储气库注采井失效模式与风险评估技术*

闫怡飞, 张胜跃，闫相祯

(1.中国石油大学(华东)机电工程学院 山东 青岛 266580; 2.中国石油大学(华东)CAE技术研究中心 山东 青岛 266580)

0 引 言

为推动“形成多主体多渠道供应、中间统一管网高效集输、下游销售市场充分竞争的油气市场”体系的建立，目前国家计划大力推动能源储存基础设施建设计划，而地下储气库作为上游接纳油气资源、中游存储与分配、下游分销与集输的重要基础设施，在满足“中间统一管网高效集输”方面，尤其是在我国调峰能力严重不足的背景下，发挥着极为关键的作用[1]。

储气库通常作为一种战略能源储存方法[2]，其常多循环注采条件，因此容易引发各种类型的事故[3]。由于我国的储气库起步晚，数量少，运营管理经验不足，可供研究的数据和案例少，储气库特别是能源消耗预测、调峰、应急预警响应能力相对不足，使得失效模式研究不深入、不充分。此外，储气库相关配套安全防控系统不健全、技术和标准不完善，风险评估技术研究不成熟等因素也严重制约我国储气库的发展[4]。

为降低储气库在长期注采方面的风险和在整个生命周期的安全运营风险，需要一套综合性的针对井筒失效模式、风险识别和风险评估的技术[5]，这对我国能源基础设施建设及风险运营管理具有重要意义[6]。目前井筒完整性主要依赖于油气井的完整性及井筒密封性能[7]，由于储气库特有的工况条件，如，长期注采周期交变循环载荷等耦合作用[8]，进行风险评估难度大的特点，因此近年来先进技术的不断涌现出最新的研究成果，如通过运用，复杂网络，大数据等技术，同时考虑多因素边界条件并构建风险评估模型[4]。

笔者通过总结国内外关于储气库注采井失效模式概况及主要的几种风险致因类型，讨论造成技术风险，管理风险的主要因素及注采井失效的主要风险类别的原因，分析目前风险分析关键方法的主要技术瓶颈及技术要点并结合相关标准的差异性和侧重点进行系统性的总结，以期对地下储气库注采井的主要失效模式的风险评估技术现状和关键技术进行展望。

1 国内外储气库风险评估研究现状与事故类型

针对储气库风险失效模式研究，其中与腐蚀相关方面的研究是最早的[9]。针对注采井管柱腐蚀情况[10]，李鹤林等研究了含CO2/H2S 高温高压井下的多相腐蚀环境介质中CO2、H2S、Cl-的含量以及温度等因素对N80钢的腐蚀作用规律[11]。闫怡飞[12]针对地下储气库建库过程中的安全问题,分别进行了腐蚀环境条件下石油管选材方法研究和剩余寿命评价分析。Francois Ayello[13]等人使用贝叶斯网络的概率图形模型创建了地下管道风险评估模型，该模型分别计算内部和外部腐蚀风险，此外，还可以基于贝叶斯网络模型建立相应的腐蚀模型进行应用[14-15]。在环空带压方面，Karen Bybee[16]等人通过原位测量气体阈值压力和优化完井解决方案，最大限度地减少气体存储中的气体逸出风险。Ettehad[17]等人提出并演示了一种用于储气库不确定性分析的工作流程。Barajas[18]等人考虑通过井和周围盐层的储存气体与地面设施的相互作用，开发了一种严格的建模方法，用于对地下盐穴中天然气储存的井筒温度和压力、温度进行耦合分析。在人为致因的风险方面，Lyon等人[19]分析了油管职业安全与和设计风险评估方法类别，以识别和评估对储气库相关的操作风险及其控制，并基于级联风险评估方法提供与职业安全和卫生相关的操作建议。

储气库容易受到地质灾害、高压注气、循环载荷、腐蚀环境等多种因素作用的不良影响，进而造成储气库安全可靠性降低，甚至出现重大事故[20]。截止目前,美国在役的储气库设施达400座,有效工作气体总量约1 158.45×108 m3。其中枯竭气/油藏型326座,盐穴型31座,含水层型43座。最近的一次大规模泄露事件在2015年10月Aliso峡谷地下储气设施注气井SS-25出现故障，最后调查结果认为是井筒完整性问题和安全监管漏洞共同导致此事故发生[22]。截止2017年，根据EIA数据，如图1所示，显示了美国四种储气库类型故障报告次数(即，枯竭气/油藏型为528次，含水层29次，盐穴型225次，废弃矿坑30次)，按照井的完整性，地下储层的完整性，人为操作因素，地面站场设备设施故障，站场设备设施操作因素导致的故障和未知因素六类进行划分，结果显示与地下储气库相关的全球事件的报告总量为500余次，涉及泄漏或与地面相关的事件报超过300余次，其中涉及地面站场设备的操作故障最多，井的完整性故障次之，通过荟萃分析结果，如图1(a)所示，得出与枯竭气/油藏型地面站场设备涉及的故障贡献率超过50%，达290余次，与地下完整性相关的事故发生率约30%，达170余次。如图1(b)所示，与火灾和爆炸事件相关的有70余次，其中大部分和枯竭气/油藏型和盐穴型有关，其中枯竭气/油藏型所占比例最高，盐穴型事故发生率次之。

图1 美国四种储气库类型的故障报告次数与六类因素之间的贡献比率与关联度关系

国内有关储气库的风险评价标准目前尚未制定，目前仅针对特定油气井的类型进行了规范化，例如，油气藏型地下储气库安全技术规程(SY 6805-2010)、盐穴地下储气库安全技术规程(SY 6806-2010)，但可操作性和具体实施的流程没有给出[24]。国外方面，如API RP 1170给出了枯竭油气藏和含水层类型的天然气储存的功能完整性建议，API RP 1171也包括了具体的天然气储存溶液开采盐穴的设计与运行措施。由于国内外地质条件和技术条件的差异性，风险因素的不确定性是广泛存在的，如，环空压力波动、地层温度梯度变化及井筒管柱壁厚腐蚀或套管剩余强度的不确定性等。

2 注采井失效模式分析的核心技术与内涵

2.1 井筒套管强度的不确定性量化

井筒属性的随机性是引起井筒强度的不确定性[4]。通常为研究井筒套管强度的随机性分布规律，可以根据已有的井筒属性的随机分布通过抽样分布模拟[25]。通常认为不确定参数服从正态分布。在已知井筒强度分布规律的前提下，可进一步通过一阶二次矩法和蒙特卡洛法近似求取相应的参数[26]。

2.2 井筒压力载荷的不确定性量化

井筒载荷存在较强的随机性[27]，大量的统计分析表明[28]，材料强度和大部分载荷也服从正态分布。通过对这些研究成果的总结、分析借鉴，可以为井筒的可靠性指标研究提供参考[29]。并为评价工程可靠性的定量标准与失效的概率成互补关系，有助于定量风险评估。

2.3 风险评价指标的不确定性量化

通过参考ISO 10400、SY/T 5724等油气井筒完整性评估规范[30]，充分考虑井筒在整个服役期内载荷的不确定性，建立一套全生命周期井筒风险评估量化方法[31]。因此，形成一套井筒系统实时风险评估及其可靠性不确定参数的井筒完整性评估的使用方法，风险评估技术体系，对于确保井筒安全运行具有重要意义[32]。此外，进一步可以结合HSE管理体系及风险评估技术在其他行业的应用情况[33]，例如，基于Borda技术[34]确定井筒单元最大风险评判指标，并构建井筒全寿命周期内的风险评估模型。

3 研究重点及需要突破的技术瓶颈

基于前人研究的基础，拟提议未来关于储气库风险评估方面应着重开展以下两个方面的研究：

1)通过针对相应风险因素及失效机理的研究，尽可能地依据实验结果数据分析影响各种风险因素及各种风险因素之间的相互作用机理，并结合国内外研究成果确定风险及失效模式的判定准则。

2)以力学理论为基础，研究各种失效模型对注采管柱应力强度的影响规律[4]。通过概率风险模拟和概率耦合方程，极限力学方程等应用到对注采管柱应力强度破坏的影响规律研究[35]，此外，还可以将故障树模型映射至贝叶斯网络，分析得出注采管柱各个因素的风险等级，并通过概率更新得出关键失效致因链，提出针对性的预防措施[36]。

通常储气库风险评估技术路线实施方案面临的难点问题有如下三点：

1)基于多种理论模型建立的地下储库漏失的评价模型，数值模拟往往计算量巨大，同时计算结果不容易收敛，甚至计算结果失真等问题，因此需要解决从理论模型到算法概念，底层逻辑编码，算法优化等更深层次的问题，同时根据事实依据需要结合工程背景进行综合考虑；

2)注采井系统安全可靠性评价。以套管柱和注采管柱的安全可靠性为中心，分析压力、温度、腐蚀、水泥环等因素对注采井管柱承载能力的影响，计算注采井系统的寿命周期[37]；将温度、压力、水泥环性质等因素按随机变量处理，将腐蚀、地层岩石性质等影响因素按模糊随机变量处理，在此基础上分析主要的注采井系统的主要失效模式和计算注采井系统的可靠度各个因素的权重分配问题需要解决；

3)油气储库系统事故风险评价。采用故障树等方法分析造成储库事故的风险因素，建立的储气库事故定量风险评价模型，作为演绎系统安全可靠性的评价模型，模型中包括分析评估单元划分、风险因素识别、失效模式确定、事件发生概率计算、事件发生后果计算、风险计算及风险裕度确定等，分析问题模型的方法往往不是动态的，因此确定其理论的风险评估结果，难以为风险防范措施和安全管理决策提供科学依据[13]。

4 风险评估的模型方法及技术路线

4.1 基于贝叶斯及Monte-Carlo的风险评估方法应用

贝叶斯网络是一种模拟动态推理过程中因果关系的不确定性关系模型，其网络结构基于有向无环图，是由节点和有向弧段组成，并采用多个随机变量来标识，其定义如下：

(1)

其中，A为随机变量，存在n种状态a1,a2,…,an。则动态推理过程，即全概率可以表示为：

P(B)=∑P(B/A=ai)P(A=ai)

(2)

(3)

(4)

其中，(x1i,x2i,...,xni)为在随机抽样的观测结果，N为抽样次数。

基于贝叶斯网络后验概率的模拟，并采用 Monte-Carlo并对套管某参数失效概率进行不确定采样模拟，分析流程示例如图2所示，分析结果及按照ARALP即风险尽可能低且可接收的原则，并按照颜色划分，如高风险(红橙色)，中等风险(黄绿色)，低风险(蓝绿色)，可以作为不确定条件下判断注采井的可靠度，其置信度与风险概率的关系可进一步通过随机输入参数模拟和量化影响套注采井风险指标和时间序列下的故障概率进行分类，其中根据不同风险指标分类结果进行聚类结果如图3所示，此外还可以进一步建立井筒有限元模型，运用并行计算技术或者第三方云计算服务进行全尺寸有限元模拟和注采井受力计算，如图4所示，分别显示了4 500 m(图4a)全程近井区井筒应力计算的置信区间和基于贝叶斯Monte-Carlo，经100 000次模拟的全程4 000 m(图4b)井段，根据计算结果所得出的破裂应力风险置信区间模拟结果示例。

图2 基于Monte-Carlo采样并对套管某参数失效概率进行不确定抽样流程示例

图3 基于Monte-Carlo采样并对套管某参数失效概率进行不确定抽样分类聚类结果示例

图4 两个不中不同风险可视化量化结果(a)4 500 m全程近井区井筒应力计算的风险置信区间(b)了全程4 000 m根据Monte-Carlo采样模拟的破裂应力风险置信区间结果

4.2 以力学分析为基础的风险评估的技术流程

针对储气库管柱在实际工况下的受力类型，可进一步地与API标准的抗挤毁压力类型进在组合载荷下相结合的方法[38]，并充分考虑各工况受力强度等力学载荷状态，其中，储气库基于力学方法分析的风险失效方法技术路线如图5所示。

图5 以力学分析方法为基础的储气库风险失效技术路线流程

5 风险评估技术及其展望

未来储气库关于风险评估技术应注重于大数据及智能化应用方面，结合SCADA系统运行的基础数据并重点关注于以“储气库井筒”运行参数指标量化为基础的相关风险分级控制与风险识别技术等系列配套的系统化的分析手段。具体包括但不仅限于智能化风险控制，智能化风险分级，智能化选材优化技术，智能化完整性管理，为提高储气库总体运行的稳定性，促进智能化安全生产、风险管控，预警调峰并提高储气库注采井的风险管控能力与风险失效相关的风险应急响应水平的高效化提供建设性意见。