气井完整性屏障系统可靠性定量评价方法研究

刘祥康，汪传磊, 周 浪, 陈 奎, 余 曼, 张 林

(中国石油西南油气田公司工程技术研究院)

当前基于屏障分析为核心的三高气井完整性分析方法已经广泛应用于川渝地区的三高气井完整性评价[1-4]，但将该方法推广至非三高气井完整性评价后，出现了显著的不适应性，主要体现在：三高气井需要划分两级完整性屏障进行评估，但川渝地区大量的气井没有采用封隔器完井管柱，很难划分两级屏障；原有的评价方法重视单个屏障失效分析，仅根据单一的屏障部件发生失效来定性评估某一级完整性屏障是否失效，并划分气井完整性等级，这导致很多非三高气井评价过于保守，评价结论和现场实际不符。基于此，本文将事件树分析方法引入气井完整性评价，从系统的角度综合分析气井完整性屏障的可靠性。

该分析方法首先分析气井屏障系统发生泄漏的通道和沿泄漏路径各个相关井屏障部件的可靠性，然后从系统可靠性的角度建立气井泄漏可靠性框图，并在此基础上建立系统泄漏的逻辑关系式，计算气井发生泄漏的概率大小。

一、川渝地区气井完整性评价的难点

川渝地区气井完整评价主要存在三个方面的挑战：①气井差异性，主要体现在气田类型多，温度、压力以及井内腐蚀环境均不同；气井完井工艺差异大，井筒屏障结构差异大；单井投产时间差异大，气井处于不同的生命周期内；②单井井下状况复杂多变，尤其是大量长期生产的老气井的井下管柱的腐蚀情况、环空压力来源及泄漏原因限于技术条件无法搞清；③可操作性，气井完整性评价数据来源应容易获取，评价方法应满足不同类型、不同生产阶段气井的完整性分析的需要[5]。

二、事件树分析法的引入

事件树分析(Event Tree Analysis，ETA)法是一种逻辑的演绎法，它以初始事件为起点，按照事故的发展顺序，分成阶段，一步一步地进行分析，直到达到系统故障或事故为止。事件树分析法既可以定性地了解整个事件的动态变化过程，又可以定量计算出各阶段的概率，最终了解事故发展过程中各种状态的发生概率[6-9]。

气井发生井筒流体泄漏至地表或大气的情况是由于一系列沿气井泄漏路径的完整性屏障发生失效导致的，单独一个完整性屏障的失效不会直接导致流体发生泄漏至地表，因此，最终泄漏事件发生是由于一系列次级事件的发生导致的，为了将该事件树分析方法引入作如下设定：①井筒流体不受控制泄漏至地面或邻井定义为最终的泄漏事件；②分析导致泄漏发生的不同的潜在泄漏路径，并分别以每条泄漏路径为分析对象，分析通过该泄漏路径发生最终泄漏事件的概率;③泄漏起点处屏障部件泄漏事件设置为初始事件，泄漏路径上各级屏障部件发生泄漏的事件设置为中间次级事件；④各个屏障部件泄漏概率应结合工况条件变化进行修正。

基于以上设定，确定气井泄漏路径和对应的井完整性屏障部件后，应在此基础上编制单井事件树，并依托绘制的事件树绘制发生泄漏事件的逻辑框图，最后根据逻辑框图形成每一条泄漏路径的泄漏概率计算逻辑关系式，计算沿泄漏路径发生泄漏的概率[10-11]。

三、气井泄漏路径识别及事件树建立

1.泄漏路径识别

从系统分析的角度，分析由屏障部件组成的井完整性系统的泄漏风险。为了实现定量计算，首先需要分析气井潜在的泄漏至地表和大气中的通道。如图1和图2所示，为两口气井的潜在泄漏路径分析示意图。其中Q1井潜在泄漏路径为3条：

图1 Q1井潜在泄漏路径

图2 Q2潜在泄漏路径

通道①：长兴组→井筒→石炭系储层→邻井井筒和地面采输管线→进入地表。

通道②：长兴组→井筒→油层套管和套管头→B环空→技术套管和套管头→C环→地表。

通道③：长兴组→井筒→井口大四通、采气树→进入大气。

Q2井潜在泄漏路径为2条：

通道①：石炭系→封隔器完井管柱或油层套管及水泥环→井口装置→地表。

通道②：石炭系→封隔器完井管柱或油层套管及水泥环→各级套管、悬挂及水泥环→表层套管及水泥环→近地表层→进入大气。

2.泄漏事件树建立

在识别出气井潜在的泄漏路径后，在泄漏路径的基础上绘制气井发生泄漏的事件树，以Q2井的泄漏路径为例，建立Q2井的事件树如下图3和图4所示。

图3 Q2潜在泄漏路径1事件树

图4 Q2潜在泄漏路径2事件树

从事件树上可以直观的看到，井筒流体沿井筒屏障部件的流动方向，只有在沿泄漏路径方向上所有屏障失效，才会发生气井流体泄漏出大气的情况。事件树的建立为后续建立系统逻辑关系图提供了条件。

四、屏障部件可靠性

1.部件分类及可靠性取值

目前对于气井井下发生泄漏进行精确评估还无法实现，因此，为了简化分析流程，便于失效数据分析，本文将天然气井井筒完整性屏障部件主要分为4大类：采气树和井口大四通；封隔器完井管柱；表层套管和套管头及固井水泥环；技术套管、油层套管及套管头、固井水泥环。并将失效形式分为井口外漏、地表窜气、井下管柱窜漏三种情况。

统计四川共823口存在完整性屏障失效的气井数据，将统计获得的失效频次数据与国外井屏障失效数据库数据进行比较得到气井屏障失效频次数据[12](如表1)。结果显示川渝地区气井的屏障失效数据与国外统计时效数据基本一致，但封隔器完井管柱失效频次国内远高于国外，分析认为是川渝地区采用封隔器完井的气井样本数量较低导致。

表1 气井屏障部件失效频次

2.部件可靠性取值的修正

通过前面统计的方法获取的屏障部件失效频次为新完成井井屏障部件失效的频次，在实际应用中存在两种情况：

(1)有充分证据表明井下某屏障部件已经严重削弱甚至完全失效，例如通过井下多臂井径测井发现油管腐蚀严重甚至出现穿孔的情形。

(2)由于井下工况发生变化，某屏障已经不适应当前井下耐温、耐压或耐腐蚀要求。

存在如上两种情形时，需要调整屏障部件的失效频次取值，对已经失效的部件，失效频次取值设定为1次/年；对明确存在削弱的部件，不满足当前井下工况的部件失效频次按照经验或室内实验数据取值(0.25～1)次/年。

五、气井完整性屏障系统发生泄漏的概率计算

在进行系统分析时，无论是系统还是子系统，一般均可看作由若干单元通过一系列的逻辑关系所构成，故任何巨系统都可划分为只有串联或并联的子系统。然后根据各个子系统或元件在系统中的逻辑关系，对其可靠度进行对应的逻辑运算得到系统的可靠度[13-14]。

采用系统方法分析气井屏障泄漏风险分析时，应分别逐一分析潜在泄漏路径发生的泄漏风险。为此，结合前面事件树建立泄漏路径的逻辑关系图。以Q2井泄漏路径1为例，建立气井发生储层气体泄漏至大气的事件逻辑关系框图，如图5所示。

图5 气井泄漏事件逻辑关系图

图中P1、P2、P3、P4分别为在泄漏路径上涉及的各井屏障部件发生次级泄漏事件的概率，单位为频次/年。根据该逻辑结构，可以看到储层流体首先可以通过封隔器、油管柱、油层套管和套管外水泥环三条线路(并联)进入井筒环空，然后通过井口装置外漏进入大气(串联)。为此建立如下逻辑关系式：

P=[P1∪P3∪(P2∩P4)]∩P5

式中P为气体沿该泄漏路径泄漏至大气的概率，单位为频次/年；基于概率计算的加法定律和独立性假设，根据逻辑关系式，获得如下的该潜在泄漏路径的发生泄漏的概率计算公式：

P=(P1+P3+P2P4-P1P3-P1P2P4-P2P3P4+2P1P2P3P4)P5

将单个屏障部件的可靠性统计数据(失效频次)输入该计算公式，计算出该潜在泄漏路径发生泄漏的可能性为1.195×10-3次/年。

六、结论

(1)本定量分析方法从系统角度去分析气井完整性屏障，以潜在泄漏路径作为分析对象，分析系统中各个屏障部件与发生气井泄漏事件的逻辑关系，计算气井泄漏风险大小。

(2)采用该系统定量分析方法有别于传统的三高气井完整性评价方法，可广泛应用于不同类型和不同生产阶段的气井完整性失效风险评估。

(3)井完整性系统泄漏风险定量计算结果可以作为井完整性评价分级的参考依据，应用于单井完整性评价。