基于权重分析法的海洋弃置井井筒完整性评价方法建立

2019-04-25周松民李军伟

钻采工艺 2019年2期

周松民，李军伟，李瑾，李军，连威

(1中海油田服务股份有限公司 2中石油渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司 3中国石油大学·北京)

我国海上油气井生产设施的设计寿命为20～50年，随着海洋石油工业的发展，已有部分油气井已经进入了生产末期亟待弃置[1]，相比于陆上油气井的弃置作业，海上油气井面临的问题则复杂的多。油气井开发生命周期可以分为钻完井、开发、弃置3个阶段，根据挪威石油标准化组织对井筒完整性概念的定义[2]：“在一口井的生命周期中，运用技术、生产和管理手段降低地层流体失控的风险”，油气井的井筒完整性要求油气井在整个生命周期内都处于可控状态。油气井的井筒完整性状态对油气井的经济价值和安全环保具有重要影响，在油气井开发过程中出现环空带压、套管变形等问题时，不仅使修井作业、测试作业以及增产措施不能顺利实施，更会对油气井的生产周期和安全开釆构成威胁。若环空窜流无法控制，可能会诱发井喷导致全井报废，造成巨大的经济损失[3]。油气井在弃置过程中或弃置后出现井筒完整性问题时，一是显著增加作业成本，根据M Khalifeh等的调研[4]，井筒弃置的费用可以占到钻井费用的25%以上，当井筒完整性被定义为危险时，弃置预算会进一步增加；二是封隔失效后修复困难，尤其对海洋弃置井，海洋采油平台以及海下采油树在弃置过程中被移除，且井口会填埋一定厚度的水泥，如果弃置后出现油气水窜、井口漏油冒泡等问题，再次修复困难且风险高。因此，有必要对海洋油气井在弃置作业前进行井筒完整性评估，根据井筒的实际情况对井筒的完整性进行分级，从而制定不同的弃置方案和应急措施。

一、海洋弃置井井筒完整性影响因素

在海洋油气井的整个开发周期过程中，受工程因素以及井下条件的影响，井口采油树、套管、水泥环和封隔器往往存在完整性的风险。如井下流体中含有的硫化氢、二氧化碳溶解物会对套管、水泥环和封隔器进行腐蚀[5]，热采过程中井底高温蒸汽使套管发生塑性变形甚至脱扣[6]，注水过程中诱发泥岩膨胀/地层滑移导致套管变形[7]，试井或修井过程中由于井筒压力波动导致固井胶结面失效[8]，采油树在海水腐蚀作用下导致其密封失效[9]、耐压等级降低等。影响海洋油气井完整性的因素及机理如表1所示。

表1 影响海洋油气井井筒完整性的常见因素

二、权重分析

1.层次结构

所谓层次分析法[10]，是将与计算目标相关的元素分解为不同层级，上级与下级为从属关系，将表1中影响各影响因素进行分级，可得到如图1所示的层级关系图，层次结构总共分为3层，分别为目标层、准则层和方案层。

图1 海洋油气井评价单元层次结构

最高层为目标层，即完整性评价；中间层为各影响因素归属层，最下层为影响因素层，即影响海洋弃置井的各个影响因素。

2.风险矩阵

风险矩阵评价方法[11]指的是在对某一事件存在的危害做分析处理时，主要考虑风险定义的两个方面：一是待评价事件某种风险的可能性；二是待评价事件发生后其后果的严重性。风险矩阵方法将事件发生的风险破坏进行风险评级，形成一个用以表征其风险性的矩阵，使用数值定性表示待评价事件破坏的风险。

一般地，在完整性评价过程中需邀请多位现场技术专家对待评价区块潜在的风险因素进行确定和分析，评价的依据为钻井井史、生产报告、修井报告、弃置前测井报告等资料。考虑到不同专家对同一区块准则层熟悉程度不同，需对各专家的评分进行综合评价，评价公式如式(1)：

(1)

式中：di—第i个指标的综合评分值，分别为井口装置、井筒、管柱、其它；dir—第r位成员对该指标的打分；i=1,2,…,n。

进一步可以得到准则层指标重要性风险矩阵A：

(2)

式中：dij—第i个对第j个影响因素的相对权重，dij=di/dj。

在求取风险矩阵A的基础上，有必要分析风险矩阵A的特征值，其归一化特征值的大小即为准则层各影响因素对目标层的相对权重[12]。

同样地，在现场技术人员对各准则层具体影响因素评分的基础上，可以得到不同具体影响因素相对于准则层的归一化权重，与井口装置相关的完整性因素有采油树密封和采油树性能，则与井口相关的方案层的风险矩阵为二阶对称矩阵，其归一化特征值为采油树密封和采油树性能相对于井口装置完整性的归一化权重。同理，与井筒相关的完整性因素有六类，构成六阶对称矩阵。与管柱相关的完整性因素共有四类，构成四阶对称矩阵。与其它相关的完整性因素有三类，构成三阶对称矩阵。求取以上矩阵的特征向量，并对特征向量进行归一化，即可得到不同准则层下不同具体影响因素的权重。

三、井筒完整性综合评估

确定了影响海洋弃置井15个风险因素的权重后，就能结合每个影响因素对应的风险等级，最终获得全井完整性的风险等级。其计算公式如下：

(3)

(4)

式中：Zh、Zc—为准则层和方案层各因素对应的权重；Rh、Rc—为准则层和方案层各对称矩阵对应的归一化特征向量；Wh、Wc—为准则层和方案层对应的评分。

经过层次分析得到不同影响因素的从属关系后，即可评估各影响因素发生后其后果的严重程度，可分为严重、中度、微小、可忽略4个等级，最终可根据实际情况调整弃置方案以降低油气井弃置过程中的风险。弃置井完整性风险分类表如表2所示，表中评分越高，说明与井筒完整性相关的各个因素的评价越高，图1中方案层的完整性越好。

四、案例分析

1.方法应用

渤海湾某海洋平台受油气井寿命以及环保要求的影响，需要进行弃置，此平台共有5口生产井，其中3口油套同压，2口技术套管带压，且带压井中环空存在少量可燃性气体，井下情况不明，后续处理复杂，导致弃置之前井筒完整性评价困难。本文基于弃置前测井曲线以及生产资料，综合现场多位工作人员的综合经验，利用层次分析法对此平台的一口生产井进行完整性评价。

表2 弃置井完整性分类表

现场工作人员对井口装置、井筒、管柱、其它的评分分别为12、38、24、26，对应准则层的风险矩阵为：

风险矩阵A的特征向量为：(0.23、0.71、0.45、0.49)T，归一化特征向量为：(0.12、0.38、0.24、0.26)T，即井口装置、井筒、管柱和其它因素对井筒完整性的影响权重分别为0.12、0.38、0.24、0.26。

同理，在此基础上需要对各种具体影响因素进行细分，井口装置包含采油树密封和采油树性能，归一化特征向量为：(0.76、0.24)T。井筒包含套管丝扣性能、套管设计强度、套管剩余强度、套管偏心、固井胶结面完整性、固井水泥环完整性，归一化特征向量为：(0.13、0.11、0.18、0.07、0.34、0.17)T。管柱包括油管丝扣性能、油管设计强度、油管剩余强度、封隔器性能，归一化特征向量为：(0.36、0.17、0.28、0.19)T。其他因素包括井下安全阀性能、环空带压、环空有毒或易燃气体，归一化权重为：(0.14、0.47、0.39)T。

最终可以得到完整性风险权重表，现场工作人员利用此表对各种影响因素进行评分，且评分小于或等于表格中提供的权重，最终对所有影响因素的评分进行累加，即可得到目标井的完整性评分(表3)。

现场技术人员通过对此平台井筒完整性相关元素进行评分，得到其中一口待弃置的评分为66分，评分较低主要原因为此井套管和水泥环腐蚀较为严重，油套管环空带压长期高于10 MPa，且环空中含有一氧化碳和甲烷气体，对井筒完整性的评价具有显著影响。

表3 风险定量评价表

2.风险消减措施

考虑到此井套管和水泥环腐蚀较为严重，环空带压且含有危险气体，井筒完整性评级较低，后续作业过程中需要采取相应的技术手段降低弃置过程中的作业风险同时保证油气井在弃置后的完整性[13]。具体可分为以下三个步骤：①在拆井口装置之前，利用正循环压井方法压井，使用高密度压井液循环出井筒内部油气水，释放各层套管压力；②切割打捞井筒内部生产管柱，对于腐蚀严重而无法打捞的井下安全阀、注入阀、封隔器等，需要下入铣鞋或者铣筒磨铣，以便于后续在井筒内部注入水泥塞；③根据测井曲线，切割腐蚀严重的套管以及水泥环，防止油气井在弃置后地层中的流体沿着固井胶结面上窜。

基于上述计算结果，现场工作人员进行弃置作业之前在平台上安装了相关的弃置设备，保证了弃置作业的安全高效。同时，根据此计算结果，在弃置过程中重点关注了循环压井、套管切割打捞作业，弃置作业之后此井井口未发现油气水窜。