深水气井泄漏量化风险评估方法研究

雷正

（中海油安全技术服务有限公司海南分公司，海南 海口 570105）

0 引言

海洋油气开发深水气井泄漏存在严重的安全隐患，若油气突破现有安全屏障，在非正常带压的环空中发生泄漏，将导致中毒、火灾、爆炸等灾难性后果，造成人员伤亡、财产损失、环境污染等。因此，如何识别井泄漏途径、定量评估井泄漏风险、制定井泄漏风险等级是目前亟需解决的关键问题。

国内外已有学者对井的泄漏问题进行了研究，大部分学者通过实验和模拟分析，研究了井的泄漏源特征以及增加井泄漏风险的因素，并取得了一定进展，但目前针对深水气井泄漏量化风险评估的研究较少。故障树分析法具有因果关系清晰、灵活、通用性强的优点，在油气行业风险评估领域具有明显优势。因此，本文基于故障树分析法建立深水气井泄漏量化风险评估方法，根据泄漏物质的燃烧特性和泄漏速率将其分级，并结合计算出的泄漏可能性，评估深水气井泄漏的风险等级，形成针对深水气井泄漏风险量化评估的有效方法和工具，为深水气井泄漏风险管理提供科学依据。

1 量化风险分析方法

基于故障树分析法，并结合风险分析矩阵，建立的深水气井泄漏量化风险分析方法如图1 所示，具体步骤为：

图1 量化风险分析方法流程图

（1）调研现场资料，熟悉目标井当前的生产开发状态以及屏障的完好情况，例如井身结构的完整性、井下设备的可靠性等基本情况与参数，预判气井泄漏的可能路径。

（2）建立故障树分析模型，对井泄漏的各种可能性及其屏障失效的可能性按照井屏障单元的完好状态进行分析。另外，利用故障树分析法可以估算出深水气井水平泄漏的屏障失效概率。

（3）依据井屏障单元完好程度的检验结果，对井屏障单元的失效概率进行调整，并分析深水气井泄漏屏障失效的发生概率，对比分析衰减程度。

（4）对泄漏后果进行研究，依据泄漏物质的可燃等级将其划分为高可燃介质、中可燃介质和低可燃介质三类，然后与计算出的泄漏速率相结合，对照泄漏安全后果分类进行分类，定量评估深水气井泄漏后果的风险水平。

（5）构建深水气井泄漏风险评估矩阵，依据确定的风险评估矩阵及风险的可接受程度，确认目标井泄漏的风险等级，量化风险结果并提出针对性建议。

1.1 泄漏概率分析

深水气井是由油管和套管组成的，油管与相邻套管间以及套管与套管间会形成一个环形空间，简称为环空。由于每个环形空间的位置不同，又分为A、B、C 等环形空间。海上油气井环空带压是常见的井泄漏事故，环空带压乃至油气泄漏的主要原因是气井的一些屏障单元退化或失效，其主要失效模式为井下安全阀内漏、手动及液动主阀外泄漏以及液动主阀内泄漏等。

实施泄漏概率分析，首先应考虑泄漏模式的不确定性，依据实际场地情形，并借鉴专家的经验知识，构建故障树分析（FTA）模型，将泄漏途径进行详细剖析，以计算出井泄漏发生的概率[1]。对于深水气井而言，气体可能以多种方式逸出井筒进入外部环境中，例如直接由井口排放、从环空流失、透过管道释放等。根据气体进入的外部环境，可以将其划分为三类，即向大气排放、向海洋排放、渗透到地下。其泄漏途径也很多，例如管道损坏会使油气从储存层泄漏到井口以下的A 环空中、产层油气穿过封隔器和井下安全阀之间的油管泄漏到A 环空等。在实际生产过程中，要结合具体情况进行辨识。

其次，基于全体屏障单元没有被破坏的情况，即全部屏障均无损伤的情况下，计算发生泄漏的可能性，并结合屏障的分析结果，将屏障单元状况做适当修正，从而得出当前情况下泄漏的可能风险。

最后，根据计算出的泄漏可能性，依据中海油发布的《生产阶段井完整性管理解决方案》将屏障失效可能性根据每年发生概率分为五级，每年发生概率大于10-2，可能性为非常高；概率为10-3～10-2，可能性为较高；概率为10-4～10-3，可能性为中等；概率为10-5～10-4，可能性为较低；概率小于10-5，可能性为非常低[2]。

1.2 泄漏后果分析

对泄漏后果的研究中，需将泄漏物可燃等级进行归类，并估算其泄漏速率，推荐依据美国消防协会的可燃物质分类系统，将泄漏物品的燃烧特性划分为三类：高度、中等及较低的燃烧物，在评估泄漏速率时，可利用专用工具，通过分析保护设备的失效模式与各类泄漏途径来确定泄漏范围，最终决定向环境中泄漏的规模。基于泄漏物的可燃性和泄漏速度的评定，评估深水气井泄漏的后果，将评估结果分为五个级别，如表1 所示[3]。

表1 泄漏后果评估结果分类

1.3 综合风险分析

根据上述结果，建立风险分析矩阵，将可能性和后果严重度分别分级后进行耦合对风险进行等级划分[4]。依据井的生产记录，可以预测泄漏后果，最终通过风险矩阵确定整体风险分析结果，如表2 所示。

表2 井泄漏风险等级划分表

2 案例分析

本次量化风险评估以南海海域某深水气井为例，分析该井油气泄漏的可能性，计算其泄漏可能导致的危害后果，评估出该井的风险等级，为后期井治理提供技术支持。

2.1 泄漏概率分析

在此模型中，考虑产层油气为泄漏源，建立故障树分析模型[5]。在故障树建模过程中，油气泄漏到地面的三阶段过程的构架几乎一致。当涉及一根管道泄漏时，一般仅有两个因素：一是主防护层损坏，例如由于油气管线的破坏而使气体从储油库流出并进入A环空内；二是井口设施的外部渗漏，例如抽油机上的阀门和法兰或环形空气阀门和法兰等发生的渗透现象。据此以深水气井泄漏为顶事件绘制故障树模型，如图2 所示。

图2 深水气井泄漏故障树模型

根据气井每个屏障的风险分析，结合故障树模型进行研究，从油气行业公布的失效数据库中，如WellMaster，OREDA 中获取井屏障失效的可能性数据来进行计算[6]。这类信息属于普遍适用的稳定性信息，与时间或某一特定品牌设备无关联。大部分屏障单元在设计阶段的失效可能性与其当前状况差异微乎其微，但通过审查和计算发现三个井防护单元正处于衰退阶段。井防护失效事件包括井下安全阀内漏、手动及液动主阀外泄漏以及液动主阀内泄漏等，如表3 所示。

表3 退化状态的井屏障可靠性数据表

通过井屏障可靠性数据表以及故障树模型，计算该井在设计阶段泄漏可能性为7.78×10-5，依据失效可能性分级判断该井设计水平泄漏可能性为较低；现役阶段泄漏可能性为2.83×10-3，依据失效可能性分级判断该井的泄漏可能性为较高，由计算结果可知泄漏可能性变大。

2.2 泄漏后果分析

根据调研后的数据更新，油气泄漏到环境的速度是井在正常生产中日产量的10%。取油密度为800 kg/m3，易燃气体为0.66 kg/m³，生产记录显示该井日产气量为66 828 m³/d，甲烷含量为35.5%，依据美国消防协会对于物品燃烧危险性的划分标准，被划分为高可燃介质。通过对此数据的进一步分析，该井天然气泄漏速率为0.051 kg/s，参照泄漏安全后果分类，确定该井泄漏后果的风险等级为一般。

2.3 综合风险分析

基于深水气井风险分析矩阵，根据量化分析结果可将井分为四类，并分别采用不同的风险管控措施。具体而言，分数为17～25 属于C1 类井，需要立即开展维修以降低风险的措施；分数为12～16 属于C2 类井，需实施预防控制以减少风险的方法；分数为5～11 属于C3 类井，需增加监督力度或采用预防控制措施来减轻风险；分数为1～4 属于C4 类井，可维持现状，继续依照既定操作流程进行监测与生产。根据案例中深水气井的分析结果，该井目前泄漏可能性较高，泄漏后果一般，泄漏风险等级为8，属于C3 类井，依据企业标准对此类井需增加监督力度，并验证除井屏障单元外的控制措施的有效性，也可采取预防和降低风险的其他控制措施。

3 结语

为了对深水气井的泄漏风险进行量化评估，采用了故障树和风险矩阵法相结合的形式构建了深水气井泄漏量化风险评估方法。为验证方法的有效性，以南海某深水气井为例进行分析，研究表明该井的泄漏可能性较高，泄漏后果一般，根据泄漏风险等级的评估标准，该井的泄漏风险等级为8，属于C3 类井。本研究可帮助深水气井的运营管理者更准确地掌握和评估泄漏风险，并采取相应的措施来预防和降低风险的发生。