基于C-FRAM的油气藏型地下储气库设计期关键风险因素辨识方法

李 静, 孙明炬, 金作良, 胡瑾秋, 陈怡玥, 韩林序, 吴明远

(1.中国石油西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院,四川 成都 610041;2.中国石油天然气股份有限公司储气库分公司,北京 102209;3.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院,北京 102249;4.油气生产安全与应急技术应急管理部重点实验室,北京 102249)

油气藏型地下储气库(以下简称储气库)是协调天然气供求关系、优化输配气管网运行和提高供气安全性与可靠性的能源安全保障的重要基础设施,在天然气生产运输过程中起着至关重要的作用[1]。由于储气库是对已开发的枯竭气层或油层进行改造建设,因此新建设施少、建造成本低,在我国地下储气库类型中应用最为广泛。为实现储气库全生命周期风险管理,需要对处于设计、施工、运营、废弃等不同阶段的储气库开展风险因素辨识。

现阶段针对储气库开展风险因素辨识的研究成果中,多为围绕运营期工况或供应效率的研究[2-3]。然而,储气库设计期的风险因素辨识并非针对单个设备或成套装备的分析,而应重点围绕可输送性等系统功能能否在宏观层面上实现,相应的地质、气藏、钻采和地面设计是否支持,以及存在的设计缺陷可能会在哪些方面对后续的施工期、运营期造成影响等方面[4-5]。危险与可操作性分析(HAZOP)、失效模式和影响分析(FMEA)等传统风险评估方法适用于单个设备的风险或可靠性评价[6-7],而基础设施韧性建模语言(IRML)等系统风险评估方法更适用于分工明确、结构具体的系统[8]。由于储气库在设计期需要实现的功能明确,因此可以采用功能共振分析方法(functional resonance analysis method,FRAM)从整个系统的功能特征角度来辨识动态系统中的风险因素[9]。功能共振分析方法起初被运用于航空、海运、铁路等运输业的事故分析中[10-12],后逐渐向建筑[13]、油气[14]等工业领域发展。结合半定量化[15-16]或定量化[17-18]分析方法,功能共振分析方法也被改进用于风险评价或风险因素辨识研究。

在储气库设计期系统内,处于不同位置的功能模块对扰动传播的影响不同。为了修正复杂网络内功能模块中心性对风险因素后果大小造成的偏差,本文针对设计期储气库功能的特点,建立考虑功能模块中心性的系统功能共振分析方法(centrality-based functional resonance analysis method,C-FRAM),并对处于设计期的储气库进行系统的风险因素辨识与评估。

1 储气库设计期功能分析

1.1 功能共振分析原理

功能共振分析方法(functional resonance analysis method,FRAM)基于随机共振理论的发展,强调从整个系统的功能特征角度分析事故以及辨识动态系统中的风险因素[19-20],具体分析过程如下:

首先,通过识别功能,将系统整体拆分为由基本功能或程序组成的若干功能模块,根据系统在输入、输出、前提、资源、时间和控制6个维度的功能特性,分别对各个功能模块展开分析与描述(图1);然后,根据各功能模块固有功能和六角维度间的依赖关系,建立油气藏型地下储气库设计期的功能共振网络(图2);最后,通过对各个功能模块性能状态进行监测,识别存在实际变化或潜在变化的功能模块,并根据模块间的失效连接分析由功能模块性能波动引发的共振在网络中的传播情况,以此为梳理风险因素提供参考。

图1 六角功能共振模块Fig.1 Hexagonal functional resonance module

图2 油气藏型地下储气库设计期的功能共振网络Fig.2 Functional resonance network for oil and gas reservoir-type underground gas storage in design phase

1.2 储气库设计期功能划分

库容量和日采气量是直接决定油气藏型地下储气库的调峰和应急供气能力的两大因素,前者主要影响地质和气藏的选择与设计,后者涉及注、采气系统设计,进而又影响钻采工程、井控装置设计和后续地面注、采气设施支持等。由于枯竭油气藏地下储气库涉及老井处理,需要专门开展老井封堵、再利用和井控设计,此外还应考虑仪表、集输管道和其他辅助系统。因此,本文将油气藏型储气库的设计阶段与设计内容划分为开发地质及气藏工程设计、老井处理设计、钻采工程设计和地面设施设计4个功能模块和17项具体设计内容,并归纳为如图3所示。

图3 油气藏型地下储气库设计阶段与设计内容划分Fig.3 Phase and content division of oil and gas reservoir-type underground gas storage design

2 基于C-FRAM的储气库设计期关键风险因素辨识模型建立

2.1 功能模块中心性计算

当功能共振网络内功能模块数量级上升时,处于不同位置的功能模块振动的影响差异则不可忽视。功能模块的中心性在系统层面中反映了当局部发生扰动后,遭受或造成其他功能模块影响的难易程度。通过对各个功能模块的相互作用影响进行分析,可得到简化六角连接的FRAM功能共振网络,如图4所示。

图4 油气藏型地下储气库简化表示的功能共振网络Fig.4 Simplified functional resonance network for oil and gas reservoir-type underground gas storage

在系统层面的功能扰动引发的振动传播过程中,存在多个扰动传播路径,而两个非直接相邻功能间的功能模块具有对扰动传播的控制作用,如果一个功能模块位于多个其他功能模块连接的最短路径上,如图4中功能模块fi,则可认为该功能模块的中介中心性较大,具有较高的不稳定概率。

为了消除网络规模变化对功能模块中介中心性的影响,在计算网络中第i个功能模块fi的中介中心性时,首先计算除功能模块fi之外的所有功能模块之间最短路径数量,其次计算在以上最短路径中经过功能模块fi的路径数量,最后计算该两者之间的比例并进行标准化即可,计算公式为

(1)

式中:CB(fi)为功能模块fi的中介中心性;N为网络中功能模块的总数;l(j,k)为第j个功能模块与第k个功能模块间的最短路径数量;ls(j,i,k)为第j个功能模块与第k个功能模块间经过了第i个功能模块的最短路径数量。

2.2 功能模块性能波动状态分析

通过描述各个功能模块性能所发生的潜在或实际变化,可实现功能模块性能波动状态分析。针对储气库设计阶段工作重点以及涉及的任务和资源,基于分析引导词思想,提出一套适用于储气库设计期功能模块的11个一般性能条件,如表1所示。

表1 油气藏型地下储气库设计期功能模块一般性能条件

根据储气库设计期功能模块性能波动状态分析引导词,对功能模块中发生性能变化的一般性能条件(即风险因素)的概率进行评估,并根据风险因素出现概率从小到大将评估结果划分为“充分”“不充分”和“无法确定”3种情况,计算各功能模块11个一般性能条件的评价结果,得到各功能模块的性能波动状态,计算公式为

(2)

式中:Si为第i个功能模块的性能波动状态取值;Unidentifiedi为第i个功能模块的一般性能条件中分析得到“无法确定”的风险因素的数量;Inadequatei为第i个功能模块的一般性能条件中分析得到“不充分”的风险因素的数量。

根据功能模块的性能波动状态取值,将Si从小到大对应战略、战术、机会和随机4种状态,各个波动状态相应的取值范围如下所示:

(3)

2.3 关键风险因素识别

由功能模块中介中心性计算,可知各功能模块性能发生状态波动在系统中的影响作用;由功能模块的一般性能评价,可知各功能模块发生性能状态波动的概率等级。因此,结合风险矩阵思想,提出一种考虑功能模块中心性的系统功能共振分析方法(C-FRAM),将功能模块fi的中介中心性与性能状态波动概率相乘获得风险量化结果R(i),其计算公式为

R(i)=CB(fi)·Si

(4)

根据量化结果确定高风险功能模块,如图5所示。

图5 基于C-FRAM的油气藏型地下储气库高风险功能模块的确定Fig.5 Determination of high-risk functional modules in oil and gas reservoir-type underground gas storage based on the C-FRAM

由图5可知:功能模块1具有较高的性能随机波动概率而中介中心性较小,即使性能波动其在系统中也不会产生较大的扰乱;功能模块5的中介中心性较大而发生性能波动概率较小,一般情况下处于稳定状态;功能模块6的两个属性均偏大,可视为高风险功能模块,在后续分析中应给予重点关注。

将计算得到的高风险功能模块列为重点关注对象,分析功能模块共振影响因素和失效功能连接,辨识关键风险因素,并有针对性地制定合理的应对措施。

3 案例应用与分析

本文以重庆相国寺油气藏型地下储气库为例开展设计期关键风险因素识别与分析。相国寺储气库为西南地区首座地下储气库,由相国寺气田石炭系气藏改建而成,功能定位为中卫—贵阳联络线及川渝地区季节调峰、事故应急供气与战略储备。该储气库设计库容量为42.6亿m3,垫底气量为19.8亿m3,工作气量为23亿m3,设计最大日注气量为1 380万m3,季节调峰最大日采气量为1 917万m3,应急调峰最大日采气量为2 855万m3。

3.1 系统功能识别和描述

首先,结合相国寺储气库超低压薄储层、下方存在煤矿采空区和巷道以及狭长高陡复杂构造的特点,对该储气库设计期功能划分的开发地质及气藏工程设计、老井处理设计、钻采工程设计和地面设施设计4个设计阶段继续进行细化,共得到43个功能模块,具体名称及编号如表2所示,并分别对43个功能模块六维特征进行描述。本次以B4采气规模与配置设计功能模块为例,得到其六维特征描述,如表3所示。

表2 重庆相国寺油气藏型地下储气库设计期功能模块名称及编号

表3 重庆相国寺油气藏型地下储气库B4采气规模与配置设计功能模块六维特征描述

然后,建立系统中各功能模块之间的功能连接关系,形成该油气藏型地下储气库设计期功能共振网络。分别将该储气库4个设计阶段进行聚类,并采用python中的networkx工具包绘制其功能共振网络,得到其简化表示的功能共振网络,如图6所示。

图6 重庆相国寺油气藏型地下储气库设计期简化表示的功能共振网络Fig.6 Simplified functional resonance network during the design phase of Chongqing Xiangguosi oil and gas reservoir-type underground gas storage

3.2 高风险功能模块确定

首先,分别计算并记录43个功能模块在该储气库设计期功能共振网络中的中介中心性。

然后,根据用于储气库设计期的一般性能条件,对每个功能模块的风险因素和后果进行分析,评估其性能状态波动变化概率。以该储气库B4采气规模与配置设计功能模块为例,得到其波动状态评估结果,如表4所示。

表4 B4采气规模与配置设计功能模块波动状态分析

最后,结合各功能模块的中介中心性与性能波动状态,计算对应的风险值,并使用python中的matplotlib.pyplot得到可视化表示,如图7所示。其中,横轴表示功能模块的中介中心性;纵轴表示功能模块的性能随机状态波动取值;气泡大小对应各功能模块的风险值,同时用4种颜色区分储气库设计期的不同阶段。该储气库风险值最高的前5个功能模块分别为:B5采出气处理系统设计(0.156)、O3老井再利用工艺设计(0.098 7)、B1注气规模与配置设计(0.081 4)、B4采气规模与配置设计(0.070 4)和G9地质实施方案设计(0.062 8)。

图7 重庆相国寺油气藏型地下储气库设计期各功能模块的风险值Fig.7 Risk values of each functional module during the design phase of Chongqing Xiangguosi oil and gas reservoir-type underground gas storage

3.3 储气库设计期主要风险因素分析

根据油气藏型地下储气库设计期的FRAM网络,查找其中与高风险功能模块存在失效连接的功能模块,并分析发生失效对功能模块的影响情况,从而确定功能共振模块、失效功能连接及影响因素如表5所示,其中各失效功能连接对应的风险因素即为该功能模块对应的最主要风险因素。

表5 重庆相国寺油气藏型地下储气库设计期失效功能连接与高风险功能模块影响因素分析

3.4 结果讨论

在风险分析过程中,如果只根据波动状态判断而不考虑功能模块性能波动状态在系统内的影响范围,B4采气规模与配置设计、B1注气规模与配置设计等功能模块可能因为性能波动状态较低而在风险因素分析时被忽略。随着中介中心性系数的引入,得以在评价阶段将高风险模块纳入重点分析范围,验证了考虑功能模块中介中心性修正的评价效果。根据C-FRAM方法的分析结果,得到油气藏型地下储气库在设计期需要重点关注以下几个方面:

1) 充分调研国家对储气库的建设部署和下游用户对天然气供应的调峰需求,在第一步明确采气规模等储气库指标的总体设计,避免因生产需求变动导致的采气处理系统和注、采气规模与配置等系列设计连环变动。

2) 地质实施方案需要包括地质监测、特殊井设计、采注井设计等内容,信息繁多且获取周期长,后续又涉及储层保护、动态监测、试验测试、老井处理等诸多环节,容易因为输入信息统计缺失或临时变化而出现工期延误,因此在设计期内开展各类储气库功能设计任务时应给予优先支持。

3) 老井再利用前应进行充分评价,避免因高估其状态或安全技术措施不足而威胁储气库的安全运行,或因低估其状态、过度封堵造成整体采储量降低和成本增加。

4 结 论

1) 通过对油气藏型地下储气库设计期进行功能划分和风险因素辨识分析,提出应重点关注地质实施方案、老井再利用工艺以及注、采气规模配置和采气处理系统等与采出量指标直接相关的功能模块设计等建议。

2) 在功能共振分析方法中,提出适用于储气库设计的功能模块随机共振的一般性能条件,通过对组织培训、可用的资源、安全环保、功能完整性以及成本约束等方面开展全方位评价,可以对各功能模块性能波动状态进行有效识别。

3) 利用提出的C-FRAM方法,在分析各功能模块发生扰动的概率的同时,计算了功能连接网络中各功能模块的中介中心性,并考虑功能模块在系统内扰动的严重程度,修正了风险模块输出结果,得出了B1注气规模与配置设计、B4采气规模与配置设计等扰动概率不高但与其他功能联系紧密、重要性高的功能模块。通过对储气库设计期主要风险因素的辨识,提出了应重点关注宏观储气库规模部署与下游供应调峰需求、优先支持地质实施方案设计,且在老井再利用前应进行充分评估等建议。