基于故障樹的海上老井泄漏風險分析

＊吳小龍 胡軍 袁征* 葛偉鳳 雷正 唐浩瑞

（1.中海油安全技術服務有限公司海南分公司 海南 570105 2.中海油安全技術服務有限公司 天津 300456 3.中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司 天津 300456）

隨著油氣井服役時間增長，油氣產量逐漸遞減、開采難度增大、經濟效益減小，突破“老井困局”是油氣田現階段發展的必經之路，主流的再利用方式之一是利用老井回注CO2，提高采收率。然而，老井經過長時間服役，井筒屏障單元失效概率急劇升高，存在較大的泄漏風險。如何識別老井泄漏途徑、定量評估老井泄漏風險、制定老井泄漏風險等級是目前老井再利用亟需解決的關鍵問題。

國內外已有學者針對老井/封存井的泄漏風險評估問題進行了研究。包括2021年，Parimal A Patil等[1]研究了枯竭油氣藏的廢棄井泄漏風險，評估其作為CO2封存井的可能性；2021年，趙敏[2]介紹了如何利用帶壓堵漏技術解決老井井口泄漏。但在現有研究中，大部分學者都聚集于鉆井或生產階段油氣井以及CO2封存井的泄漏，對老井尤其是海上老井泄漏的研究較少，識別的泄漏途徑不夠全面細致，而且未考慮到老井屏障單元功能隨時間的衰退，無法提供針對性的措施。在分析方法上，大部分學者傾向于采用故障樹分析法，由于其因果關系清晰、靈活、通用性強，在油氣行業風險評估領域存在明顯優勢。如2017年，Pedram Fanailoo等[3]介紹了基于故障樹等風險方法的廢棄井防漏設計；2020年，張智等[4]基于故障樹模型，分析了井下安全閥的失效概率。近幾年的成功應用案例表明了故障樹分析在油氣井泄漏研究的可行性。

為解決現有研究在老井泄漏的研究不足及針對性措施較少的問題，本文基于故障樹分析法，識別海上老井的泄漏途徑，劃分海上老井的井筒屏障單元，并分析不同屏障單元的失效模式和概率，對目前生產狀況下的泄漏后果進行了分析，并劃分了風險等級。

1.故障樹分析法

故障樹分析（FTA）是一種結構化程序，用于識別內部和外部原因，可以識別潛在的系統故障，并對設計方案進行評估，先確定研究對象，將相關事件劃分為底事件、中間事件和頂事件，再通過故障樹開展定性和定量分析，得到屏障單元可靠度，最終確定頂事件風險值，并制定管控措施[5]。基本事件都可靠，頂事件才可靠，則基本事件之間由“與門”連接，而任意一個基本事件可靠，頂事件就可靠，表明基本事件由“并門”連接。

①對于“或門”連接的事件，計算公式為：

②對于“與門”連接的事件，其計算公式為：

式中：PO—或門事件的概率，無量綱；

PA—與門事件的概率，無量綱；

Pi—第i個事件的概率，無量綱；

n—輸入事件數，個。

2.老井泄漏風險評估

(1)老井故障樹模型

針對目前泄漏途徑識別的不足，根據現場老井服役情況，結合專家經驗，建立了新的老井泄漏故障樹分析（FTA）模型。頂事件為烴類泄漏至地面，根據泄漏途徑，先分為從采油樹泄漏（A1）、從A環空泄漏（A2）、從B環空泄漏（A3）、從C環空泄漏（A4）4個主要泄漏途徑，繼續往下細分泄漏路徑，最終得到32種完整性失效泄漏的底事件（X1～X32），FTA模型如圖1所示[6]。

圖1 海上老井泄漏故障樹圖

(2)泄漏風險等級劃分

風險矩陣法是一種定性的風險評估分析方法，通過將風險的可能性和后果嚴重性分別賦值，然后相乘得到風險值，再根據風險值的大小劃分風險等級。風險矩陣法可以幫助識別和比較油氣井中的不同風險點，從而制定合適的應對措施。油氣泄漏至環境的泄漏速率為正常生產日產量的10%，根據高（A）、中（B）、低（C）可燃截止泄漏速率，可將風險劃分為5個等級：輕微（1）、一般（2）、中等（3）、重大（4）及災難（5），輕微對應的泄漏量為A＜0.01kg/s；B＜0.1kg/s；C＜1kg/s；一般對應的泄漏量為A：0.01～0.1kg/s；B：0.1～1kg/s；C：1～10kg/s；中等對應的泄漏量為A：0.1～1kg/s；B：1～10kg/s；C：10～100kg/s；重大對應的泄漏量為A：1～10kg/s；B：10～100kg/s；C：100～1000kg/s；災難對應的泄漏量為A＞10kg/s；B＞100kg/s；C＞1000kg/s[7]。

而風險發生可能性分為非常低、低、中等、高、非常高，對應量化值為1、2、3、4、5。基于風險矩陣法，結合泄漏后果與風險發生可能性，即可得到風險值。當風險值在0～4之間為低風險，5～10之間為中等風險，10～15之間為高風險，15～25為特高風險。

3.實例計算

(1)X井基礎信息

X井為一水平生產井，2002年6月18日開鉆鉆至井深2327m完鉆。現場開展了采氣樹測試，發現采氣樹液動主閥、手動主閥、及清蠟閥存在內漏。同時于2021年6月對X井進行井下安全閥測試，測試結果顯示，X井井下安全閥泄漏速率為0.23m3/min；根據ISO16350-2標準規定井下安全閥失效的臨界泄漏速率為0.43m3/min，由此判斷X井下安全閥退化。

X井9-5/8”套管由兩種材質組合而成，生產封隔器上部（井口至1546m）為1CR材質，1546m以下為13CR材質，因此生產封隔器以上9-5/8”套管受腐蝕影響較小。目前生產封隔器處于完好狀態，同時X井A環空壓力0.2MPa。通過測試，發現X井9-5/8”套管初始壁厚為11.99mm，腐蝕最嚴重的點出現在1695m處，目前剩余壁厚為11.85mm；油管初始壁厚為6.88mm，腐蝕最嚴重的點出現在1654m處，目前剩余壁厚為6.74mm。

(2)X井泄漏風險分析

①目前生產階段X井的可靠性數據。基于X井現場實際情況，對X井失效的井屏障單元進行分析，結合X井及同井場其他井的修井記錄與挪威OREDA完整性失效數據庫，獲取相應井屏障單元的可靠性數據，如表1所示。可知，對于X井，表中加粗表示的三處井屏障發生退化，應當加強對液動主閥、液動翼閥及井下安全閥的監測，并及時檢修。

表1 可靠性數據表

②泄漏風險。生產記錄顯示該井日產氣量72043 m3/d，甲烷含量66%，為高可燃介質；計算結果顯示該井天然氣泄漏速率為0.033kg/s，泄漏安全后果分類一般。回注狀態下二氧化碳含量大于80%，日注氣20萬方/天，計算結果顯示回注條件下泄漏速率為0.153kg/s，泄漏后果分類中等。

(3)綜合風險分析

根據X井的最新生產記錄及預估回注狀態，可以得到X井的風險值，可知生產末期泄漏后果量化值為2，發生可能性量化值為4，泄漏風險等級為8，對于此類井“進行驗證除井屏障單元外的控制措施有效性，也可采取預防和降低風險的控制措施”。回注狀態下泄漏可能性高4，泄漏危害后果中等3，泄漏風險等級為12，對于此類井“采取預防和降低風險的控制措施”。

4.結論

針對老井服役時間長、服役環境惡劣，井筒屏障單元易退化，地層流體存在泄漏風險等問題，本文基于故障樹模型開展了老井的泄漏風險評價，得到了以下結論：（1）本文識別了老井的采油樹泄漏、從A環空泄漏、B環空泄漏、C環空泄漏4個主要泄漏途徑，再分析不同泄漏途徑對應的屏障單元，繪制了全面的老井泄漏故障樹圖。（2）本文將泄漏后果劃分為了5個等級，量化的泄漏風險值在0～25間，被分為了4類風險，并提出了每類風險對應的解決措施。（3）X井正常生產時天然氣泄漏速率為0.033kg/s，泄漏安全后果為2級，風險為8級，回注條件下泄漏速率為0.153kg/s，泄漏后果為3級，風險為12級。