基于C-FRAM的油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期關(guān)鍵風(fēng)險因素辨識方法

李 靜, 孫明炬, 金作良, 胡瑾秋, 陳怡玥, 韓林序, 吳明遠

(1.中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院,四川 成都 610041;2.中國石油天然氣股份有限公司儲氣庫分公司,北京 102209;3.中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院,北京 102249;4.油氣生產(chǎn)安全與應(yīng)急技術(shù)應(yīng)急管理部重點實驗室,北京 102249)

油氣藏型地下儲氣庫(以下簡稱儲氣庫)是協(xié)調(diào)天然氣供求關(guān)系、優(yōu)化輸配氣管網(wǎng)運行和提高供氣安全性與可靠性的能源安全保障的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在天然氣生產(chǎn)運輸過程中起著至關(guān)重要的作用[1]。由于儲氣庫是對已開發(fā)的枯竭氣層或油層進行改造建設(shè),因此新建設(shè)施少、建造成本低,在我國地下儲氣庫類型中應(yīng)用最為廣泛。為實現(xiàn)儲氣庫全生命周期風(fēng)險管理,需要對處于設(shè)計、施工、運營、廢棄等不同階段的儲氣庫開展風(fēng)險因素辨識。

現(xiàn)階段針對儲氣庫開展風(fēng)險因素辨識的研究成果中,多為圍繞運營期工況或供應(yīng)效率的研究[2-3]。然而,儲氣庫設(shè)計期的風(fēng)險因素辨識并非針對單個設(shè)備或成套裝備的分析,而應(yīng)重點圍繞可輸送性等系統(tǒng)功能能否在宏觀層面上實現(xiàn),相應(yīng)的地質(zhì)、氣藏、鉆采和地面設(shè)計是否支持,以及存在的設(shè)計缺陷可能會在哪些方面對后續(xù)的施工期、運營期造成影響等方面[4-5]。危險與可操作性分析(HAZOP)、失效模式和影響分析(FMEA)等傳統(tǒng)風(fēng)險評估方法適用于單個設(shè)備的風(fēng)險或可靠性評價[6-7],而基礎(chǔ)設(shè)施韌性建模語言(IRML)等系統(tǒng)風(fēng)險評估方法更適用于分工明確、結(jié)構(gòu)具體的系統(tǒng)[8]。由于儲氣庫在設(shè)計期需要實現(xiàn)的功能明確,因此可以采用功能共振分析方法(functional resonance analysis method,FRAM)從整個系統(tǒng)的功能特征角度來辨識動態(tài)系統(tǒng)中的風(fēng)險因素[9]。功能共振分析方法起初被運用于航空、海運、鐵路等運輸業(yè)的事故分析中[10-12],后逐漸向建筑[13]、油氣[14]等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。結(jié)合半定量化[15-16]或定量化[17-18]分析方法,功能共振分析方法也被改進用于風(fēng)險評價或風(fēng)險因素辨識研究。

在儲氣庫設(shè)計期系統(tǒng)內(nèi),處于不同位置的功能模塊對擾動傳播的影響不同。為了修正復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)功能模塊中心性對風(fēng)險因素后果大小造成的偏差,本文針對設(shè)計期儲氣庫功能的特點,建立考慮功能模塊中心性的系統(tǒng)功能共振分析方法(centrality-based functional resonance analysis method,C-FRAM),并對處于設(shè)計期的儲氣庫進行系統(tǒng)的風(fēng)險因素辨識與評估。

1 儲氣庫設(shè)計期功能分析

1.1 功能共振分析原理

功能共振分析方法(functional resonance analysis method,FRAM)基于隨機共振理論的發(fā)展,強調(diào)從整個系統(tǒng)的功能特征角度分析事故以及辨識動態(tài)系統(tǒng)中的風(fēng)險因素[19-20],具體分析過程如下:

首先,通過識別功能,將系統(tǒng)整體拆分為由基本功能或程序組成的若干功能模塊,根據(jù)系統(tǒng)在輸入、輸出、前提、資源、時間和控制6個維度的功能特性,分別對各個功能模塊展開分析與描述(圖1);然后,根據(jù)各功能模塊固有功能和六角維度間的依賴關(guān)系,建立油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期的功能共振網(wǎng)絡(luò)(圖2);最后,通過對各個功能模塊性能狀態(tài)進行監(jiān)測,識別存在實際變化或潛在變化的功能模塊,并根據(jù)模塊間的失效連接分析由功能模塊性能波動引發(fā)的共振在網(wǎng)絡(luò)中的傳播情況,以此為梳理風(fēng)險因素提供參考。

圖1 六角功能共振模塊Fig.1 Hexagonal functional resonance module

圖2 油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期的功能共振網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Functional resonance network for oil and gas reservoir-type underground gas storage in design phase

1.2 儲氣庫設(shè)計期功能劃分

庫容量和日采氣量是直接決定油氣藏型地下儲氣庫的調(diào)峰和應(yīng)急供氣能力的兩大因素,前者主要影響地質(zhì)和氣藏的選擇與設(shè)計,后者涉及注、采氣系統(tǒng)設(shè)計,進而又影響鉆采工程、井控裝置設(shè)計和后續(xù)地面注、采氣設(shè)施支持等。由于枯竭油氣藏地下儲氣庫涉及老井處理,需要專門開展老井封堵、再利用和井控設(shè)計,此外還應(yīng)考慮儀表、集輸管道和其他輔助系統(tǒng)。因此,本文將油氣藏型儲氣庫的設(shè)計階段與設(shè)計內(nèi)容劃分為開發(fā)地質(zhì)及氣藏工程設(shè)計、老井處理設(shè)計、鉆采工程設(shè)計和地面設(shè)施設(shè)計4個功能模塊和17項具體設(shè)計內(nèi)容,并歸納為如圖3所示。

圖3 油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計階段與設(shè)計內(nèi)容劃分Fig.3 Phase and content division of oil and gas reservoir-type underground gas storage design

2 基于C-FRAM的儲氣庫設(shè)計期關(guān)鍵風(fēng)險因素辨識模型建立

2.1 功能模塊中心性計算

當功能共振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)功能模塊數(shù)量級上升時,處于不同位置的功能模塊振動的影響差異則不可忽視。功能模塊的中心性在系統(tǒng)層面中反映了當局部發(fā)生擾動后,遭受或造成其他功能模塊影響的難易程度。通過對各個功能模塊的相互作用影響進行分析,可得到簡化六角連接的FRAM功能共振網(wǎng)絡(luò),如圖4所示。

圖4 油氣藏型地下儲氣庫簡化表示的功能共振網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Simplified functional resonance network for oil and gas reservoir-type underground gas storage

在系統(tǒng)層面的功能擾動引發(fā)的振動傳播過程中,存在多個擾動傳播路徑,而兩個非直接相鄰功能間的功能模塊具有對擾動傳播的控制作用,如果一個功能模塊位于多個其他功能模塊連接的最短路徑上,如圖4中功能模塊fi,則可認為該功能模塊的中介中心性較大,具有較高的不穩(wěn)定概率。

為了消除網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化對功能模塊中介中心性的影響,在計算網(wǎng)絡(luò)中第i個功能模塊fi的中介中心性時,首先計算除功能模塊fi之外的所有功能模塊之間最短路徑數(shù)量,其次計算在以上最短路徑中經(jīng)過功能模塊fi的路徑數(shù)量,最后計算該兩者之間的比例并進行標準化即可,計算公式為

(1)

式中:CB(fi)為功能模塊fi的中介中心性;N為網(wǎng)絡(luò)中功能模塊的總數(shù);l(j,k)為第j個功能模塊與第k個功能模塊間的最短路徑數(shù)量;ls(j,i,k)為第j個功能模塊與第k個功能模塊間經(jīng)過了第i個功能模塊的最短路徑數(shù)量。

2.2 功能模塊性能波動狀態(tài)分析

通過描述各個功能模塊性能所發(fā)生的潛在或?qū)嶋H變化,可實現(xiàn)功能模塊性能波動狀態(tài)分析。針對儲氣庫設(shè)計階段工作重點以及涉及的任務(wù)和資源,基于分析引導(dǎo)詞思想,提出一套適用于儲氣庫設(shè)計期功能模塊的11個一般性能條件,如表1所示。

表1 油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期功能模塊一般性能條件

根據(jù)儲氣庫設(shè)計期功能模塊性能波動狀態(tài)分析引導(dǎo)詞,對功能模塊中發(fā)生性能變化的一般性能條件(即風(fēng)險因素)的概率進行評估,并根據(jù)風(fēng)險因素出現(xiàn)概率從小到大將評估結(jié)果劃分為“充分”“不充分”和“無法確定”3種情況,計算各功能模塊11個一般性能條件的評價結(jié)果,得到各功能模塊的性能波動狀態(tài),計算公式為

(2)

式中:Si為第i個功能模塊的性能波動狀態(tài)取值;Unidentifiedi為第i個功能模塊的一般性能條件中分析得到“無法確定”的風(fēng)險因素的數(shù)量;Inadequatei為第i個功能模塊的一般性能條件中分析得到“不充分”的風(fēng)險因素的數(shù)量。

根據(jù)功能模塊的性能波動狀態(tài)取值,將Si從小到大對應(yīng)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、機會和隨機4種狀態(tài),各個波動狀態(tài)相應(yīng)的取值范圍如下所示:

(3)

2.3 關(guān)鍵風(fēng)險因素識別

由功能模塊中介中心性計算,可知各功能模塊性能發(fā)生狀態(tài)波動在系統(tǒng)中的影響作用;由功能模塊的一般性能評價,可知各功能模塊發(fā)生性能狀態(tài)波動的概率等級。因此,結(jié)合風(fēng)險矩陣思想,提出一種考慮功能模塊中心性的系統(tǒng)功能共振分析方法(C-FRAM),將功能模塊fi的中介中心性與性能狀態(tài)波動概率相乘獲得風(fēng)險量化結(jié)果R(i),其計算公式為

R(i)=CB(fi)·Si

(4)

根據(jù)量化結(jié)果確定高風(fēng)險功能模塊,如圖5所示。

圖5 基于C-FRAM的油氣藏型地下儲氣庫高風(fēng)險功能模塊的確定Fig.5 Determination of high-risk functional modules in oil and gas reservoir-type underground gas storage based on the C-FRAM

由圖5可知:功能模塊1具有較高的性能隨機波動概率而中介中心性較小,即使性能波動其在系統(tǒng)中也不會產(chǎn)生較大的擾亂;功能模塊5的中介中心性較大而發(fā)生性能波動概率較小,一般情況下處于穩(wěn)定狀態(tài);功能模塊6的兩個屬性均偏大,可視為高風(fēng)險功能模塊,在后續(xù)分析中應(yīng)給予重點關(guān)注。

將計算得到的高風(fēng)險功能模塊列為重點關(guān)注對象,分析功能模塊共振影響因素和失效功能連接,辨識關(guān)鍵風(fēng)險因素,并有針對性地制定合理的應(yīng)對措施。

3 案例應(yīng)用與分析

本文以重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫為例開展設(shè)計期關(guān)鍵風(fēng)險因素識別與分析。相國寺儲氣庫為西南地區(qū)首座地下儲氣庫,由相國寺氣田石炭系氣藏改建而成,功能定位為中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線及川渝地區(qū)季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣與戰(zhàn)略儲備。該儲氣庫設(shè)計庫容量為42.6億m3,墊底氣量為19.8億m3,工作氣量為23億m3,設(shè)計最大日注氣量為1 380萬m3,季節(jié)調(diào)峰最大日采氣量為1 917萬m3,應(yīng)急調(diào)峰最大日采氣量為2 855萬m3。

3.1 系統(tǒng)功能識別和描述

首先,結(jié)合相國寺儲氣庫超低壓薄儲層、下方存在煤礦采空區(qū)和巷道以及狹長高陡復(fù)雜構(gòu)造的特點,對該儲氣庫設(shè)計期功能劃分的開發(fā)地質(zhì)及氣藏工程設(shè)計、老井處理設(shè)計、鉆采工程設(shè)計和地面設(shè)施設(shè)計4個設(shè)計階段繼續(xù)進行細化,共得到43個功能模塊,具體名稱及編號如表2所示,并分別對43個功能模塊六維特征進行描述。本次以B4采氣規(guī)模與配置設(shè)計功能模塊為例,得到其六維特征描述,如表3所示。

表2 重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期功能模塊名稱及編號

表3 重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫B4采氣規(guī)模與配置設(shè)計功能模塊六維特征描述

然后,建立系統(tǒng)中各功能模塊之間的功能連接關(guān)系,形成該油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期功能共振網(wǎng)絡(luò)。分別將該儲氣庫4個設(shè)計階段進行聚類,并采用python中的networkx工具包繪制其功能共振網(wǎng)絡(luò),得到其簡化表示的功能共振網(wǎng)絡(luò),如圖6所示。

圖6 重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期簡化表示的功能共振網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Simplified functional resonance network during the design phase of Chongqing Xiangguosi oil and gas reservoir-type underground gas storage

3.2 高風(fēng)險功能模塊確定

首先,分別計算并記錄43個功能模塊在該儲氣庫設(shè)計期功能共振網(wǎng)絡(luò)中的中介中心性。

然后,根據(jù)用于儲氣庫設(shè)計期的一般性能條件,對每個功能模塊的風(fēng)險因素和后果進行分析,評估其性能狀態(tài)波動變化概率。以該儲氣庫B4采氣規(guī)模與配置設(shè)計功能模塊為例,得到其波動狀態(tài)評估結(jié)果,如表4所示。

表4 B4采氣規(guī)模與配置設(shè)計功能模塊波動狀態(tài)分析

最后,結(jié)合各功能模塊的中介中心性與性能波動狀態(tài),計算對應(yīng)的風(fēng)險值,并使用python中的matplotlib.pyplot得到可視化表示,如圖7所示。其中,橫軸表示功能模塊的中介中心性;縱軸表示功能模塊的性能隨機狀態(tài)波動取值;氣泡大小對應(yīng)各功能模塊的風(fēng)險值,同時用4種顏色區(qū)分儲氣庫設(shè)計期的不同階段。該儲氣庫風(fēng)險值最高的前5個功能模塊分別為:B5采出氣處理系統(tǒng)設(shè)計(0.156)、O3老井再利用工藝設(shè)計(0.098 7)、B1注氣規(guī)模與配置設(shè)計(0.081 4)、B4采氣規(guī)模與配置設(shè)計(0.070 4)和G9地質(zhì)實施方案設(shè)計(0.062 8)。

圖7 重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期各功能模塊的風(fēng)險值Fig.7 Risk values of each functional module during the design phase of Chongqing Xiangguosi oil and gas reservoir-type underground gas storage

3.3 儲氣庫設(shè)計期主要風(fēng)險因素分析

根據(jù)油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期的FRAM網(wǎng)絡(luò),查找其中與高風(fēng)險功能模塊存在失效連接的功能模塊,并分析發(fā)生失效對功能模塊的影響情況,從而確定功能共振模塊、失效功能連接及影響因素如表5所示,其中各失效功能連接對應(yīng)的風(fēng)險因素即為該功能模塊對應(yīng)的最主要風(fēng)險因素。

表5 重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期失效功能連接與高風(fēng)險功能模塊影響因素分析

3.4 結(jié)果討論

在風(fēng)險分析過程中,如果只根據(jù)波動狀態(tài)判斷而不考慮功能模塊性能波動狀態(tài)在系統(tǒng)內(nèi)的影響范圍,B4采氣規(guī)模與配置設(shè)計、B1注氣規(guī)模與配置設(shè)計等功能模塊可能因為性能波動狀態(tài)較低而在風(fēng)險因素分析時被忽略。隨著中介中心性系數(shù)的引入,得以在評價階段將高風(fēng)險模塊納入重點分析范圍,驗證了考慮功能模塊中介中心性修正的評價效果。根據(jù)C-FRAM方法的分析結(jié)果,得到油氣藏型地下儲氣庫在設(shè)計期需要重點關(guān)注以下幾個方面:

1) 充分調(diào)研國家對儲氣庫的建設(shè)部署和下游用戶對天然氣供應(yīng)的調(diào)峰需求,在第一步明確采氣規(guī)模等儲氣庫指標的總體設(shè)計,避免因生產(chǎn)需求變動導(dǎo)致的采氣處理系統(tǒng)和注、采氣規(guī)模與配置等系列設(shè)計連環(huán)變動。

2) 地質(zhì)實施方案需要包括地質(zhì)監(jiān)測、特殊井設(shè)計、采注井設(shè)計等內(nèi)容,信息繁多且獲取周期長,后續(xù)又涉及儲層保護、動態(tài)監(jiān)測、試驗測試、老井處理等諸多環(huán)節(jié),容易因為輸入信息統(tǒng)計缺失或臨時變化而出現(xiàn)工期延誤,因此在設(shè)計期內(nèi)開展各類儲氣庫功能設(shè)計任務(wù)時應(yīng)給予優(yōu)先支持。

3) 老井再利用前應(yīng)進行充分評價,避免因高估其狀態(tài)或安全技術(shù)措施不足而威脅儲氣庫的安全運行,或因低估其狀態(tài)、過度封堵造成整體采儲量降低和成本增加。

4 結(jié) 論

1) 通過對油氣藏型地下儲氣庫設(shè)計期進行功能劃分和風(fēng)險因素辨識分析,提出應(yīng)重點關(guān)注地質(zhì)實施方案、老井再利用工藝以及注、采氣規(guī)模配置和采氣處理系統(tǒng)等與采出量指標直接相關(guān)的功能模塊設(shè)計等建議。

2) 在功能共振分析方法中,提出適用于儲氣庫設(shè)計的功能模塊隨機共振的一般性能條件,通過對組織培訓(xùn)、可用的資源、安全環(huán)保、功能完整性以及成本約束等方面開展全方位評價,可以對各功能模塊性能波動狀態(tài)進行有效識別。

3) 利用提出的C-FRAM方法,在分析各功能模塊發(fā)生擾動的概率的同時,計算了功能連接網(wǎng)絡(luò)中各功能模塊的中介中心性,并考慮功能模塊在系統(tǒng)內(nèi)擾動的嚴重程度,修正了風(fēng)險模塊輸出結(jié)果,得出了B1注氣規(guī)模與配置設(shè)計、B4采氣規(guī)模與配置設(shè)計等擾動概率不高但與其他功能聯(lián)系緊密、重要性高的功能模塊。通過對儲氣庫設(shè)計期主要風(fēng)險因素的辨識,提出了應(yīng)重點關(guān)注宏觀儲氣庫規(guī)模部署與下游供應(yīng)調(diào)峰需求、優(yōu)先支持地質(zhì)實施方案設(shè)計,且在老井再利用前應(yīng)進行充分評估等建議。