任 壘，陳元強(qiáng)，雷俊杰，黃 玲

(1.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南濮陽 457001 2.中國石化中原油田分公司采油三廠，河南濮陽 457001)

1 前言

為了彌補(bǔ)區(qū)域天然氣季節(jié)性缺口，我國自2007年起全面加快了地下儲氣庫建設(shè)進(jìn)程，其中，利用枯竭油氣藏改建地下儲氣庫是目前的主要趨勢。相關(guān)事故統(tǒng)計結(jié)果表明，由封堵井引發(fā)的氣體泄漏是該類儲氣庫的主要事故類型之一。因此，封堵井的安全與否直接關(guān)系到整個儲氣庫的運(yùn)行安全。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)外針對儲氣庫井的完整性研究主要集中在注采井，封堵井因受井內(nèi)灰塞的限制，無法像注采井一樣通過下入監(jiān)測工具測試獲得井筒及儲體的相關(guān)信息，故針對封堵井的完整性評價難度較大。目前，基于風(fēng)險分析的封堵井完整性評價是一種相對成型技術(shù)手段，部分石油公司、科研人員在該領(lǐng)域已取得了一定的研究進(jìn)展，如OXAND和Schlumberger提出的P&R法(Performance and Risk management)即在井?dāng)?shù)據(jù)搜集、分析的基礎(chǔ)上利用SIMEOTMStor平臺模擬封堵井氣體泄漏事件的發(fā)展過程并采用風(fēng)險圖對封堵井泄漏風(fēng)險等級進(jìn)行判定[1,2]；加拿大C-FER Technologies公司采用故障樹法(Fault Tree Analysis)建立了封堵井完整性失效模型并提出了失效風(fēng)險和平均失效時間的計算公式[3]；Bert Metz等人[4]建立了一種特征(Features)、事件(Events)和過程(Processes)(簡稱FEP)方法的泄漏風(fēng)險評估體系，通過構(gòu)建FEP數(shù)據(jù)庫，為潛在的風(fēng)險提供相應(yīng)的處置對策。此外，一些國內(nèi)學(xué)者也提出了基于AHP法(Analytical Hierarchy Process)、模糊數(shù)學(xué)等理論的風(fēng)險綜合分析方法，如李琦等人[5]提出的CO2RISKEYE方法由修正后的Oldenburg篩選排序法、Bachu現(xiàn)場篩選法和層次分析法構(gòu)成，用于不同階段的CO2地質(zhì)埋存風(fēng)險分析。

但需指出的是，以上研究對象均為常規(guī)油氣田封堵井或用于CO2地質(zhì)封存的封堵井，與儲氣庫封堵井相比在井筒所處地下環(huán)境、泄漏氣體組分及泄漏產(chǎn)生機(jī)理等方面均存在較大差異。

近年來，國內(nèi)也相繼出臺了相關(guān)的法規(guī)和監(jiān)管體系以完善廢棄井管理，如中國石化發(fā)布的Q/SH 0653-2015《廢棄井封井處置規(guī)范》中對廢棄井進(jìn)行了風(fēng)險分類劃分[6]，但上述均為定性風(fēng)險分析，可供借鑒的儲氣庫封堵井風(fēng)險量化評價案例鮮有報道。在此背景下，本文以W儲氣庫為例，分別采用故障樹法和層次分析法(Analytic Hierarchy Process)實現(xiàn)了對儲氣庫封堵井的泄漏風(fēng)險因素識別和井控風(fēng)險量化評價，在確定封堵井泄漏風(fēng)險等級的基礎(chǔ)上，完善了相應(yīng)的日常管理制度，以保障儲氣庫的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2 封堵井氣體泄漏途徑

W儲氣庫庫區(qū)范圍內(nèi)共有44口廢棄井，為了防止地層氣體沿井筒和管外發(fā)生竄漏，廢棄井封井時均采用了“地層+管外+井筒”的多級封堵模式，即對產(chǎn)層段擠注特殊堵劑封層；對管外固井質(zhì)量差的井段鍛銑套管或射孔后實施二次固井；對井筒注連續(xù)灰塞并上覆防腐重泥漿至井口。

盡管在封井過程中已對產(chǎn)層段實施了擠堵、對套管問題或固井質(zhì)量差的井段實施了修套或二次固井等一系列措施且作業(yè)后試壓結(jié)果均達(dá)到了施工要求，但考慮到封堵井井筒所處的環(huán)境較為復(fù)雜，如當(dāng)臨近的注采井大范圍強(qiáng)注強(qiáng)采時，封堵井水泥環(huán)在交變載荷和溫壓交替等因素的作用下可能出現(xiàn)接觸面膠結(jié)失效或在其內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，從而引發(fā)地層氣體泄漏[7]。結(jié)合目前封堵井的井筒工況，地層氣體潛在的泄漏通道主要包括以下3條路徑(圖1)。

圖1 地層氣體泄漏通道示意

2.1 通過水泥環(huán)泄漏

目前，針對水泥環(huán)泄漏機(jī)理的研究已較為成熟，水泥環(huán)引發(fā)的氣體泄漏可進(jìn)一步細(xì)分至以下3種方式：經(jīng)圍巖和水泥環(huán)界面的微間隙①；經(jīng)套管和水泥環(huán)界面的微間隙②；經(jīng)水泥環(huán)本體內(nèi)微裂縫③。

2.2 通過灰塞泄漏

灰塞泄漏機(jī)理與水泥環(huán)泄漏機(jī)理類似，同樣存在經(jīng)接觸界面微間隙④和灰塞本體內(nèi)裂縫⑤兩條途徑。

2.3 通過套管泄漏

由于封堵井服役時間久，套管狀況復(fù)雜，同時可能遭受電化學(xué)腐蝕，非均衡應(yīng)力等方面的影響，破壞套管的密封性，引發(fā)地層氣體經(jīng)套管漏點(diǎn)散逸⑥。

3 封堵井氣體泄漏風(fēng)險主控因素識別

根據(jù)上述的3類氣體泄漏途徑可以看出水泥環(huán)密封失效、灰塞封堵失效及套管柱失效是導(dǎo)致地層氣體泄漏的主要原因。為此，本文將地層氣體泄漏至井筒作為頂事件(T)，將經(jīng)水泥環(huán)泄漏(M1)、經(jīng)灰塞泄漏(M2)及經(jīng)套管柱泄漏(M3)作為中間事件，通過建立封堵井泄漏故障樹模型[8,9]，得到了導(dǎo)致頂事件發(fā)生的10個基本事件，分別為：臨井注采氣活動X1；鹽巖蠕動X2；高壓注水X3；地震X4；擠堵施工X5；氣層堵劑性能X6；水泥漿性能X7；注灰施工X8；套管腐蝕X9，螺紋失效X10，見圖2。

圖2 封堵井地層氣體泄漏事故故障樹模型

由于在封井施工前，開展了系統(tǒng)的氣層堵劑、水泥漿性能室內(nèi)實驗，因此可以認(rèn)為此次封井施工使用的氣層堵劑、水泥漿指標(biāo)均符合施工要求，進(jìn)而篩選得到封堵井地層氣體泄漏風(fēng)險的8項主控因素：X1、X2、X3、X4、X5、X8、X9、X10。

4 封堵井泄漏風(fēng)險量化評價

4.1 主控因素權(quán)重計算

為了更加客觀地判定各主控因素對地層氣體泄漏風(fēng)險的影響程度，首先依據(jù)8項主控因素的自身特點(diǎn)將其歸納為工程風(fēng)險、地質(zhì)風(fēng)險、井筒風(fēng)險和自然風(fēng)險4類，在此基礎(chǔ)上，建立了如圖3所示的層次結(jié)構(gòu)模型。

圖3 層次結(jié)構(gòu)模型

邀請8位儲氣庫建設(shè)領(lǐng)域?qū)＜也捎?～9數(shù)量標(biāo)度對各項主控因素進(jìn)行兩兩比較后構(gòu)建了判斷矩陣，并運(yùn)用AHP法計算獲得各層要素相對上層要素的相對概率值，通過將同類要素的概率值算術(shù)平均，最終得到反映專家群體意見的綜合權(quán)重，結(jié)果如表1所示。

表1 各層要素權(quán)重計算結(jié)果

通過復(fù)合求解法[10]得出地層氣體泄漏風(fēng)險主控因素相對目標(biāo)層的權(quán)重分布，見圖4。

圖4 各主控因素權(quán)重分布

4.2 主控因素考核指標(biāo)篩選

考慮到部分主控因素的評價指標(biāo)較多，為了簡化分析，通過橫向比較后優(yōu)選出最佳指標(biāo)用于主控因素量化考核，具體如下。

4.2.1注采氣活動

注采氣活動對封堵井的影響主要體現(xiàn)在注氣壓力和井距兩個方面，考慮到W儲氣庫目前仍處于墊底氣注入階段且注氣時各注氣井井口壓力基本一致，因此，選取井距作為注采氣活動的考核指標(biāo)。

4.2.2高壓注水

W儲氣庫儲氣層位上部發(fā)育一套油層，目前主要通過水驅(qū)方式采油，注水壓力約30 MPa，參考注采氣活動指標(biāo)篩選方法，選取注水井與封堵井井距作為該項考核指標(biāo)。

4.2.3擠堵施工

W儲氣庫擠堵施工時采用的低壓擠注法，即控制擠注壓力低于地層破裂壓力，以避免擠堵過程中壓開地層形成新的裂縫。若堵劑實際用量與設(shè)計用量存在較大偏差，很大程度上反映出堵劑未對炮眼孔道或人工裂縫深部實現(xiàn)有效封堵，因此，選取堵劑用量作為該項考核指標(biāo)。

4.2.4注灰施工

灰塞跨度是衡量井筒封堵可靠與否的重要參數(shù)，故選其作為注灰施工的考核指標(biāo)。

4.2.5鹽巖蠕動

鹽膏層蠕動是造成水泥環(huán)及套管擠毀事故的主要原因。通常認(rèn)為鹽膏層越厚，其對水泥環(huán)或套管的潛在危害越大，故選取封堵井鉆遇的鹽層厚度作為考核指標(biāo)。

4.2.6井筒腐蝕

研究表明，套管腐蝕能夠?qū)е戮植繎?yīng)力集中，特別是在非均衡應(yīng)力的作用下，可能造成套管裂紋損壞或刺漏等。選取腐蝕速率作為考核指標(biāo)，參考NACE的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級和評分。

4.2.7螺紋失效

W儲氣庫封堵井普遍服役年限時間久，套管接箍螺紋隨時間推移可能出現(xiàn)螺紋失效，破壞套管的密封性。

4.2.8地震

通常而言，6級以下地震對套管柱及水泥環(huán)完整性影響不大，W儲氣庫所屬地區(qū)地震峰值加速度介于0.15～0.2 g，抗震設(shè)防烈度為7度，該地區(qū)近30年發(fā)生的地震均小于4級，因此認(rèn)為受地震影響較小。

各主控因素分級標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)取值見表2。

表2 主控因素分級標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)取值

4.3 泄漏風(fēng)險算例分析

結(jié)合W儲氣庫44口封堵井實際情況，根據(jù)表2的評分標(biāo)準(zhǔn)對各單井主控因素進(jìn)行量化打分，并按下式計算得到各單井的最終泄漏風(fēng)險評價值。

S=P1·Q1+Pi·Qi+…+Pn·Qn

(1)

式中：S——泄漏風(fēng)險評價最終得分；

Pi——第i項主控因素對于泄漏風(fēng)險的概率值；

Qi——第i項主控因素量化考核得分；

n——參與計算的主控因素個數(shù)，n=7。

計算結(jié)果顯示：44口封堵井中，泄漏風(fēng)險評價分值大于0.8的封堵井?dāng)?shù)為5口，處于該水平的封堵井安全等級相對較高，泄漏風(fēng)險最低；分值介于0.6～0.8的封堵井?dāng)?shù)為26口，該類井安全等級處于中等水平；安全等級較低即評價分值小于0.6的封堵井?dāng)?shù)為13口，該類井普遍服役年限久，且與注采井井距較小，泄漏風(fēng)險等級相對較高。

5 日常管理制度優(yōu)化

結(jié)合封堵井泄漏風(fēng)險量化評價結(jié)果，對于安全等級較高的井，可以適當(dāng)延長巡檢時間間隔；對于安全等級較低的氣井，當(dāng)臨井有注采氣或注水活動時，應(yīng)當(dāng)加大巡檢頻次，密切關(guān)注井口壓力變化，對于異常井況問題(如起壓或滲漏等)應(yīng)做好相關(guān)記錄并及時通知封堵井所屬場站管理人員。

6 結(jié)論

本文通過采用FTA和AHP法分別實現(xiàn)了W儲氣庫封堵井泄漏風(fēng)險主控因素識別和量化考核評價，結(jié)果表明，地層氣體泄漏風(fēng)險受注采氣活動影響最為明顯，受地震影響最弱；44口封堵井中泄漏風(fēng)險較高的井?dāng)?shù)為13口，應(yīng)加強(qiáng)對該類井的日常管理，及時發(fā)現(xiàn)并合理處置異常井況問題，確保儲氣庫運(yùn)行安全。

7 參考文獻(xiàn)

[1] Le Guen Y, Huot H, Loizzo M, et al. Well integrity risk assessment of Ketzin injection well (ktzi-201) over a prolonged sequestration period[J].Energy Procedia, 4:4076- 4083．

[2] Le Guen Y, Le Gouevec J, Chammas R. CO2Storage: Managing the risk associated with well leakage over long time scale[J]. SPE Projects，F(xiàn)acilities & Construction，4(3): 87-96．

[3] 李瓊瑋,劉故箐,陸梅,等. 阿爾伯達(dá)省的油氣井廢棄管理和長期安全風(fēng)險評估[J]. 國外油田工程,2007,23(5):34-36.

[4] Bert Metz, Ogun lade D, Heleen D C, et al.IPCC special report on CO2capture and storage[M]. England:Cambridge University Press, 2005：195-276.

[5] Li Q, Liu G. Risk assessment of the geological storage of CO2:A review[C]. In: Vishal V., Singh T. (eds) Geologic Carbon Sequestration. Springer, Cham, 2016: 249-284.

[6] Q/SH 0653-2015 廢棄井封井處置規(guī)范[S].

[7] 許紅林,張智,熊繼有. 高溫高壓氣井自由套管對水泥環(huán)應(yīng)力和完整性的影響[J].鉆采工藝,2014,37(2):75-78.

[8] 李榮強(qiáng),曹德舜,莊騰宇,等. 故障樹分析法在安全完整性等級計算中的應(yīng)用[J].安全、健康和環(huán)境,2012,12(10):20-22.

[9] 常云海. 兩種安全評價方法在某汽油儲罐區(qū)中的應(yīng)用[J]. 安全、健康和環(huán)境,2016,16(4):44-46.

[10] 劉強(qiáng),尹同舟,唐秀山,等. 掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)的故障樹-層次分析法診斷分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(3):123-127.