氣井完整性屏障系統可靠性定量評價方法研究

劉祥康，汪傳磊, 周 浪, 陳 奎, 余 曼, 張 林

(中國石油西南油氣田公司工程技術研究院)

當前基于屏障分析為核心的三高氣井完整性分析方法已經廣泛應用于川渝地區的三高氣井完整性評價[1-4]，但將該方法推廣至非三高氣井完整性評價后，出現了顯著的不適應性，主要體現在：三高氣井需要劃分兩級完整性屏障進行評估，但川渝地區大量的氣井沒有采用封隔器完井管柱，很難劃分兩級屏障；原有的評價方法重視單個屏障失效分析，僅根據單一的屏障部件發生失效來定性評估某一級完整性屏障是否失效，并劃分氣井完整性等級，這導致很多非三高氣井評價過于保守，評價結論和現場實際不符。基于此，本文將事件樹分析方法引入氣井完整性評價，從系統的角度綜合分析氣井完整性屏障的可靠性。

該分析方法首先分析氣井屏障系統發生泄漏的通道和沿泄漏路徑各個相關井屏障部件的可靠性，然后從系統可靠性的角度建立氣井泄漏可靠性框圖，并在此基礎上建立系統泄漏的邏輯關系式，計算氣井發生泄漏的概率大小。

一、川渝地區氣井完整性評價的難點

川渝地區氣井完整評價主要存在三個方面的挑戰：①氣井差異性，主要體現在氣田類型多，溫度、壓力以及井內腐蝕環境均不同；氣井完井工藝差異大，井筒屏障結構差異大；單井投產時間差異大，氣井處于不同的生命周期內；②單井井下狀況復雜多變，尤其是大量長期生產的老氣井的井下管柱的腐蝕情況、環空壓力來源及泄漏原因限于技術條件無法搞清；③可操作性，氣井完整性評價數據來源應容易獲取，評價方法應滿足不同類型、不同生產階段氣井的完整性分析的需要[5]。

二、事件樹分析法的引入

事件樹分析(Event Tree Analysis，ETA)法是一種邏輯的演繹法，它以初始事件為起點，按照事故的發展順序，分成階段，一步一步地進行分析，直到達到系統故障或事故為止。事件樹分析法既可以定性地了解整個事件的動態變化過程，又可以定量計算出各階段的概率，最終了解事故發展過程中各種狀態的發生概率[6-9]。

氣井發生井筒流體泄漏至地表或大氣的情況是由于一系列沿氣井泄漏路徑的完整性屏障發生失效導致的，單獨一個完整性屏障的失效不會直接導致流體發生泄漏至地表，因此，最終泄漏事件發生是由于一系列次級事件的發生導致的，為了將該事件樹分析方法引入作如下設定：①井筒流體不受控制泄漏至地面或鄰井定義為最終的泄漏事件；②分析導致泄漏發生的不同的潛在泄漏路徑，并分別以每條泄漏路徑為分析對象，分析通過該泄漏路徑發生最終泄漏事件的概率;③泄漏起點處屏障部件泄漏事件設置為初始事件，泄漏路徑上各級屏障部件發生泄漏的事件設置為中間次級事件；④各個屏障部件泄漏概率應結合工況條件變化進行修正。

基于以上設定，確定氣井泄漏路徑和對應的井完整性屏障部件后，應在此基礎上編制單井事件樹，并依托繪制的事件樹繪制發生泄漏事件的邏輯框圖，最后根據邏輯框圖形成每一條泄漏路徑的泄漏概率計算邏輯關系式，計算沿泄漏路徑發生泄漏的概率[10-11]。

三、氣井泄漏路徑識別及事件樹建立

1.泄漏路徑識別

從系統分析的角度，分析由屏障部件組成的井完整性系統的泄漏風險。為了實現定量計算，首先需要分析氣井潛在的泄漏至地表和大氣中的通道。如圖1和圖2所示，為兩口氣井的潛在泄漏路徑分析示意圖。其中Q1井潛在泄漏路徑為3條：

圖1 Q1井潛在泄漏路徑

圖2 Q2潛在泄漏路徑

通道①：長興組→井筒→石炭系儲層→鄰井井筒和地面采輸管線→進入地表。

通道②：長興組→井筒→油層套管和套管頭→B環空→技術套管和套管頭→C環→地表。

通道③：長興組→井筒→井口大四通、采氣樹→進入大氣。

Q2井潛在泄漏路徑為2條：

通道①：石炭系→封隔器完井管柱或油層套管及水泥環→井口裝置→地表。

通道②：石炭系→封隔器完井管柱或油層套管及水泥環→各級套管、懸掛及水泥環→表層套管及水泥環→近地表層→進入大氣。

2.泄漏事件樹建立

在識別出氣井潛在的泄漏路徑后，在泄漏路徑的基礎上繪制氣井發生泄漏的事件樹，以Q2井的泄漏路徑為例，建立Q2井的事件樹如下圖3和圖4所示。

圖3 Q2潛在泄漏路徑1事件樹

圖4 Q2潛在泄漏路徑2事件樹

從事件樹上可以直觀的看到，井筒流體沿井筒屏障部件的流動方向，只有在沿泄漏路徑方向上所有屏障失效，才會發生氣井流體泄漏出大氣的情況。事件樹的建立為后續建立系統邏輯關系圖提供了條件。

四、屏障部件可靠性

1.部件分類及可靠性取值

目前對于氣井井下發生泄漏進行精確評估還無法實現，因此，為了簡化分析流程，便于失效數據分析，本文將天然氣井井筒完整性屏障部件主要分為4大類：采氣樹和井口大四通；封隔器完井管柱；表層套管和套管頭及固井水泥環；技術套管、油層套管及套管頭、固井水泥環。并將失效形式分為井口外漏、地表竄氣、井下管柱竄漏三種情況。

統計四川共823口存在完整性屏障失效的氣井數據，將統計獲得的失效頻次數據與國外井屏障失效數據庫數據進行比較得到氣井屏障失效頻次數據[12](如表1)。結果顯示川渝地區氣井的屏障失效數據與國外統計時效數據基本一致，但封隔器完井管柱失效頻次國內遠高于國外，分析認為是川渝地區采用封隔器完井的氣井樣本數量較低導致。

表1 氣井屏障部件失效頻次

2.部件可靠性取值的修正

通過前面統計的方法獲取的屏障部件失效頻次為新完成井井屏障部件失效的頻次，在實際應用中存在兩種情況：

(1)有充分證據表明井下某屏障部件已經嚴重削弱甚至完全失效，例如通過井下多臂井徑測井發現油管腐蝕嚴重甚至出現穿孔的情形。

(2)由于井下工況發生變化，某屏障已經不適應當前井下耐溫、耐壓或耐腐蝕要求。

存在如上兩種情形時，需要調整屏障部件的失效頻次取值，對已經失效的部件，失效頻次取值設定為1次/年；對明確存在削弱的部件，不滿足當前井下工況的部件失效頻次按照經驗或室內實驗數據取值(0.25～1)次/年。

五、氣井完整性屏障系統發生泄漏的概率計算

在進行系統分析時，無論是系統還是子系統，一般均可看作由若干單元通過一系列的邏輯關系所構成，故任何巨系統都可劃分為只有串聯或并聯的子系統。然后根據各個子系統或元件在系統中的邏輯關系，對其可靠度進行對應的邏輯運算得到系統的可靠度[13-14]。

采用系統方法分析氣井屏障泄漏風險分析時，應分別逐一分析潛在泄漏路徑發生的泄漏風險。為此，結合前面事件樹建立泄漏路徑的邏輯關系圖。以Q2井泄漏路徑1為例，建立氣井發生儲層氣體泄漏至大氣的事件邏輯關系框圖，如圖5所示。

圖5 氣井泄漏事件邏輯關系圖

圖中P1、P2、P3、P4分別為在泄漏路徑上涉及的各井屏障部件發生次級泄漏事件的概率，單位為頻次/年。根據該邏輯結構，可以看到儲層流體首先可以通過封隔器、油管柱、油層套管和套管外水泥環三條線路(并聯)進入井筒環空，然后通過井口裝置外漏進入大氣(串聯)。為此建立如下邏輯關系式：

P=[P1∪P3∪(P2∩P4)]∩P5

式中P為氣體沿該泄漏路徑泄漏至大氣的概率，單位為頻次/年；基于概率計算的加法定律和獨立性假設，根據邏輯關系式，獲得如下的該潛在泄漏路徑的發生泄漏的概率計算公式：

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

將單個屏障部件的可靠性統計數據(失效頻次)輸入該計算公式，計算出該潛在泄漏路徑發生泄漏的可能性為1.195×10-3次/年。

六、結論

(1)本定量分析方法從系統角度去分析氣井完整性屏障，以潛在泄漏路徑作為分析對象，分析系統中各個屏障部件與發生氣井泄漏事件的邏輯關系，計算氣井泄漏風險大小。

(2)采用該系統定量分析方法有別于傳統的三高氣井完整性評價方法，可廣泛應用于不同類型和不同生產階段的氣井完整性失效風險評估。

(3)井完整性系統泄漏風險定量計算結果可以作為井完整性評價分級的參考依據，應用于單井完整性評價。