基于安全屏障的井完整性问题分析方法

何英明 刘书杰 武治强 耿亚楠 冯桓榰 范志利

(中海油研究总院， 北京 100028)

井完整性管理是指综合应用管理及技术措施，以降低地层流体发生非控制泄漏风险，贯穿整个井的生命周期。海洋石油开发所处的自然环境恶劣，海上作业面临的风险很大，需特别重视井完整性管理[1]。随着海上生产井服役年限日久，环空带压等井完整性问题也越来越多。

国内外学者对海洋钻完井作业风险所作研究较多。Jan等人指出了钻完井作业的最大危险源[2]；窦玉玲等人对三高气田钻完井的风险因素进行了分析[3]；武胜男等人对海上钻完井作业风险进行了分析[4]。这些研究主要侧重于海上作业风险评价，研究方法并不适用于所有的井完整性问题。本次研究将建立井完整性问题分析模型，该模型以安全屏障理论为核心，结合蝴蝶结、故障树(FTA)及“人机物环法”5要素分析方法，可全方位解析井完整性问题发生原因及处置过程。

1 井完整性问题分析模型

安全屏障理论是目前安全分析领域一种有效的预防、控制和减轻事故的分析方法[5]。安全屏障理论的核心是屏障，任何阻止事故发生的因素都可以视为一道屏障，包括物理屏障、功能屏障、符号屏障及非物理屏障，如果所有屏障全部被击穿则会导致事故的发生。本次分析中需运用到“人机物环法”和故障树分析法[6-7]。

“人机物环法”是对全面质量管理理论中5个产品质量主要影响因素的简称，一般来讲如果5个要素均达到要求，则可保证产品质量[6]。

故障树分析法是一种图形演绎法，是一定条件下的故障事件逻辑推理方法。对系统产生重大伤害的事件作为顶事件，以顶事件为起点，自上而下地分析导致顶事件发生的所有因素及其逻辑关系，由此不断深入分析，最终找到事故发生的根本原因[7]。

基于安全屏障的井完整性问题分析模型总体上可视为一个蝴蝶结模型(见图1)，左侧为危险源，右侧为事故可能导致的后果，中间为控制事件发展的屏障。与传统模型不同，本模型引入了安全屏障理论，并针对每道屏障采用“人机物环法”及故障树分析法进行分析。

图1 基于安全屏障的井完整性问题分析模型

2 事故分析

2.1 建立安全屏障集

以往研究多针对物理屏障进行分析，不利于剖析事故发展过程及揭示事故发生的深层次原因。在此，规定阻止某事件发生(如井喷)的一项措施(如强行关井)为一道屏障，包括物理屏障(如泥浆液柱、防喷器)、功能屏障(关防喷器的动作)、符号屏障(现场工作指令)及非物理屏障(相关标准规范)。将多道屏障简化为一道屏障，进行深入分析，加入事件发展的时间过程，对事故原因及处置过程进行剖析。

2.2 “人机物环法” 分析

在此，将“人机物环法”引入到井完整性问题分析中，针对每道屏障均开展分析。人，是指现场作业人员；机，是指与作业相关的机具，如钻机、固井泵、泥浆泵等；物，是指作业采用的物料，如泥浆、水泥浆等；环，是指作业所处的大环境或者井屏障单元所处的小环境，如海外钻完井作业的行业大环境、水泥环的井筒规则度；法，是指作业应遵循的相关标准规范。任何屏障的失效原因均可通过“人机物环法”5要素进行分析。

2.3 建立故障树

每一道屏障都是一个顶事件。从顶事件开始，自上而下、一层层寻找顶事件的直接原因及间接原因，直到查出导致屏障失效的根本原因，最后用逻辑图将这些事件之间的逻辑关系表达出来。任何事件发生的原因都不是孤立存在，而是会发生一连串的连锁反应，因此，在5要素分析的基础上建立故障树，可发现井屏障失效的深层原因。

3 实例应用

以墨西哥浅水区域某探井为例，该井深5 312 m，采用五开井身结构(见图2)。弃井过程中发现井口冒气泡，通过气体组分分析，基本断定气泡来自于B层。采用本分析模型对冒气泡事故进行分析，建立安全屏障集，剖析事故发生的深层次原因。

图2 井身结构图

3.1 模型建立

首先全面分析钻遇地层，筛选所有危险源，该井危险源为A层、B层、C层、D层气体。分别针对危险源确定安全屏障集，建立分析模型(见图3)。

图3 弃井冒气泡事件分析模型

3.2 安全屏障集建立

通过气源分析等技术手段，确定溢出气体来源于B层，因此，以B层气体为例，说明建立安全屏障集的方法。B层气体溢出到井口，可以划分为3道主要屏障：b1，244.5 mm套管一级固井；b2,244.5 mm套管分级箍管外封隔器；b3,244.5 mm套管二级固井。

3.3 “人机物环法”5要素分析

第一道屏障，是由于水泥浆强度不满足封固气层的基本要求及上层套管的浮鞋单根脱落，增加了气层的暴露长度；第二道屏障，是由于所使用的封隔器坐封压力与分级箍循环孔打开压力过于接近，推测坐封成功之前循环孔提前打开；第三道屏障，是由于水泥浆失水量过大并且由于前两道屏障失效造成井眼环境比较恶劣，很难保证封固质量。若3道屏障均被“突破”，气泡就会冒到井口。B层“人机物环法”5要素分析流程见图4。

图4 “人机物环法”5要素分析图

3.4 故障树分析

对每道屏障失效原因进行故障树分析，从逻辑关系上剖析事故发生的根本原因，分析情况见图5、图6、图7。

第一道屏障失效，主要是由于水泥石强度不够，不满足封固地层的需要；另外，上层套管浮鞋单根掉落导致井眼环境差，固井作业效果差。

第二道屏障失效，主要是由于封隔器选型不合理(封隔器坐封压力与分级箍循环孔打开压力接近，导致坐封不成功)；另外，现场没有保存封隔器坐封数据，无法判断井屏障单元的有效性，不满足井完整性的相关管理要求。

第三道屏障失效，主要由于前两道屏障失效导致气体上窜，井眼环境差；另外，未经审查临时更换水泥浆体系，而现场监督人员对该体系不熟悉，失水量大而未能达到设计要求，封固地层失败。

从故障树分析结果可以看出，严格执行企业管理规定，提高员工技术水平可以在很大程度上避免井完整性事故的发生。

4 结 语

建立了以安全屏障为核心，蝴蝶结、故障树及“人机物环法”5要素分析相结合的井完整性问题分析方法。

明确该模型的分析流程，合理划分安全屏障，并针对每道屏障开展“人机物环法”5要素及故障树分析，是保证方法有效性的关键。

对墨西哥海上某弃井冒气泡事件进行实例分析。该方法考虑风险因素全面，逻辑清晰，可深层次剖析事件发生的根本原因，对事故调查具有很好的实用性，同时对于风险分析、事故预防具有很好的应用参考价值。

图7 第三道屏障故障树分析参考文献

[1] 何英明，刘书杰，耿亚楠，等.莺歌海盆地高温高压水平气井井控影响因素[J].石油钻采工艺,2016,38(6):771-775.

[2] JAN E V,TERJE A,TORLEIF H,et al.Major hazard risk indicators for monitoring of trends in the norwegian offshore petroleum sector[J].Reliability Engineering and System Safety,2006,91(7):778-791.

[3] 窦玉玲，陈明，李文飞.川东北三高气田钻完井风险因素分析[J].中国安全生产科学技术,2010,6(2):118-122.

[4] 武胜男，樊建春，张来斌.基于安全屏障模型的海上钻完井作业风险分析[J].中国安全科学学报,2012，22(11):93-100.

[5] 陈希，顾华庆.安全屏障和风险控制[J].大连海事大学学报,2009,35(增刊1):117-120.

[6] 冯琦，张晓龙，铁发辉.基于鱼刺图分析法的加气混凝土砌块生产实践[J].甘肃冶金,2017,39(3):108-111.

[7] 任韶然，韩波，任建峰，等.油藏埋存CO2泄漏机制及故障树分析[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(1):96-101.