基于層次分析法的CO2驅注采工程安全風險評價

張紹輝 王帥 潘若生 耿笑然 王玲

1.中國石油勘探開發研究院；2.中海油研究總院有限責任公司；3.中國石油吉林油田分公司油氣工程研究院；4.中國石油遼河油田分公司勘探開發研究院

CO2驅油可以實現提高原油采收率和地質埋存的雙重目的，是一項綠色環保的驅油技術。注采工程是CO2驅油技術的關鍵組成環節，起著承上啟下的重要作用，是完成油藏方案提出開發指標的保證，也是地面工程建設的依據和出發點。

CO2驅注采工程是一項十分龐大復雜的系統工程，涵蓋范圍廣、種類多、專業性強、工作環境復雜，現場安全辨識和風險控制難度大［1］。隨著CO2驅油技術的不斷發展，越來越多的安全風險問題暴露出來。由于CO2氣體的特殊性，CO2注入及采油過程中涉及的安全風險與常規采油有較大的差別。在CO2注入以及采油作業過程中，由于設備的缺陷、作業場所的環境污染以及其他不可抗拒因素，造成人員健康傷害、設備及管線損壞、環境污染等問題［2-5］。利用危險可操作性分析、安全檢查表、作業條件危險性評價等方法，能夠對各生產流程的風險進行辨識和分級［6］。相關學者對CO2驅油安全方面的研究主要依靠經驗和定性分析，缺乏定量分析與綜合性評價。科學、合理地分析和評價注采工程安全風險因素是提高和完善CO2驅油技術安全風險管理的關鍵環節［7］。

層次分析法是一種很好的定性分析與定量分析相結合的多目標決策分析方法，是在定性認識復雜決策問題中的要素歸屬、內在聯系和本質的基礎上，以數學模型的方式表達決策者的決策思想，通過量化計算得出最佳方案，能夠實現定性和定量的完美結合［8-9］。作為一種實用的決策工具，層次分析法在工程風險評價、方案優選、經濟效益評價等方面得到了廣泛應用［10-16］。筆者對CO2驅注采工程安全風險進行綜合分析，并應用層次分析法對安全風險進行量化處理與評價，為CO2驅油安全風險決策與管理提供可靠依據。

1 CO2驅注采工程安全風險分析

CO2驅注采施工過程中涉及人員、設備、材料、作業環境、作業信息等多種因素。施工人員的不安全行為、設備的不安全狀態、材料的不安全存放和使用、作業環境的不安全因素、信息的不及時識別和溝通都會成為注采施工的安全風險。

通過對CO2驅注采施工現場調查、風險分析及相關標準體系研究，將注采工程安全風險分為注采施工風險、CO2腐蝕風險、安全管理風險、環境保護及人身安全風險等方面。

1.1 注采施工風險

在國內實施CO2驅的區塊中，大多數為老井轉CO2驅。這些老井并不符合CO2驅鉆完井要求，未使用氣密封絲扣套管，固井水泥返高不夠，存在著套外氣竄和絲扣漏氣的風險。采油過程中，采油井的高壓防噴盒由于光桿的磨損使其承壓能力降低，易發生刺漏。

由于氣體在地層中的移動速度遠遠大于液體，壓力易發生突變，若壓力變化不能被及時發現并采取有效控制措施，極易發生井噴失控事故。井控風險是CO2驅面臨的主要風險之一。

1.2 CO2腐蝕風險

二氧化碳屬于弱酸性氣體，溶于水后形成碳酸，可與管材、設備中的鐵發生化學反應，造成管材、設備的腐蝕破壞，在高溫高壓條件下，腐蝕現象更為嚴重。對于老井轉CO2驅，使用的是J55、N80、P110組合套管，這些套管不防腐，極易發生腐蝕。

目前CO2驅注采井筒采取以化學防腐為主、物理防腐為輔的防腐技術路線，關鍵部件使用耐腐蝕材料。緩蝕劑配方體系的研發、加藥工藝和制度的優選對于腐蝕控制至關重要。

1.3 安全管理風險

注采施工現場作業人員安全意識的高低是決定現場安全管理水平的關鍵因素。注采作業過程中，應及時進行風險識別，并制定有效的風險控制措施。對于突發事件，應提前制定應急預案。

1.4 環境保護及人身安全風險

在CO2驅井下作業施工過程中，若存在管理不善或防治污染措施不全，易出現井液跑漏情況，造成環境污染。

CO2驅能夠實現CO2的地質埋存，但也帶來了CO2的泄漏風險。若CO2大量泄漏會引起大氣系統和生態環境的變化，給健康、安全、環保帶來諸多不利影響。CO2不屬于有毒物質，但吸入后會對刺激眼睛及上呼吸道，長時間接觸后會引發遲發性肺水腫、成人呼吸窘迫癥等，濃度過高會導致人員窒息死亡，液態CO2迅速氣化引發低溫凍傷。CO2注入壓力一般在20 MPa左右，一旦發生泄漏，高壓必將對作業人員造成傷害。注入泵房、采油井等區域，若不按操作規程進行作業，易發生機械傷害。

2 層次分析法在CO2驅注采工程安全風險評價中的應用

層次分析法是將決策問題的有關元素分解成目標、準則、方案等層次，把人的思維過程層次化、數量化，并用數學方法為分析、決策、預報或控制提供定量的依據。方法的主要特點是：在對復雜決策問題的本質、影響因素以及內在關系等進行深入分析后，構建一個層次結構模型，然后利用較少的定量信息，把決策的思維過程數學化，從而為求解多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供一種簡便的決策方法。層次分析法的基本步驟為：建立層次結構模型；專家賦值，建立判斷矩陣；單層次排序和一致性檢驗；總層次排序，如圖1所示。

圖1 層次分析法流程Fig.1 Flow chart of analytical hierarchy process

2.1 建立層次結構模型

在安全風險分析的基礎上，結合層次分析法，將注采施工、CO2腐蝕、安全管理、環境保護及人身安全設為準則層，識別出套外氣竄、桿管磨損刺漏、腐蝕監測、施工人員安全意識、井流物排放、高壓傷害等15種風險作為方案層，建立了CO2驅注采工程安全風險層次結構模型，如圖2所示。

2.2 構建判斷矩陣

通過比較確定所有評價因素間的相對權重，構建判斷矩陣，即每次取2個因素mi和mj，以Nij表示mi、mj對總體目標的影響大小之比，采用“1～9”標度對Nij進行賦值，全部比較結果形成判斷矩陣，具體含義見表1。通過求解判斷矩陣來獲得各指標的相對權重。

圖2 CO2驅注采工程安全風險層次結構模型Fig.2 Hierarchical structure model of safety risk in the injection and production engineering of CO2 flooding

按照已建立的CO2驅注采工程安全風險層次結構模型，分別構建不同層次的判斷矩陣，見表2～表6。

表1 “1～9”標度的含義Table 1 Meaning of scale “1-9”

表2 CO2驅注采工程安全風險重要性判斷矩陣Table 2 Importance judgement matrix of safety risk in the injection and production engineering of CO2 flooding

表3 注采施工風險重要性判斷矩陣Table 3 Importance judgement matrix of injection and production risk

表4 CO2腐蝕風險重要性判斷矩陣Table 4 Importance judgement matrix of CO2 corrosion risk

表5 安全管理風險重要性判斷矩陣Table 5 Importance judgement matrix of safety management risk

表6 環境保護及人身安全風險重要性判斷矩陣Table 6 Importance judgement matrix of environmental protection and personal safety risk

2.3 檢驗矩陣一致性及計算元素的相對權重

為評價層次排序的有效性，必須對判斷矩陣的評定結果進行一致性檢驗，檢驗專家對各指標相對權重的判斷是否合理。為此，提出隨機一致性比值CR，當CR=0時，滿足完全一致性；當CR＜0.1時，認為一致性得到滿足；當CR≥0.1時，認為權重值不合理，應返回到專家賦值階段，直到得到滿意的一致性為止。CR計算公式為

式中，RI為平均隨機一致性指標，與判斷矩陣的階數n有關，見表7；CI為一致性指標。

表7 平均隨機一致性指標RITable 7 Average stochastic consistency index RI

CI計算公式為

式中，λmax為判斷矩陣的最大特征根。

若矩陣符合一致性檢驗，將其最大特征值對應的特征向量歸一化后作為權重向量。上述各矩陣的一致性檢驗和權重向量計算結果見表8。

2.4 計算元素的合成權重

在確定各層次指標的相對權重后，需要計算最低一層指標權重折算到相對目標層上來，求得指標的合成權重。方案層所有風險因素對CO2驅注采工程安全的影響程度及總排序見表9。

在影響CO2驅注采工程安全的4類風險因素中，風險從高到低排序為：CO2腐蝕風險、注采施工風險、安全管理風險、環境保護及人身安全風險。CO2驅注采工程安全風險影響因素合成權重及總體排序結果顯示，對注采工程安全影響程度從高到低排序為：油套管材質、套外氣竄、緩蝕劑性能、施工人員安全意識、絲扣漏氣、加藥工藝和制度、桿管磨損刺漏、高壓傷害、風險識別和控制措施制定、腐蝕監測、井控、機械傷害、窒息凍傷中毒、應急預案制定、井流物排放。

表8 矩陣一致性檢驗和權重向量計算結果Table 8 Results of matrix consistency check and weight vector calculation

表9 合成權重及總體排序Table 9 Synthetic weight and general ranking

2.5 結果分析

CO2腐蝕是CO2驅注采工程安全面臨的最大風險，影響注采工程安全因素排在前3位的油套管材質、套外氣竄、緩蝕劑性能都與腐蝕相關。對于CO2驅新井和轉CO2驅的老井，需做好CO2腐蝕風險評價與控制。在關鍵部位選用耐腐蝕材料，做好與地層相適應緩蝕劑配方體系的研發，控制好套外氣竄。施工人員的安全意識也是影響注采安全的重要因素。通過開展安全培訓與教育，加強對高壓高含CO2油氣井施工的認識，提高員工安全風險意識，落實崗位責任制，強化施工過程監督與控制，力求從本質上控制安全風險源。

3 結論及建議

（1）CO2驅注采工程存在的主要安全風險包括注采施工風險、CO2腐蝕風險、安全管理風險、環境保護和人身安全風險等。

（2）通過建立CO2驅注采工程安全風險層次結構模型，對施工安全影響因素進行量化評價，CO2腐蝕是CO2驅注采工程安全面臨的最大風險。應在關鍵部位選用耐腐蝕材料，做好與地層相適應緩蝕劑配方體系的研發，控制好套外氣竄。

（3）施工人員的安全意識也是影響安全的重要因素。應加強員工安全培訓與教育，提高員工安全風險意識，強化施工過程監督與控制，實現本質安全。

（4）層次分析法在CO2驅注采工程安全風險評價中的應用，量化了注采工程安全風險影響因素，為CO2驅注采工程安全風險決策與管理提供依據。

參考文獻：

［1］JOHN H.Platform re-design for CO2re-injection: process and safety engineering challenges［R］.SPE 125054,2009.

［2］WANG J, WANG F, ZHANG D P, YIN G J, PAN R S,XING S.CO2flooding WAG safety control technology［R］.SPE 165751, 2013.

［3］WANG F, LIU C Y, LI Q, LI K W, ZHANG D P.Risk assessment technology research on CO2injection wellbore［R］.SPE 165745, 2013.

［4］李興，劉恒，陳陸釗，朱磊磊.二氧化碳驅存在的主要風險和防控對策［J］.化工管理，2015（8）：263.LI Xing, LIU Heng, CHEN Luzhao, ZHU Leilei.Safety risks and control measures in CO2flooding［J］.Chemical Enterprise Management, 2015（8）: 263.

［5］李季.二氧化碳驅油的安全風險分析［J］.化工管理，2014（9）：87.LI Ji.Safety risks analysis in CO2flooding［J］.Chemical Enterprise Management, 2014 （9）: 87.

［6］李清，曲作明，王剛.二氧化碳驅油風險評價技術的篩選與應用［C］.延吉：安全責任重在落實——第四屆吉林安全生產論壇，2011.LI Qing, QU Zuoming, WANG Gang.Screening and application of risk assessment in CO2flooding［C］.Yanji: Safety Responsibility Lies in the Implementation-The Fourth Safety Production Forum of Jilin, 2011.

［7］易俊，李鳳.二氧化碳驅油安全性研究現狀及發展趨勢［J］.工業安全與環保，2014，40（11）：41-43.YI Jun, LI Feng.Security research status and development trend of CO2flooding［J］.Industrial Safety and Environmental Protection, 2014, 40（11）: 41-43.

［8］譚躍進，陳英武，李鳳.系統工程原理［M］.北京：國防科技大學出版社，1999：66-70.TAN Yuejin, CHEN Yingwu, LI Feng.Theory of system engineering［M］.Beijing: National University of Defense Technology Press, 1999: 66-70.

［9］張吉軍.現代決策分析方法及其應用［M］.成都：四川大學出版社，2001：110-122.ZHANG Jijun.Modern decision analysis method and its application［M］.Chengdu: Sichuan University Press,2001: 110-122.

［10］柯珂，管志川，張君亞，王斌，崔允.西非深水 JDZ-2-1井鉆井工程整體風險分析［J］.石油鉆采工藝，2009，31（5）：5-10.KE Ke, GUAN Zhichuan, ZHANG Junya, WANG Bin,CUI Yun.Affecting factors research on the risks of deep water drilling operation in West Africa［J］.Oil Drilling& Production Technology, 2009, 31（5）: 5-10.

［11］付利，申瑞臣，屈平，夏健，楊恒林，韓敬.基于層次分析法的煤層氣鉆完井方式優選［J］.石油鉆采工藝，2011，33（4）：10-14.FU Li, SHEN Ruichen, QU Ping, XIA Jian, YANG Henglin, HAN Jing.Selection of CBM drilling &completion methods by hierarchical analysis［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2011, 33（4）: 10-14.

［12］呂彥平，吳曉東，李朝霞，師俊峰，劉偉.層次分析法在螺桿泵井故障診斷中的應用［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：80-82，87.LIU Yanping, WU Xiaodong, LI Zhaoxia, SHI Junfeng,LIU Wei.Application of analytic hierarchy process in the fault diagnosis of progressing cavity pump well［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2008, 30（6）: 80-82, 87.

［13］張軍華，黃廣譚，李軍，楊勇，杜玉山.基于層次分析法的地震有利儲層預測［J］.特種油氣藏，2015，22（5）：23-27.ZHANG Junhua, HUANG Guangtan, LI Jun, YANG Yong, DU Yushan.Seismic favorable reservoir prediction based on analytic hierarchy process ［J］.Special Oil &Gas Reservoirs, 2015, 22(5): 23-27.

［14］鐘儀華，劉雨鑫，林旭旭.基于馬爾科夫鏈和貝葉斯網絡的鉆井風險預測［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：291-295.ZHONG Yihua, LIU Yuxin, LIN Xuxu.Drilling risk prediction based on Markov chain and Bayesian network［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2016,38(3): 291-295.

［15］李斌，畢永斌，高廣亮，袁立新，劉振林.油田開發規劃風險評估與分析［J］.特種油氣藏，2016，23（2）：63-68.LI Bin, BI Yongbin, GAO Guangliang, YUAN Lixin,LIU Zhenlin.Risk assessment and analysis of oilfield development planning ［J］.Special Oil & Gas Reservoirs, 2016, 23(2): 63-68.

［16］勝亞楠，管志川，張國輝，葉浪，劉書杰，馮桓榰.基于鉆前風險預測的井身結構優化方法［J］.石油鉆采工藝，2016，38（4）：415-421.SHENG Yanan, GUAN Zhichuan, ZHANG Guohui, YE Lang, LIU Shujie, FENG Hengzhi.Borehole structure optimization based on pre-drill risk assessment［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38(4): 415-421.