法在CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險評價中的應(yīng)用，量化了注采工程安全風(fēng)險影響因素，為CO2驅(qū)注采工程安全風(fēng)險決策與管理提供依據(jù)。

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