含H2S气井钻井作业多因素模糊识别及定量计算的风险评价方法*

段永鸿

(中国石油和化学工业联合会，北京 100723)

0　引言

含硫气藏全球资源量巨大，据HIS的RIS21数据库2004年6月统计，仅北美以外地区H2S含量大于10%的天然气藏储量就超过9.8×1012m3。目前全球已发现400多个具有工业价值的高含H2S和CO2气田(藏)，主要分布在加拿大、美国、法国、德国、俄罗斯、中国和中东地区[1-3]。自上世纪60年代起，我国首次在川渝地区的嘉陵江组地层发现含H2S天然气，目前我国含硫气藏已展开大规模的勘探开发。在开发过程中，含硫气井也不可避免地发生过井喷、井漏等事故，例如美国得克萨斯州近10年发生含硫气井井喷28起，占井喷总数的12%[4-6]。我国含硫天然气资源十分丰富，川东北H2S气田群更是典型的高含硫、特高含硫天然气田，在钻井过程中也面临着显著的安全风险。与此同时，高含硫气田中H2S和CO2的剧毒性和强腐蚀性对管材、井下设备及井口装置的性能提出了更高的要求，复杂的地层条件对工程设计的要求也更高，并且考虑到井场多位于居民区附近，一旦发生钻井安全事故可能造成巨大的经济损失、人员伤亡乃至严重的社会负面影响。

目前国内外对于钻井过程中的风险评价研究主要包括安全屏障模型、Bow-tie模型、风险矩阵、概率分析等，但这些方法只能够对钻井过程中存在的风险进行定性分析。例如，佟彤[7]基于安全屏障方法对钻井作业进行了研究；何龙[8]针对钻井过程中的井涌、井漏、井塌及酸性气体气侵等方面进行了完整性研究，分析了钻井过程中可能存在的风险因素；张智等[9]基于层次分析法对高含硫气井的风险进行了评价研究，并对风险因素进行了排序；傅盛林[10]通过研究地层压力的不确定性问题，采用概率分析相关理论以风险概率为指标建立了钻井风险评价模型；部分学者[11-16]通过层次风险法对钻井过程中的风险因素进行分析，取得了良好的效果。但是目前的风险评价模型未考虑含H2S气井的特殊性，所得模型存在定性分析不够全面、定量性差的缺点，因而并不适用于含H2S气井。鉴于此，本文针对含H2S气井的特殊性，将钻井风险分为地质力学、地质构造、工程设计参数及腐蚀与H2S溢出对人员设备环境造成危害的安全作业因素4个方面，采用风险矩阵与风险权重相结合的方法，将各个因素进行模糊优化，来定量分析钻井风险，以得到含H2S气井的钻井风险因素排序，确定风险等级，为现场生产提供指导。

1　安全风险源识别

1.1　风险因素识别

本文建立的总体评价模型包括地质力学、地质构造、工程设计参数，以及腐蚀与H2S溢出等对人员设备环境造成危害的安全作业因素共4个方面，评价模型主要风险因素见图1。

图1　钻井安全总体风险因素Fig.1　General risk factors of drilling safety

地质力学风险因素划分为地层孔隙压力当量密度、地层坍塌压力当量密度、地层破裂压力当量密度、地层漏失压力当量密度、最大水平主应力和最小水平主应力，见图2。

图2　地质力学风险Fig.2　Risk factors of geomechanics

地质构造风险因素划分为是否为碳酸盐岩地层、是否为异常压力层、是否为盐膏地层、是否有浅层气、是否为裂缝溶洞性地层，见图3。

图3　地质构造风险Fig.3　Risk factors of geological structure

工程设计风险因素划分为钻井液当量密度、抽汲压力系数、激动压力系数、压差允值、溢流系数及地层压裂安全增值等，见图4。

图4　工程设计风险Fig. 4　Risk factors of engineering design

针对含H2S气井的安全作业风险，重点考虑油套管腐蚀及H2S溢出对人员、装备及环境的影响，对其原因进行分析，得到影响钻井安全作业的风险因素为管材抗腐蚀性能、H2S及CO2浓度、压差允值、流速、防腐措施，见图5。

图5　腐蚀与H2S溢出等安全作业风险Fig.5　Risk factors of corrosion or overflow for safety operations

1.2　风险因素模糊优化

钻井安全风险因素层次划分后，需要将不同风险因素的影响程度进行模糊优化，从而实现风险因素从定性到定量的转化。本文以地质构造为例，针对含硫地层的特点，着重考虑其对钻井过程的影响，并将影响程度进行模糊优化，得到量化划分值，具体量化见表1至表5[15-16]。

1)碳酸盐岩

表1　碳酸盐岩影响程度模糊优化Table 1　Quantification of carbonate rock influence

2)异常压力层

表2　异常压力层影响程度模糊优化Table 2　Quantification of abnormal pressure layer influence

3)盐膏层

表3　盐膏层影响程度模糊优化Table 3　Quantification of salt gypsum layer influence

4)浅层气

表4　浅层气影响程度模糊优化Table 4　Quantification of shallow gas influence

5)裂缝溶洞

表5　裂缝溶洞性地层影响程度模糊优化Table 5　 Quantification of fracture and karst cave

1.3　风险因素权值确定

根据地质力学、地质构造、工程设计参数，以及腐蚀与H2S溢出等因素的从属关系，开展分级管理，确定风险层次，然后根据同一层次2个风险因素之间的重要性构建判断矩阵，计算出各个因素的权值。

首先，针对钻井过程中安全风险的风险因素进行分组，以形成不同的层次，见图6。

图6　层次分析法层次一般划分方法Fig.6　AHP general level division method

其次，构建判断矩阵进一步计算出风险因素的权重。通过比较处于同一从属关系下不同因素的重要性比值确定权重，通常采用“1-9”比例标度进行赋值，形成判断矩阵，其中aij表示风险Ci和Cj的比例标度。

构建一致性判断矩阵A有：

(1)

当A符合一致性要求时，将其最大特征根λmax对应的特征向量归一化后记为权重向量，它表示判据中的权重。

为了保证判断矩阵的合理性，通常要对其进行一致性检验，如果不满足要求，需重新构造判断矩阵，以保证得到的权重具有一定的合理性。检验一致性的准则如下：

(2)

式中：CI为一致性判断指标；n为判断矩阵的阶数；λmax为判断矩阵最大特征值。

在得出一致性指标CI后，Saaty给出了不同阶数所对应的平均随机一致性指标RI，见表6。

表6　RI与判断矩阵阶数的关系Table 6　The relation of RI and matrix

(3)

式中：RI为常数，随着n的变化而变化。

当计算结果CR小于0.1时，则构造的判断举证具有一定的合理性；若CR大于0.1，则构造的判断矩阵不具有一致性，需要重新构建判断矩阵。

2　综合风险计算

对于一口井，往往是多种风险因素共同影响井筒完整性，因此，不能仅仅对单个因素进行风险分析评价。在层次分析法确定各风险因素权值的基础上，根据各风险因素的等级量化值，可求得钻井安全的综合风险，计算公式如下：

(4)

式中：RRi为风险等级量化值；ui为风险因素权值。

把钻井安全风险等级划分为5个等级区间，如表7所示。

表7　风险等级区间划分Table 7　Classification of risk grade interval

根据钻井安全的综合风险计算结果可以得到钻井安全风险的量化等级。

3　实例应用分析

利用本文风险评价模型开展含H2S，CO2气井钻井安全风险评价如下。该井基本情况为：储层埋深大于4 500 m、储层压力为86 MPa、储层温度为140℃，属于高温高压气藏，对油管柱、生产套管、井下工具和井口装置的性能要求较高。天然气中H2S含量为5.70～11.04 g/m3，CO2含量为28.87～48.83 g/m3，酸性气体分压高，井下管柱及采气井口材质防腐要求高，其井身结构见图7。

图7　井身结构示意Fig.7　Sketch map of well structure

以钻井安全作业风险为目标，由专家对“地质力学因素”、“地质构造因素”及“工程设计因素”的相对重要性程度进行赋值后，建立判断矩阵A1如下：

A1=(aij)4×4=

对判断矩阵评定结果进行一致性检验，求解出方案层判断矩阵A的最大特征根为λmax1=4.029 7,n=4，查得RI=0.9，根据式(2)和式(3)得出，矩阵满足一致性要求，特征向量为：

Wmax1=(0.067 7,0.237 6,0.130 5,0.564 1)T

以地质力学因素为目标，采用层次分析法，由专家对各元素的相对重要性程度进行赋值后，建立判断矩阵如下：

求解出方案层判断矩阵A的最大特征根为λmax2=6.306 7,n=6，查得RI=1.24，根据式(2)和式(3)得出，矩阵满足一致性要求，特征向量为：

Wmax2=(0.366 5,0.216 7,0.179 0,0.112 4，0.061 4，0.064 1)T

以地质构造因素为目标，采用层次分析法，由专家对各元素的相对重要性程度进行赋值后，建立判断矩阵如下：

求解出方案层判断矩阵A的最大特征根为λmax3=5.072 1,n=5，查得RI=1.12，根据式(2)和式(3)得出，矩阵满足一致性要求，特征向量为：

Wmax3=(0.263 6,0.477 3,0.053 1,0.098 9,0.107 2)T

以地质力学因素为目标，采用层次分析法，由专家对各元素的相对重要性程度进行赋值后，建立判断矩阵如下：

求解出方案层判断矩阵A的最大特征根为λmax4=6.638 4,n=6，查得RI=1.24，根据式(2)和式(3)得出，矩阵满足一致性要求，特征向量为：

Wmax4=(0.442 3, 0.192 5, 0.143 7, 0.102 7, 0.048 0, 0.070 8)T

以安全作业因素为目标，采用层次分析法，由专家对各元素的相对重要性程度进行赋值后，建立判断矩阵如下：

求解出方案层判断矩阵A的最大特征根为λmax5=5.122 7,n=5，查得RI=1.12，根据式(2)和式(3)得出，矩阵满足一致性要求，特征向量为：

Wmax5=(0.263 6,0.477 3,0.053 1,0.098 9,0.107 2)T

按照上述方法得到所有风险的权值，按照层次结构对钻井安全风险进行归一化处理，并使所有的风险因素的权重总和为“1”。根据钻井资料得到各风险因素的影响程度量化值和权值，如表8所示。

表8　风险因素的影响程度量化值和权值Table 8　Quantification value and weight value of risk factors

可以得到钻井安全的综合风险评价结果如下：

该井的钻井安全综合风险为3.39，可以看出该井在钻井过程中的风险等级属于较高风险，与实际情况相符。对风险因素的风险度进行排序后，可以看出该井最大的风险因素为“H2S浓度、CO2浓度”，其次需要注意的风险因素为“管材抗腐蚀性能”。因此，在钻井过程中需重点考虑腐蚀因素带来的影响，做好预防措施；需选用耐H2S，CO2腐蚀的管材。

4　结论

1)基于模糊优化与风险矩阵方法建立了考虑地质力学、地质构造、工程设计及安全作业因素等多因素的含H2S气井钻井作业安全风险评价方法。

2)通过对风险因素进行模糊处理，确定了钻井作业安全风险因素的权值、量化值及风险度的计算方法，建立了含H2S气井的钻井作业安全风险的等级评价模型，实现了对含H2S气井钻井过程中风险的等级评价及主要风险因素的识别。

3)将建立的钻井作业风险评价方法应用于某井，进行了实例分析。实例评价结果表明，对钻井作业风险影响最大的因素为“H2S浓度、CO2浓度”；同时，“管材抗腐蚀性能”、“异常压力”2个影响因素也值得注意。该风险评价结果与实际钻井情况相符，验证了本文建立的评价模型在钻井安全风险评价方面的可行性。

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