CO2驅(qū)注入井井筒完整性分析與風(fēng)險評價

張紹輝，張成明，潘若生，耿笑然，柏明星

(1.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京100083； 2.吉林油田 油氣工程研究院，吉林 松原 138000；3.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

引 言

CO2驅(qū)油能夠有效提高原油采收率和實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)埋存，具有良好和廣泛的應(yīng)用前景。CO2驅(qū)注采工程是一項十分龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋專業(yè)領(lǐng)域范圍廣、種類多、技術(shù)性強(qiáng)，現(xiàn)場生產(chǎn)及安全風(fēng)險控制和管理難度大[1-3]。若由于井筒完整性破壞使得井筒功能喪失，大大增加了井控難度，一旦發(fā)生事故，將會帶來更加嚴(yán)重的生產(chǎn)安全問題及后果[4]。

國內(nèi)外油氣行業(yè)專家從行業(yè)發(fā)展及發(fā)生事故中認(rèn)識到加強(qiáng)井筒完整性研究和應(yīng)用的必要性，提出要從技術(shù)分析、現(xiàn)場操作、組織管理等方面加強(qiáng)對全生命周期井筒完整性的管理，相關(guān)學(xué)者在井筒完整性分析、評價及管理方面做了大量研究[5-8]。何漢平等[9]從液體屏障、機(jī)械屏障和操作管理等方面分析了井筒完整性風(fēng)險，綜合評價了管柱、密封性、腐蝕、水泥環(huán)、地層等多種因素及其耦合協(xié)同作用對高腐蝕性氣井井筒完整性的影響。孫莉、李雋等[10-11]建立了生產(chǎn)氣井完整性評價方法和體系，從完整性管理、屏障設(shè)備、監(jiān)測狀態(tài)等角度提出如何加強(qiáng)生產(chǎn)氣井井筒完整性管理。張智、胡順渠等[12-13]提出了從套管防磨、管柱防腐、井口裝置等方面提高井筒完整性的設(shè)計和應(yīng)用方法。國內(nèi)外學(xué)者對井筒完整性的研究大多集中在高溫、高壓、高含硫生產(chǎn)氣井方面，對CO2驅(qū)井筒完整性的研究較少，并且缺少定量的技術(shù)分析和評價指標(biāo)。對于CO2驅(qū)來說，注入井井筒完整性風(fēng)險控制和管理難度更大，目前仍未建立起有效的井筒完整性評價方法及管理體系。如何科學(xué)、合理地分析和評價注入井井筒完整性及其風(fēng)險是提高CO2驅(qū)油技術(shù)安全管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為此，本文對CO2驅(qū)注入井井筒完整性及其風(fēng)險進(jìn)行綜合分析，提出了注入井井筒完整性評價指標(biāo)，并利用層次分析法和風(fēng)險矩陣方法，確定了注入井井筒完整性影響因素權(quán)重及風(fēng)險等級，為CO2驅(qū)油安全風(fēng)險管理與決策提供可靠依據(jù)。

1 CO2驅(qū)注入井井筒完整性評價

為便于進(jìn)行CO2驅(qū)注入井井筒完整性評價，把注入井井筒分為井口、管柱及井筒3個完整性評價單元。井口單元包括采氣樹、套管頭、油管掛、井口安全閥等，管柱單元包括油管、變扣短節(jié)、封隔器、其他井下工具和配件等，井筒單元包括套管、固井水泥、環(huán)空保護(hù)液等。

1.1 井口完整性評價

井口裝置是阻止地下流體泄漏至地面的最后防線。井口完整性評價主要包括采氣樹、套管頭、油管掛、井口安全閥、井口密封性等評價。

采氣樹壓力級別應(yīng)大于最高注氣壓力，應(yīng)選擇耐CO2腐蝕材質(zhì)。套管頭壓力級別應(yīng)大于最高注氣壓力，材質(zhì)選擇應(yīng)滿足抗CO2腐蝕要求。與套管頭和碳鋼連接的雙公短節(jié)應(yīng)考慮電偶腐蝕的可能性和腐蝕程度，螺紋部位在加工前應(yīng)無隱蔽裂紋。油管掛的材質(zhì)應(yīng)與采氣樹的材質(zhì)及連接油管的材質(zhì)相匹配。油管掛螺紋應(yīng)采用與油管螺紋類型一致的氣密封螺紋。

井口安全閥的選擇和安裝應(yīng)符合《石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設(shè)備 井口裝置和采油樹》的相關(guān)要求，承壓、氣密封和防腐性能不低于采氣樹整體性能要求。安全閥控制系統(tǒng)安裝在安全閥要求的有效安全控制距離范圍內(nèi)。對井口安全閥應(yīng)每6個月進(jìn)行一次功能測試。

按照預(yù)計井口最大關(guān)井壓力進(jìn)行井口氣密封試壓，穩(wěn)壓30 min，壓降≤0.7 MPa且表面無滲漏為合格。

1.2 管柱完整性評價

管柱完整性評價主要包括油管柱、變扣短節(jié)、封隔器、其他井下工具和配件等評價。

油管柱應(yīng)選用氣密封油管，可采用氦氣對油管柱進(jìn)行氣密封檢測。檢測壓力為按照油管抗內(nèi)壓最大載荷的80%，穩(wěn)壓15～20 s，泄漏速率應(yīng)小于1.0×10-7Pa·m3/s。油管柱腐蝕速率應(yīng)不超過0.076 mm/a。

井下封隔器應(yīng)具有良好的坐封性、密封性、抗CO2腐蝕性，并應(yīng)避免與井下管柱連接后的電偶腐蝕問題。封隔器選擇液壓座封可回收壓縮式封隔器，座封、解封可靠，避免因壓力波動而失效；封隔器主體采用耐腐蝕材質(zhì)(13Cr及更高防腐等級材質(zhì))、耐高溫120 ℃；要求封隔器座封位置井斜角不大于30°。

變扣短節(jié)、其他井下工具和配件(腐蝕測試筒、剪切球座、引鞋等)應(yīng)具備服役環(huán)境下氣密封、抗CO2腐蝕能力和避免電偶腐蝕，并按照要求連接。

1.3 井筒完整性評價

井筒完整性評價主要包括套管柱、固井質(zhì)量、環(huán)空保護(hù)液等評價。

完井套管應(yīng)選用氣密封套管，油層頂界至油層上50 m的套管應(yīng)選用耐CO2腐蝕的材質(zhì)。套管柱的氣密封評價方法和油管柱類似。固井時，應(yīng)選用耐CO2腐蝕的水泥，且水泥返高至井口。對于轉(zhuǎn)注氣老井，注氣時檢測固井質(zhì)量，水泥環(huán)無微裂縫，油層以上水泥膠結(jié)良好且連續(xù)分布的井段應(yīng)大于150 m。套損、套變或落物魚頂位置在水泥返高之下200 m，套變位置以上井筒無漏、無穿孔，井況良好。老井套管壁厚磨損應(yīng)小于30%。

為防止?jié)B漏到環(huán)空中的CO2腐蝕套管和油管外壁，在封隔器以上油套環(huán)空加滿環(huán)空保護(hù)液。環(huán)空保護(hù)液性能應(yīng)具備防CO2腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力。結(jié)合地層流體、地層溫度、套管材質(zhì)及環(huán)空保護(hù)液性能，進(jìn)行套管抗腐蝕性能評價，管柱腐蝕速率應(yīng)不超過0.076 mm/a。

2 CO2驅(qū)注入井井筒完整性影響因素分析

層次分析法是一種定性分析和定量分析相結(jié)合的決策分析方法，其核心是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層等，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定性分析和定量分析的完美結(jié)合。因此，本文利用層次分析法對CO2驅(qū)注入井井筒完整性影響因素進(jìn)行分析。

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

在CO2驅(qū)注入井井筒完整性評價分析的基礎(chǔ)上，考慮井筒完整性的影響因素，建立如圖1所示的注入井井筒完整性風(fēng)險評價層次結(jié)構(gòu)模型。其中，目標(biāo)層為注入井井筒完整性風(fēng)險，準(zhǔn)則層為影響注入井井筒完整性的井口、管柱和井筒評價單元；方案層為采氣樹、油管、封隔器、套管、固井水泥環(huán)等11種井筒完整性影響因素。

圖1 CO2驅(qū)注入井井筒完整性風(fēng)險評價層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy structure model for integrity risk assessment of water injection wellbore in CO2 flooding

2.2 判斷矩陣構(gòu)建

在建立層次結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，通過兩兩比較來確定評價因素間對總體目標(biāo)的影響大小之比，并采用標(biāo)度“1-9”進(jìn)行賦值，具體含義見表1，全部比較結(jié)果形成判斷矩陣。對判斷矩陣進(jìn)行求解，可獲得各評價指標(biāo)的相對權(quán)重。

按照已建立的CO2驅(qū)注入井井筒完整性層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建各層次的判斷矩陣，見表2—表5。

表1 層次結(jié)構(gòu)模型各標(biāo)度的含義Tab.1 Meaning of scales in hierarchy structure model

表2 CO2驅(qū)注入井井筒完整性影響因素重要性判斷矩陣Tab.2 Importance judgment matrix of integrity influence factors of water injection wellbore in CO2 flooding

表3 井口評價單元重要性判斷矩陣Tab.3 Importance judgment matrix of wellhead assessment unit

表4 管柱評價單元重要性判斷矩陣Tab.4 Importance judgment matrix of pipe string assessment unit

表5 井筒評價單元重要性判斷矩陣Tab.5 Importance judgment matrix of wellbore assessment unit

2.3 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)及影響因素相對權(quán)重計算

為判斷專家對各指標(biāo)相對權(quán)重的賦值是否合理，需對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果取決于隨機(jī)一致性比值CR的大小。若CR等于0時，判斷矩陣滿足完全一致性；若CR在0和0.1之間時，判斷矩陣滿足一致性；若CR等于或大于0.1時，判斷矩陣不滿足一致性，應(yīng)對其重新賦值，直到取得滿意的一致性。

CR計算式為CR=CI/RI。式中：RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，與判斷矩陣的階數(shù)n有關(guān)，見表6；CI為一致性指標(biāo)。

表6 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITab.6 Average random consistency index RI

當(dāng)判斷矩陣滿足一致性時，將其最大特征值對應(yīng)的特征向量歸一化作為各元素的相對權(quán)重。上述各判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)結(jié)果和相對權(quán)重計算結(jié)果見表7。

表7 矩陣一致性檢驗(yàn)和相對權(quán)重計算結(jié)果Tab.7 Matrix consistency checking and relative weight calculation results

2.4 影響因素合成權(quán)重計算

在確定準(zhǔn)則層和方案層各因素的相對權(quán)重后，將方案層各因素的權(quán)重折算到目標(biāo)層，即可求得方案層各因素對CO2驅(qū)注入井井筒完整性影響的合成權(quán)重，見表8。

表8 影響因素合成權(quán)重Tab.8 Synthetic weights of influence factors

對注入井井筒完整性影響因素進(jìn)行排序，影響注入井完整性的主要風(fēng)險因素為油管、套管、封隔器、環(huán)空保護(hù)液、采氣樹等。因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)重點(diǎn)做好上述因素所帶來的風(fēng)險，并提前做好風(fēng)險預(yù)防和控制措施。

3 CO2驅(qū)注入井井筒完整性風(fēng)險評價

在CO2驅(qū)注入井井筒完整性評價及影響因素分析基礎(chǔ)上，考慮每種井筒完整性風(fēng)險發(fā)生的可能性和發(fā)生破壞后果的嚴(yán)重程度，應(yīng)用風(fēng)險矩陣方法對注采井筒完整性風(fēng)險進(jìn)行評價。

楚墨買下一朵玫瑰。玫瑰沾著虛假的露水，卻并不影響它在陽光下愈發(fā)鮮艷嬌美。楚墨將玫瑰遞給靜秋，靜秋微微一怔，說：“還是送給念蓉吧！”楚墨說：“一會兒經(jīng)過別的花店，我再給她買一枝好了?！薄翱墒蔷退隳闼徒o我，我也沒地方放?！膘o秋伸出手，卻不是接過玫瑰，而是用手掌往外推了推，“能放在哪里呢？家里？茶館里？”她笑笑，笑出一條皺紋。她收住笑，然那皺紋，卻永遠(yuǎn)留在臉上。

3.1 確定井筒完整性風(fēng)險發(fā)生的概率

利用風(fēng)險矩陣方法對井筒完整性進(jìn)行風(fēng)險評價時，首先需要確定井筒完整性風(fēng)險發(fā)生的概率。確定每種井筒完整性風(fēng)險發(fā)生的可能性，將可能性分析結(jié)果制成“井筒完整性風(fēng)險發(fā)生概率表”。將井筒完整性發(fā)生破壞的概率分為5個等級，見表9。

表9 井筒完整性風(fēng)險發(fā)生概率等級劃分Tab.9 Probability levels of wellbore integrity risk

3.2 確定井筒完整性風(fēng)險帶來的后果及嚴(yán)重性

在確定井筒完整性風(fēng)險等級時，還需要確定井筒完整性風(fēng)險破壞后果的嚴(yán)重程度。對其風(fēng)險發(fā)生帶來的后果及嚴(yán)重性進(jìn)行分析，包括對注采井生產(chǎn)、自然環(huán)境、人身安全、資產(chǎn)損失等方面的危害，危害程度可以用“井筒完整性風(fēng)險影響程度評價表”來表示。井筒完整性風(fēng)險影響程度可用數(shù)字1～20表示，數(shù)字“1”表示該井筒完整性風(fēng)險因素帶來危害影響最輕，數(shù)字“20”表示該井筒完整性風(fēng)險因素帶來危害影響最重。

同樣的，將井筒完整性風(fēng)險因素對完整性造成影響的嚴(yán)重程度分為5個等級，即為可忽略影響、微小影響、一般影響、嚴(yán)重影響、非常嚴(yán)重影響，見表10。

表10 井筒完整性風(fēng)險影響程度等級劃分Tab.10 Levels of wellbore integrity risk influence factors

3.3 確定單井井筒完整性風(fēng)險等級

井筒完整性風(fēng)險等級是由完整性風(fēng)險發(fā)生的可能性和風(fēng)險發(fā)生帶來后果的嚴(yán)重性共同決定的。以井筒完整性破壞發(fā)生的可能性和破壞后果的嚴(yán)重性分析為基礎(chǔ)，結(jié)合井筒完整性影響因素權(quán)重分析，確定單井井筒完整性風(fēng)險值和風(fēng)險等級。

單井井筒完整性風(fēng)險值R的計算式為

式中：W為井筒完整性風(fēng)險因素權(quán)重值；P為井筒完整性風(fēng)險因素發(fā)生可能性；S為井筒完整性風(fēng)險因素影響程度。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

利用以上方法對吉林油田某CO2驅(qū)注氣井進(jìn)行井筒完整性風(fēng)險評價。該井2012年7月開始注氣，初期油套壓平穩(wěn)，2014年10月開始出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象，并持續(xù)至今，最高套壓15.5 MPa，最低套壓13 MPa，一般套壓在13～14 MPa。2017年6月進(jìn)行泄壓測試和壓力恢復(fù)測試，測試前套壓為10.6 MPa、油壓為14.2 MPa，泄壓時返出油水，泄壓后套壓降為0.2 MPa，無法降為零，油壓為13.7 MPa，2 d后套壓值恢復(fù)到9.4 MPa。

對該注氣井井口、油管柱、套管柱、封隔器、管柱強(qiáng)度、密封性、水泥環(huán)、環(huán)空保護(hù)液等因素進(jìn)行分析，風(fēng)險因素發(fā)生的可能性及其影響程度見表11。

表11 井筒完整性風(fēng)險因素發(fā)生可能性及影響程度Tab.11 Probability and influence degree of wellbore integrity risk influence factors

經(jīng)計算，該井的風(fēng)險值為：

由風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，該井屬于高風(fēng)險井，存在著較大的生產(chǎn)安全風(fēng)險。經(jīng)分析，判斷該井井下存在微滲，后期封隔器出現(xiàn)疲勞磨損和腐蝕，導(dǎo)致封隔器密封性降低，油套連通，套壓持續(xù)升高。建議對該井進(jìn)行放套壓處理并補(bǔ)加環(huán)空保護(hù)液，觀察該井套壓恢復(fù)情況及環(huán)空液面變化情況。

5 結(jié) 論

(1)CO2驅(qū)注入井井筒完整性評價可分為井口、管柱及井筒3個評價單元，包括采氣樹、套管頭、油管掛、井口安全閥、油管、變扣短節(jié)、封隔器、套管、固井水泥環(huán)、環(huán)空保護(hù)液、其他井下工具等方面，在此基礎(chǔ)上給出了井筒完整性評價指標(biāo)。

(2)利用層次分析法，建立了CO2驅(qū)注入井井筒完整性風(fēng)險評價層次結(jié)構(gòu)模型，確定了各完整性風(fēng)險影響因素的權(quán)重。對注入井井筒完整性影響較大的因素包括油管、套管、封隔器、環(huán)空保護(hù)液和采氣樹。

(3)利用風(fēng)險矩陣法，確定CO2注入井井筒完整性風(fēng)險數(shù)值和風(fēng)險等級，風(fēng)險等級可劃分為高風(fēng)險、較高風(fēng)險、中等風(fēng)險和低風(fēng)險4個等級。

(4)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，利用本文方法能夠?qū)O2驅(qū)注入井井筒完整性進(jìn)行評價，確定井筒完整性主要風(fēng)險因素和風(fēng)險等級，有助于降低注入井安全事故風(fēng)險，能夠有效指導(dǎo)CO2驅(qū)注入井安全施工及完整性風(fēng)險管理。