基于层次分析法的CO2驱注采工程安全风险评价

张绍辉 王帅 潘若生 耿笑然 王玲

1.中国石油勘探开发研究院；2.中海油研究总院有限责任公司；3.中国石油吉林油田分公司油气工程研究院；4.中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院

CO2驱油可以实现提高原油采收率和地质埋存的双重目的，是一项绿色环保的驱油技术。注采工程是CO2驱油技术的关键组成环节，起着承上启下的重要作用，是完成油藏方案提出开发指标的保证，也是地面工程建设的依据和出发点。

CO2驱注采工程是一项十分庞大复杂的系统工程，涵盖范围广、种类多、专业性强、工作环境复杂，现场安全辨识和风险控制难度大［1］。随着CO2驱油技术的不断发展，越来越多的安全风险问题暴露出来。由于CO2气体的特殊性，CO2注入及采油过程中涉及的安全风险与常规采油有较大的差别。在CO2注入以及采油作业过程中，由于设备的缺陷、作业场所的环境污染以及其他不可抗拒因素，造成人员健康伤害、设备及管线损坏、环境污染等问题［2-5］。利用危险可操作性分析、安全检查表、作业条件危险性评价等方法，能够对各生产流程的风险进行辨识和分级［6］。相关学者对CO2驱油安全方面的研究主要依靠经验和定性分析，缺乏定量分析与综合性评价。科学、合理地分析和评价注采工程安全风险因素是提高和完善CO2驱油技术安全风险管理的关键环节［7］。

层次分析法是一种很好的定性分析与定量分析相结合的多目标决策分析方法，是在定性认识复杂决策问题中的要素归属、内在联系和本质的基础上，以数学模型的方式表达决策者的决策思想，通过量化计算得出最佳方案，能够实现定性和定量的完美结合［8-9］。作为一种实用的决策工具，层次分析法在工程风险评价、方案优选、经济效益评价等方面得到了广泛应用［10-16］。笔者对CO2驱注采工程安全风险进行综合分析，并应用层次分析法对安全风险进行量化处理与评价，为CO2驱油安全风险决策与管理提供可靠依据。

1 CO2驱注采工程安全风险分析

CO2驱注采施工过程中涉及人员、设备、材料、作业环境、作业信息等多种因素。施工人员的不安全行为、设备的不安全状态、材料的不安全存放和使用、作业环境的不安全因素、信息的不及时识别和沟通都会成为注采施工的安全风险。

通过对CO2驱注采施工现场调查、风险分析及相关标准体系研究，将注采工程安全风险分为注采施工风险、CO2腐蚀风险、安全管理风险、环境保护及人身安全风险等方面。

1.1 注采施工风险

在国内实施CO2驱的区块中，大多数为老井转CO2驱。这些老井并不符合CO2驱钻完井要求，未使用气密封丝扣套管，固井水泥返高不够，存在着套外气窜和丝扣漏气的风险。采油过程中，采油井的高压防喷盒由于光杆的磨损使其承压能力降低，易发生刺漏。

由于气体在地层中的移动速度远远大于液体，压力易发生突变，若压力变化不能被及时发现并采取有效控制措施，极易发生井喷失控事故。井控风险是CO2驱面临的主要风险之一。

1.2 CO2腐蚀风险

二氧化碳属于弱酸性气体，溶于水后形成碳酸，可与管材、设备中的铁发生化学反应，造成管材、设备的腐蚀破坏，在高温高压条件下，腐蚀现象更为严重。对于老井转CO2驱，使用的是J55、N80、P110组合套管，这些套管不防腐，极易发生腐蚀。

目前CO2驱注采井筒采取以化学防腐为主、物理防腐为辅的防腐技术路线，关键部件使用耐腐蚀材料。缓蚀剂配方体系的研发、加药工艺和制度的优选对于腐蚀控制至关重要。

1.3 安全管理风险

注采施工现场作业人员安全意识的高低是决定现场安全管理水平的关键因素。注采作业过程中，应及时进行风险识别，并制定有效的风险控制措施。对于突发事件，应提前制定应急预案。

1.4 环境保护及人身安全风险

在CO2驱井下作业施工过程中，若存在管理不善或防治污染措施不全，易出现井液跑漏情况，造成环境污染。

CO2驱能够实现CO2的地质埋存，但也带来了CO2的泄漏风险。若CO2大量泄漏会引起大气系统和生态环境的变化，给健康、安全、环保带来诸多不利影响。CO2不属于有毒物质，但吸入后会对刺激眼睛及上呼吸道，长时间接触后会引发迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫症等，浓度过高会导致人员窒息死亡，液态CO2迅速气化引发低温冻伤。CO2注入压力一般在20 MPa左右，一旦发生泄漏，高压必将对作业人员造成伤害。注入泵房、采油井等区域，若不按操作规程进行作业，易发生机械伤害。

2 层次分析法在CO2驱注采工程安全风险评价中的应用

层次分析法是将决策问题的有关元素分解成目标、准则、方案等层次，把人的思维过程层次化、数量化，并用数学方法为分析、决策、预报或控制提供定量的依据。方法的主要特点是：在对复杂决策问题的本质、影响因素以及内在关系等进行深入分析后，构建一个层次结构模型，然后利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，从而为求解多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供一种简便的决策方法。层次分析法的基本步骤为：建立层次结构模型；专家赋值，建立判断矩阵；单层次排序和一致性检验；总层次排序，如图1所示。

图1 层次分析法流程Fig.1 Flow chart of analytical hierarchy process

2.1 建立层次结构模型

在安全风险分析的基础上，结合层次分析法，将注采施工、CO2腐蚀、安全管理、环境保护及人身安全设为准则层，识别出套外气窜、杆管磨损刺漏、腐蚀监测、施工人员安全意识、井流物排放、高压伤害等15种风险作为方案层，建立了CO2驱注采工程安全风险层次结构模型，如图2所示。

2.2 构建判断矩阵

通过比较确定所有评价因素间的相对权重，构建判断矩阵，即每次取2个因素mi和mj，以Nij表示mi、mj对总体目标的影响大小之比，采用“1～9”标度对Nij进行赋值，全部比较结果形成判断矩阵，具体含义见表1。通过求解判断矩阵来获得各指标的相对权重。

图2 CO2驱注采工程安全风险层次结构模型Fig.2 Hierarchical structure model of safety risk in the injection and production engineering of CO2 flooding

按照已建立的CO2驱注采工程安全风险层次结构模型，分别构建不同层次的判断矩阵，见表2～表6。

表1 “1～9”标度的含义Table 1 Meaning of scale “1-9”

表2 CO2驱注采工程安全风险重要性判断矩阵Table 2 Importance judgement matrix of safety risk in the injection and production engineering of CO2 flooding

表3 注采施工风险重要性判断矩阵Table 3 Importance judgement matrix of injection and production risk

表4 CO2腐蚀风险重要性判断矩阵Table 4 Importance judgement matrix of CO2 corrosion risk

表5 安全管理风险重要性判断矩阵Table 5 Importance judgement matrix of safety management risk

表6 环境保护及人身安全风险重要性判断矩阵Table 6 Importance judgement matrix of environmental protection and personal safety risk

2.3 检验矩阵一致性及计算元素的相对权重

为评价层次排序的有效性，必须对判断矩阵的评定结果进行一致性检验，检验专家对各指标相对权重的判断是否合理。为此，提出随机一致性比值CR，当CR=0时，满足完全一致性；当CR＜0.1时，认为一致性得到满足；当CR≥0.1时，认为权重值不合理，应返回到专家赋值阶段，直到得到满意的一致性为止。CR计算公式为

式中，RI为平均随机一致性指标，与判断矩阵的阶数n有关，见表7；CI为一致性指标。

表7 平均随机一致性指标RITable 7 Average stochastic consistency index RI

CI计算公式为

式中，λmax为判断矩阵的最大特征根。

若矩阵符合一致性检验，将其最大特征值对应的特征向量归一化后作为权重向量。上述各矩阵的一致性检验和权重向量计算结果见表8。

2.4 计算元素的合成权重

在确定各层次指标的相对权重后，需要计算最低一层指标权重折算到相对目标层上来，求得指标的合成权重。方案层所有风险因素对CO2驱注采工程安全的影响程度及总排序见表9。

在影响CO2驱注采工程安全的4类风险因素中，风险从高到低排序为：CO2腐蚀风险、注采施工风险、安全管理风险、环境保护及人身安全风险。CO2驱注采工程安全风险影响因素合成权重及总体排序结果显示，对注采工程安全影响程度从高到低排序为：油套管材质、套外气窜、缓蚀剂性能、施工人员安全意识、丝扣漏气、加药工艺和制度、杆管磨损刺漏、高压伤害、风险识别和控制措施制定、腐蚀监测、井控、机械伤害、窒息冻伤中毒、应急预案制定、井流物排放。

表8 矩阵一致性检验和权重向量计算结果Table 8 Results of matrix consistency check and weight vector calculation

表9 合成权重及总体排序Table 9 Synthetic weight and general ranking

2.5 结果分析

CO2腐蚀是CO2驱注采工程安全面临的最大风险，影响注采工程安全因素排在前3位的油套管材质、套外气窜、缓蚀剂性能都与腐蚀相关。对于CO2驱新井和转CO2驱的老井，需做好CO2腐蚀风险评价与控制。在关键部位选用耐腐蚀材料，做好与地层相适应缓蚀剂配方体系的研发，控制好套外气窜。施工人员的安全意识也是影响注采安全的重要因素。通过开展安全培训与教育，加强对高压高含CO2油气井施工的认识，提高员工安全风险意识，落实岗位责任制，强化施工过程监督与控制，力求从本质上控制安全风险源。

3 结论及建议

（1）CO2驱注采工程存在的主要安全风险包括注采施工风险、CO2腐蚀风险、安全管理风险、环境保护和人身安全风险等。

（2）通过建立CO2驱注采工程安全风险层次结构模型，对施工安全影响因素进行量化评价，CO2腐蚀是CO2驱注采工程安全面临的最大风险。应在关键部位选用耐腐蚀材料，做好与地层相适应缓蚀剂配方体系的研发，控制好套外气窜。

（3）施工人员的安全意识也是影响安全的重要因素。应加强员工安全培训与教育，提高员工安全风险意识，强化施工过程监督与控制，实现本质安全。

（4）层次分析法在CO2驱注采工程安全风险评价中的应用，量化了注采工程安全风险影响因素，为CO2驱注采工程安全风险决策与管理提供依据。

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