含硫气井井筒完整性风险评价研究*

张　智，何　雨，王一婷，王　汉，李　晶，付子倚

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川 成都 610500； 2.华北油田 采油工程研究院，河北 任丘 062550)

0　引言

随着天然气勘探开发的不断深入，含硫气井所占的比例不断提高。较之常规气井，含硫井的井筒完整性风险更高。如何有效识别评价其风险，避免完整性失效问题显得格外重要[1]。国内外学者对井筒完整性风险评价开展了大量研究，常用的风险评价方法包括随机模拟方法-蒙特卡洛数值法、人工神经网络方法、主成因分析法、层次分析法及风险矩阵评价方法。风险矩阵法能够综合考虑事件发生的可能性及后果严重程度，同时，结合层次分析法能够对风险因素的重要性进行排序，在确定井筒完整性风险等级的同时，可以找出影响井筒完整性的主要风险因素。目前，国内学者针对钻井过程、生产过程中的井筒完整性问题开展了相关研究，提出了以层次分析法为基础的风险评价模型，并且对含硫气井井下油套管螺纹密封性、井下组件腐蚀等因素对井筒完整性的影响机理及失效风险进行了研究[2-4]。国外学者[5-7]通过风险矩阵方法建立了井筒完整性管理系统，对气井整个生命周期内的完整性进行了评价，并对油气井生命周期每个阶段的井筒内管柱及附件进行了安全评价与校核。L. Smith等人开发了井筒完整性管理软件“井筒完整性工具箱-Intetech”，创建了“用户数据管理—数据量化分析—分析结果反馈—用户数据管理修正”的井筒完整性管理方法与措施，在实践中使用效果良好。然而，国内外关于井筒完整性风险评价研究主要集中于钻完井阶段，并且未考虑含硫气井的特殊性，针对含硫气井的井筒完整性风险评价研究还较少。以下针对含硫气井的特殊性，考虑H2S等酸性气体对井筒完整性的影响，采用风险矩阵方法结合层次分析法，建立含硫气井井筒完整性风险评价模型，用以确定井筒完整性风险等级及主要风险因素。

1　井筒完整性风险评价模型

采用Bow-tie模型将井筒完整性失效形式分为3个方面，得到井筒完整性的系统结构，进而利用风险矩阵方法对风险因素进行评价，得到风险因素的风险值，同时建立层次分析结构，得到各影响因素的权重值，最终求得井筒完整性的风险等级[8]，风险评价模型的建立流程如图1所示。

图1　井筒完整性风险评价流程Fig.1　Flow chart of wellbore integrity risk evaluation

采用风险矩阵方法与层次分析结合的方法既能够保证风险评价模型的合理性，又能够提高模型的易用性，综合考虑了导致井筒完整性失效事件的发生可能性及严重程度，使得风险评价模型能够更好地用于实际工况评价。

1.1　含硫气井井筒完整性风险识别

对于含硫气井，可能会出现油套管螺纹密封失效、封隔器密封失效、井下安全阀失效等问题，导致井下天然气进入油套环空，甚至泄漏至地面，可能造成重大生产安全事故[9]，有必要针对井筒完整性造成破坏的影响因素进行评价和管理[10]。H2S的强腐蚀性对井筒完整性的影响十分突出。H2S能够腐蚀井下管柱，可导致均匀腐蚀或局部腐蚀，造成油套管腐蚀穿孔，且在各种腐蚀形式相互促进，最终导致材料开裂，严重时甚至导致气井完全报废。同时，也会导致油套管连接螺纹断裂及密封失效、井下封隔器密封失效、采气树泄漏等问题。含硫气井对管柱材料选择、油套管螺纹气密封性及采气井口系统完整性设计提出了更高的要求。因此，在含硫气井的井筒完整性风险评价中应重点考虑H2S对于井筒完整性的影响[9-10]。根据对含硫气井失效形式的分析，总结了井筒发生失效的位置及形式，如图2所示：

图2　含硫气井失效风险分布Fig.2　Failure risk diagram of sour gas wells

1.2　Bow-tie模型构建

为了系统地研究含硫气井的井筒完整性问题，根据含硫气井失效风险分布，识别导致井筒完整性失效的影响因素，建立井筒完整性失效的Bow-tie模型。以含硫气井井筒完整性失效作为顶层风险事件，将井筒完整性的失效形式分为水力屏障失效、实体屏障失效及操作管理屏障失效3大类。分析导致事件发生的影响因素及发展过程，建立了含硫气井井筒完整性失效的Bow-tie模型[11-12]，如图3所示。

图3　含硫气井井筒完整性失效的Bow-tie模型Fig.3　Bow-tie model for integrity failure of sour gas wells

图4　层次结构Fig.4　Hierarchical structure

1.3　层次结构构建

气井井筒完整性风险评价内容主要包括：气井井筒关键结构(点)完整性风险评价和气井井筒综合完整性评价。将含硫气井井筒完整性失效的Bow-tie模型转化成层次结构，利用层次分析方法对气井进行分析[13]，得到影响气井完整性的影响因素(即风险因素)，利用风险矩阵及层次分析法对风险因素进行评价。首先，利用层次分析法得到风险因素的权重；其次，根据风险因素的严重程度及发生可能性确定风险因素的风险值；然后，基于各风险因素的风险值及权重值，确定目标井的井筒完整性失效风险等级；最终，对目标井进行风险评价。通过对目标井的资料分析，结合实际经验由专家对各风险因素的风险值进行打分[14]，层次分析法的实现步骤如下所示[15]：

根据Bow-tie模型中的井筒完整性的失效分析，得到含硫气井井筒完整性失效的风险因素共28项(如图4所示)，其中，导致水力屏障失效的因素有“环空保护液性能不佳X1”和“井筒内的液柱压力X2”；导致实体屏障失效的因素有：“地层构造X3”、“地层压力X4”、“地层温度X5”、“抗拉强度X6”、“抗挤强度X7”、“抗内压强度X8”、“三轴强度X9”、“盐膏层蠕变X10”、“固井质量X11”、“胶结面抗拉强度X12”、“胶结面抗压强度X13”、“胶结面抗剪强度X14”、“环空敏感开裂X15”、“均匀腐蚀X16”、“电偶腐蚀X17”、“螺纹类型X18”、“工况环境X19”、“服役时间X20”、“酸性环境X21”、“设备来源X22”、“腐蚀环境X23”、“材料等级X24”；导致操作管理屏障失效的因素有：“环空带压管理X25”、“管理机构设置X26”、“制度及执行X27”和“教育与培训X28”。

2)构造两两比较判断矩阵

以水泥环性能为例，其风险因素有“固井质量X11”、“胶结面抗拉强度X12”、“胶结面抗剪强度X13”以及“胶结面抗剪强度X14”，按1～9的比例标度表示Xi和Xj相对于水泥环性能A的重要性程度，如表1所示。

表1　1～9标度的含义

构造的方案层指标重要性判断矩阵如下：

(1)

3)计算方案层元素的相对权重

4)一致性检验

萨蒂提出随机一致性比值概念(CR)。当CR<0.1时，则认为一致性得到满足。当CR≥0.1时，应对判断矩阵作适当修正，直到取得满意的一致性为止。CR的计算公式如下：

(2)

式中：RI为比例系数，与判断矩阵的阶数n有关；当矩阵阶数为1～6阶时，RI为0，0，0.52，0.89，1.12，1.26；CI为一致性指标，其计算公式为

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(3)

其中，λmax为判断矩阵的最大特征根。

5)计算各层元素对目标层的合成权重。

1.4　风险评价模型建立

以下利用风险矩阵确定含硫气井井筒完整性单一失效风险因素的风险值。由现场工作人员或专家针对目标井井筒完整性失效风险因素进行评价，得到风险因素的严重程度和发生可能性，从而确定风险因素的风险值。将各风险因素的权重值与其风险值相乘，即可得到各风险因素的风险值。参考J.C. Dethlefs建立的井筒完整性模型，将各风险因素的风险严重程度与发生可能性分为5级[14]，其取值范围如表2，3所示。

表2　风险因素的严重程度

表3　风险因素的发生可能性

风险因素的风险值的计算公式如下：

风险值(Li)=严重程度×可能性

根据各风险因素的风险矩阵方法的基本原理，风险度R衡量井筒完整性风险的大小，由风险因素所占风险值L和风险因素的权重值S的函数确定：

(4)

得到完整性失效的风险度，确定对应的分值范围并对风险度进行分级，根据《石油天然气开采企业安全评估表》要求并结合专家意见，将含硫气井井筒完整性风险等级分为4级，如表4所示。

表4　含硫气井井筒完整性风险等级

2　风险评价模型应用

利用以上模型对四川某含硫气井进行风险评价，由油田资料可知该井存在持续环空带压情况。建立完整性风险评价层次结构如图4所示，按照层次分析法的步骤，构建判断矩阵。以水泥环性能为例，其风险因素有：“固井质量X11”、“胶结面抗拉强度X12”、“胶结面抗压强度X13”以及“胶结面抗剪强度X14”。对各风险因素进行赋值，得到判断矩阵A，进而确定各风险因素的权重。而对该井开展的硫化氢分析中发现，该井油套环空2次气分析硫化氢含量为157 mg/m3和240 mg/m3，技术套管存在严重的硫化氢腐蚀情况。同时该井还存在技术套管螺纹腐蚀情况，并且该井7吋套管悬挂主密封密封失效，顶丝(橡胶V型密封材料)不能保证长时间密封无泄漏。得到该井的水泥环性能失效风险因素的发生可能性与严重程度如表5所示，评价矩阵如表6所示。

表5　水泥环性能的风险因素发生可能性及严重程度

表6　水泥环性能的风险因素评价矩阵

得到水泥环性能失效的判断矩阵A如下所示：

判断矩阵A的最大特征根λ=4.1587，查表可知4阶矩阵RI=0.89，则CI=0．058 8<0．1，满足一致性要求，归一化权重为:Wmax=(0.483 76, 0.088, 0.231 4, 0.196 84)T。同理建立层次分析模型中的其他准则层、方案层及目标层的风险矩阵，如表7，8所示。

表7　井筒完整性风险评价准则层指标判断矩阵

按照上述方法依次对各方案层及准则层进行分析[16]，得到各相关因素的合成权重，同时由专家确定各风险因素的发生可能性及严重程度得到风险值，如表9所示。

表8　实体屏障风险因素重要性判断矩阵

表9　风险因素的权重及风险值

最终通过各风险因素的风险叠加，得到该井的风险度为：

30=71.78

同时可以得到水力屏障、实体屏障及操作管理屏障的风险度分别为12.95，54.79，4.04。由此可知，实体屏障失效是该井井筒完整性失效的主要风险因素。而实体屏障中“地层条件”，“管柱力学”，“水泥环性能”，“管柱腐蚀”，“管柱密封”，“管柱附件密封”，“材料适用性”的风险度分别为1.19，5.19，4.80，15.22，16.46，4.86，7.07。“管柱密封”及“管柱腐蚀”是实体屏障失效的主要风险因素。使用该模型能够确定含硫气井井筒完整性的风险等级，同时，能够得到影响完整性的主要风险因素。

由风险等级表的规定可知，该井属于Ⅳ级风险井，存在着很高的风险。根据对风险因素的重要性进行排序，该井的主要风险因素为“管柱密封”、“管柱腐蚀”和“腐蚀性能”。因此，在生产过程中应重点考虑上述因素带来的问题，并提前做好防控措施[17]。

3　结论

1)根据含硫气井可能出现油套管螺纹密封失效、封隔器密封失效、油套管柱密封失效等问题，采用Bow-tie模型将井筒完整性的失效形式分为水力屏障失效、实体屏障失效和操作管理屏障失效3个方面，确定了含硫气井井筒完整性失效的28个风险因素，建立含硫气井风险评价模型。

2)基于层次分析法与风险评价矩阵法，实现了对含硫气井井筒完整性风险因素的定量评价与井筒完整性风险等级的划分。应用结果表明，应用上述模型对含硫气井可以进行井筒完整性风险评价，划分风险等级，得到井筒完整性失效的主要影响因素，有助于降低含硫气井的事故风险，为含硫气井完整性现场管理提供参考。

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