基于风险矩阵法的非API石油专用管工况分级研究*

王全友，谢军太，高建民，冯 春，朱丽娟，杨尚谕

(1.西安交通大学中国西部质量科学与技术研究院 陕西 西安 710049; 2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

随着经济社会的发展，我国对石油需求量日益增大，但是石油生产效率提升缓慢，油气对外依存度不断上升，保障能源供应成为当务之急[1]。油井工况分析是通过生产数据资料，反映油井的运行状况的重要手段[2]。钻井技术是石油开采中重点应用的技术，油气井工况是制约钻井技术发展的重要因素[3]，如地质因素影响开采工艺，载荷因素影响开采设备使用寿命。鉴于诸如此类问题，有必要提出一个新的方案，对油井工况进行评估，通过评估结果，对一些潜在的风险进行识别，并进行规避和预防。

风险矩阵法是由美国空军电子系统中心(ESC, Electronic Systems Center)采办工程小组在1995年提出的。作为一种简单有效的风险辨识方法，主要应用于项目潜在风险分析中，具有操作便捷、定性分析与定量分析相结合的特点。该法将决定危险事件风险的两种因素(即所有种类的伤害严重度、引起伤害的概率)，按其特点划分为相应的等级，形成风险矩阵，即多维表格，来定性地衡量风险大小。该方法简单易行，能有效地识别对项目影响最为关键的风险，却避免不了容易受到人的主观性影响，降低风险评估的精确度。

在风险矩阵法的研究应用方面，冯诚等[4]将层次分析法和风险矩阵模型结合起来进行了钨矿改建项目的风险分析，建立了钨矿改建项目的风险分析。王海燕等[5]将FMEA与风险矩阵法结合起来对铝矾土国际(海陆)运输风险进行了评估，并且提出了具体的风险控制措施。李中等[6]基于贝叶斯网络与风险矩阵法模型对深水探井井筒完整性失效风险进行了评估，对关键风险因素进行了识别，并且确定了井筒完整性风险优先级。李玉峰等[7]基于风险矩阵模型对水电站项目进行了分级评估，并且对风险点进行了明确划分。可以看出，风险矩阵法的应用是非常广泛和有效的。

本文通过调查影响油井工况的各项参数以及油井发生事故后果的严重性，结合风险矩阵法，建立了油井工况分级矩阵，通过计算油井风险值，对油井工况进行了合理划分，并用两个实例说明了油井工况划分的有效性，为不同油井制定生产方案提供了参考。

1 风险矩阵评价法

1.1 风险矩阵评价法

风险矩阵分析法(简称LS法)，R=L×S，其中R是风险值，是事故发生的可能性与事件后果的结合，L是事故发生的可能性；S是事故后果严重性；R值越大，说明该系统危险性大、风险大[8]。

表1是事故发生的可能性判定标准，表2是事故发生的后果严重性判定标准，在人员伤亡和直接经济损失中可以根据具体行业进行具体数值划分。表3 是事故安全风险等级判定准则以及控制措施，按照风险值的不同可以划分为5级[9-11]。

表1 事故发生的可能性(L)判定准则

表2 事件后果严重性(S)判定准则

表3 安全风险等级判定准则(R)及控制措施

1.2 因素关联方程

在实际评价中，有时一种原因往往由多种因素造成，如果只考虑一种失效原因导致的失效结果，从而对原因等级进行评定，得到的评定结果往往是不准确的，不能正确反映引起失效原因是由于综合因素作用的结果，为了合理评价失效原因等级，建立了一种失效原因因素关联方程式(1)：

设A={A1,A2…An}是失效原因的集合，a=[a1,a2…an]是失效原因的评价取值，B={B1,B2…Bn}是与失效原因A有关的因素集合，b=[b1,b2…bn]是因素B的取值，w=[w1,w2…wn]是为每种失效因素分配的权重值，则

a=bT×w

(1)

式中:

集合a称为关联度集，其中元素称为风险值，取值越大，表明风险程度越高。

集合b为因素集，其中元素称为因素值，取值越大，表明此种因素风险等级越高。

集合w称为失效因素权重集，其中元素称为权重值，取值越大，表明某种因素b对失效原因的影响越大。

由此方程可以合理的建立起不同因素的关联关系，同时考虑到了因素对失效原因的影响程度，可以作为失效原因等级评价的指导准则。

2 石油专用管工况分级模型

2.1 工况指标提取

在实际生产作业中，影响油田产量的因素很多，包括石油柱服役的载荷条件，比如振动载荷、弯曲载荷、冲击载荷等，除此之外环境载荷也是重要影响因素，比如油井压力、温度等，还有环境条件的影响，比如在油井中存在腐蚀性气体介质如CO2、H2S等。除此之外，还有一些因素对油井工况评价有重大影响。

2.1.1 油井井深因素

井深是影响石油生产的重要因素。由于含石油地层较深下泵越深，因此，在石油开采时，钻井深度要求就越深，当深度增加，要求的举升压头越大，同时管柱及杆柱受力越大，对杆、管的强度要求也越高，同时，要求泵定子和转子不但要有足够的刚度，还要提高泵定转子的承压能力，保证密封不漏失。除此之外，下泵越深，地层温度越高，对定子的耐温要求也高。

2.1.2 油井温度以及压力因素

温度和压力是影响石油钻杆以及油井工况的重要影响因素[12]。在石油开采设备中往往存在一些橡胶材质的结构，若地层温度超过橡胶许用温度，会对使用橡胶的设备功能产生影响。油井温度越高，设备功能损失越大，使系统工况变差。除此之外，温度和压力对其他生产要素也有一定的影响。

2.1.3 油井采油工艺复杂度

对于不同的油井，石油开采工艺不同。石油开采工艺的复杂度不同，石油生产效率也不相同，一般可以将石油开采工艺分为四大类，分别是一次采油，二次采油，三次采油和四次采油，每种采油工艺复杂度不相同，当遇到不同油井工况需要针对此类油井设计专门的采油工艺，因此石油采油工艺复杂度也能衡量油井工况的情况[13-15]。

2.1.4 油井腐蚀介质因素

油井工作环境由于地层原因以及地质因素存在大量液体介质，石油开采主要在油田区作业，因此在液体介质中不仅有水，还有油、天然气中的烃类以及伴生的非烃类介质，除此之外，还有钻采过程中注入的介质等。硫化氢、二氧化碳等气体介质也会与液体参与化学反应，生成酸性介质，这些介质会引起管柱腐蚀，从而引起管柱失效，大大增加了管柱服役的严苛程度，因此这些要素也是油井工况评价的关键要素。

2.1.5 油井井型

不同的井型对应着不同的钻井难度，也对应着不同的开采难度。按照井型油井可以分为直井，水平井，定向井以及大位移井，按照目前我国采油工艺的发展，水平井采油工技术发展比较成熟，具有钻井稳定、上下协调、动态评估、安全性、时效性等基本特征。大位移井技术是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，但是对设备要求比较高，往往适应于复杂地质条件，相对来说，工艺复杂度比较高。

2.1.6 油井特殊载荷工况

油井特殊载荷工况是指由于地质结构产生的对管柱的载荷，管柱服役过程中主要有静载荷，动载荷、交变载荷等，常见的管柱动载荷以及交变载荷如下：

1)振动载荷。钻井过程中由于钻头突起的结构特点，引起钻柱纵向跳动，当外界的周期干扰力与钻柱的固有频率相同时，钻柱发生共振。高温高压油气井中，由于流体的冲击作用及排量和压力等波动会导致油管柱发生振动。

2)弯曲载荷。在旋转钻进条件下，管柱不可避免的与井壁接触，在同一位置截面处与井壁接触端受压而未接触端受拉，受钻柱自身旋转影响，每旋转一周应力的变化完成一个循环。因此，钻柱上的每一点均承受着对称的旋转弯曲交变载荷。

3)冲击载荷。管柱在井下作业过程中发生屈曲时与井壁突起或管柱间接触均会产生冲击载荷，这种载荷在钻杆柱及旋转上提下放的套管柱中较为普遍。在射孔等作业过程中，爆轰造成的冲击载荷对于油管柱的作用显著。

4)摩擦载荷。管柱在起、下钻等作业过程中与井壁、岩屑、流体接触产生摩擦载荷。由于井眼直径由钻头外径决定而一般大于钻柱直径，而钻杆接头外径又大于管体，在旋转钻井方式下，钻杆接头将普遍产生偏磨。钻柱与套管柱接触也产生摩擦载荷，极端情况下会磨穿套管。油管柱内壁的抽油杆柱由于其上下往复运动会产生摩擦载荷。

2.1.7 油井管柱强度折减

地质因素产生的环境载荷往往会由于不同下入工艺导致管柱强度发生折减，成为威胁安全生产的潜在因素，而且管柱折减有时并不仅仅由一种因素产生，而是多种因素共同作用。管柱强度折减程度越高，说明油井工况就越为苛刻，因此油井管柱强度折减也可作为油井工况的反映指标。

2.1.8 操作人员专业度

在油气生产中，需要大量的操作人员进行实地操作，熟练地操作人员可以有效的防范、规避风险，对于刚参与油田生产的工作人员来讲自己本身就是油田安全潜在的风险因素，因此操作人员的专业度对油井工况评价也有一定程度的影响。

2.2 工况风险评价算法

2.2.1 工况分析评价算法

在石油生产中，由于工况导致的人身安全事故很少发生，由于工况复杂最容易导致的是石油生产停滞或者石油生产效率下降，每口油井每天石油产量都很巨大，如果生产停滞，没有及时的补救措施，将导致石油产能下降，严重影响经济效益。本文将基于LS法建立合理的石油工况分级体系，在油井建设初期，可以根据本算法对风险进行一定的预防，各参数的具体划分见表4、表5。

表4 油井风险分级标准及指导准则

表5 油井工况指标等级评价指导准则及后果严重性评价标准

2.2.2 油井工况指标评价方法

2.1节我们已经基于一定的标准提取出了油井工况分级的潜在影响因素，以及可能导致的后果，需要建立合理的对油井工况指标的评价方法。

首先需要对某油井工况指标做出评价，评价等级用A、B、C、D等字母表示，根据具体划分类别可以适当延伸。在油田工况指标中，有些有具体划分标准，如油井深度，可以根据深度不同采用不同等级，有些没有具体的评价准则，如操作人员专业度等，可以采取专家打分的方式获得评价等级。

在获得评价等级之后，需要对评价等级进行综合判定，从而得到油气井潜在影响因素影响等级。由于在对油田参数影响因素中，采用字母的方式评价，评价结果比较模糊，可以将模糊评价转换为定量评价，采取对模糊语言赋分的方式再次评价。赋分方式可以参考表6。

表6 评语等级赋分表

2.2.3 石油工况参数评价方法

赋分完成后，对赋分结果求和，在这里我们认为各种工况参数对油田工况影响程度是相同的，因此采用直接求和的方式得到某一油田工况因素影响评价值，根据油田工况等级划分标准，划分油田工况影响因素评价等级，见表7。

表7 油田工况参数评价等级

3 石油专用管工况分级流程

3.1 工况指标数据获取

工况指标的数据获取需要有一定的依据，可以根据数据获取的难易程度，将石油井工况指标分为两大类，一类是可以直接获取数据工况指标，这类指标在行业内有直接的划分依据，对应相应的开采难度，如油井井深，油井温度以及压力因素，油井井型以及采油工艺复杂度，还有一类是需要综合评价的指标，这一类指标收到指标内一些要素的影响，要素之间具有一定的相关性，需要采用相应的方法去获取总的评价指标，如油井腐蚀介质因素、油井特殊载荷工况、操作人员专业度。

3.1.1 直接获取评价值工况指标分析

在石油行业中，油井井深、温度和压力因素、石油采油工艺、油井井型有着明确的划分标准，各类工况指标可以根据对应的参数大致划分为四类，可以根据级别的不同以及对石油井工况的影响程度不同赋予相应的评语等级，具体划分标准见表8。

表8 可直接获取的石油专用管工况指标数据

3.1.2 间接获取评价值工况指标分析

石油开采中，在考虑某一些因素对工况的影响时，需要综合考虑，这一类因素中的要素都会对油井工况产生影响，而且由于各自所占比例不同，对油井因素的影响也不尽相同，如油井中存在各种各样的腐蚀介质，而且含量不同，对油井工况的影响不同，本文利用因素关联方程，对间接获取工况指标数据进行处理，可以很好的解决各因素中要素的关联问题，获取的数据见表9。

表9 间接获取石油专用管工况数据指标

间接获取的石油专用管工况指标数据间往往存在关联度，本文为了统一描述方便，在分析指标相关程度上采用统一的评语等级标准，见表10。

表10 间接获取工况指标关联度及评语等级对应关系

3.2 油井工况等级评定

基于LS法，将工况因素评价值与油井后果严重性评价值结合，建立油井工况等级评价矩阵，根据评价矩阵，可以直接得到油井工况等级，为合理指定生产方案提供参考，油井工况分级矩阵见表11。

表11 油井工况风险分级矩阵

4 石油专用管工况分级实例

4.1 不同区块油井工况数据

案例1：A油井位于为西部某盆地，完钻井深为6 810.00 m，采油工艺为三次采油。采用套管固井完井地层压力为28.50 MPa, 地层温度为120 ℃，硫化氢含量1.42～19.83 mg/m3, 二氧化碳平均含量为0.00～7.63%, 该井水平段长度1 584 m，竖直段长度为6 810.00 m, 水平段钻遇白云岩308.7 m，白云岩钻遇率32.0%；钻遇气层233.3 m，气层钻遇率14.7%。钻井液密度约为1.44 g/cm3、地层为砾石岩层。该油井操作人员具有3 a以上工作经验，有专业资质证明，油田会定期组织员工进行培训。对该油井历史数据统计显示，该油井年产油率均位于正常水平，只有在停井检修的时候无石油产量。

案例2：B油井是新疆某油田，钻井设计为直井，实际完钻井深为7 480 m, 采用四次采油工艺，地层平均温度为160 ℃，地层最大压力为68 MPa, 钻压为80～100 kN, 泵压为10.5 MPa, 泥浆密度为1.42 kg/cm3, pH值为8.5，地层岩性为黑色泥岩，地层为沙三1亚段。该油田工作人员经验丰富，普遍有3 a以上工作经验，有专业资质证明，油田定期组织员工培训。对该油井5 a生产数据统计显示，在第三年发生过较大生产事故，导致油田产能较上一年下降14%，除此之外油井无产量均为停机检修阶段。

根据工况指标指数获取方式，得到案例1与案例2各影响因素评语等级结果见表12。

表12 工况指标评语等级以及赋分结果

对案例1工况指标赋分值进行求和，对应的求和值为23，根据表7油田工况参数评价等级得到工况指标等级为3级，各因素对石油生产有影响，最好进行排查预防。尤其对于评语等级为D的因素要进行重点预防。

由于该油井石油产量位于正常水平，5 a内并未发生严重后果导致产能下降，因此后果严重性评价为1级，由LS法，求得油井风险值为3，根据表11油井工况分级矩阵，该油井工况为Ⅰ级工况，工况较好。

对案例2工况指标赋分值进行求和，对应的求和值为22，根据表7油田工况参数评价等级得到工况参数等级为3级，各因素对石油生产有影响，最好进行排查预防, 对于评价等级为D的要素要重点预防。

该油井5 a内发生了一次重大安全事故，导致当年产量下降14%，根据表5，后果严重度等级为3级，由LS法，求得油井风险值为9，根据表11油井工况分级矩阵，该油井工况等级为Ⅲ级，工况一般，有一定的风险因素，需要排查预防。

4.2 不同油井工况分级及分析

选取两个案例进行了分析，第一个案例油井工况等级为Ⅰ级，油田工况相对较好，但是油井工况指标中有一些指标需要重点关注。我们往往以实际生产能力作为油井工况好坏的评价标准，该油井5 a内没有发生重大生产事故，说明各方面管控做的比较完善，对一些重点风险因素管理比较到位，从而保证了油井正常工作，根据本文所建立的方法评价得到的等级与实际基本符合。

第二个案例油井工况等级为Ⅲ级，油田工况一般，尽管导致产能下降，但是下降幅度并不大，除此之外，油井工况参数中一些因素还需要重点关注，在实际生产中，该油井发生过一次安全生产事故，说明某一些管控做的还是不到位，一些重点要素管理不够完善，累积导致油井安全生产事故发生，根据本文建立的方法得到的油井工况等级与实际基本符合。

5 结束语

针对传统油井工况难以进行准确评定，无法对其中关键要素进行识别，进而做出预防措施，本文基于风险矩阵法，将油井工况等级从工况参数以及后果严重度两方面进行综合评定，同时提取了油井工况参数，建立了工况参数因素关联方程，考虑了多种因素的共同作用。结果表明，本文建立的方法能够合理地对工况进行分级，分级结果与实际相符，为油田制定安全生产管理措施提供了参考。