储存天然气的盐穴井注采能力下降概率计算方法 技术领域 本发明涉及盐穴型天然气地下储气库完整性管理技术领域， 特别涉及一种储存天 然气的盐穴井注采能力下降概率计算方法。
背景技术 盐穴井是将气体通过井筒注入到盐丘或盐层上的废弃盐穴或水溶建造的盐穴内 而储存， 并可采出来满足市场需求的一种地下储气设施 （如图 1 所示， 其中 1 为井口， 2 为表 层套管， 3 为生产套管， 4 为环空保护液， 5 为井下安全阀， 6- 注采管， 7 为封隔器 8- 套管鞋 9- 天然气 10- 残余卤水） 。 考虑天然气具有易燃、 易爆的特性和盐穴井为用户安全供气的功 能要求， 盐穴井应具备两种能力 ： 其一， 储存天然气并阻止天然气释放到周围环境的能力 ； 其二， 以有效速率为用户提供储存天然气的能力。 盐穴井丧失以上两种或其中一种能力， 即 定义为失效， 失效模式包括泄漏和注采能力下降两种， 并均已被国外事故报道证实。 盐穴井 注采能力下降一旦发生， 将大大影响其调峰和运行效率， 严重的将造成运行中断或盐穴井 报废， 带来不必要的经济损失。
盐穴井注采能力决定着其是否能够安全高效经济运行， 已成为盐穴井风险评估重 点研究对象之一。 评估注采能力下降风险大小关键是解决注采能力下降概率和产生的不良 后果的计算问题。然而， 目前针对注采能力下降风险评估仍无具体的报道。因此， 建立盐穴 井注采能力下降的概率计算方法迫在眉睫， 是建立盐穴型地下储气库风险评估技术的关键 点之一， 对于预防盐穴型地下储气库注采能力下降发生和确保其安全高效经济运行具有重 要意义。
发明内容 本发明旨在提供一种储存天然气的盐穴井注采能力下降概率计算方法， 用于判断 盐穴井发生注采能力下降的可能性， 为盐穴井风险评估提供失效概率数据。本发明可解决 盐穴型天然气地下储气库风险评估中失效概率计算的关键问题之一， 为预防盐穴地下储气 库注采能力下降发生提供技术手段， 从而确保盐穴地下储气库安全高效经济运行。
为实现上述发明目的， 提供一种储存天然气的盐穴井注采能力下降概率计算方 法， 所述方法包括步骤 ：
步骤 1、 获取待评价盐穴井的信息资料， 所述信息资料包括盐穴井基本信息、 盐穴 井几何形状参数、 盐岩特性参数、 运行参数和维护 / 维修历史资料 ；
步骤 2、 识别引发盐穴井注采能力下降的风险因素 ； 所述风险因素归类为设备失 效、 运行相关、 水合物生成及机械损伤四类 ；
步骤 3、 基于故障树方法建立盐穴井注采能力下降的故障树逻辑， 以注采能力下降 事件作为顶事件， 确定次级事件、 基本事件和引起顶事件的割集 ；
步骤 4、 确定步骤 3 的基本事件与步骤 2 的各类风险因素的关系 ；
步骤 5、 基于历史统计数据和工程评价模型， 计算各类风险因素引起相关联的基本
事件发生概率 ；
步骤 6、 确定各类风险因素引起注采能力下降的不同影响模式发生的概率分布规 律；
步骤 7、 根据步骤 5 的基本事件发生概率和步骤 6 中的概率分布， 计算不同影响模 式的基本事件发生概率 ；
步骤 8、 根据步骤 7 确定的不同影响模式基本事件发生概率， 计算不同影响模式的 割集发生概率 ；
步骤 9、 根据步骤 8 的不同影响模式的割集发生概率和步骤 3 建立的故障树逻辑， 计算不同影响模式的次级事件发生概率 ；
步骤 10、 根据步骤 3 建立的故障树逻辑和步骤 9 的不同影响模式的次级事件发生 概率， 确定不同影响模式的注采能力下降事件的发生概率。
所述步骤 1 中的待评价盐穴井的信息资料包括盐穴井基本信息、 盐穴井几何形状 参数、 盐岩特性参数、 运行参数和维护 / 维修历史资料 ； 其中， 盐穴井基本信息包括盐穴井 所属储气库名称、 储气库类型、 盐穴井编号、 盐穴井设计寿命、 盐穴井服役时间和储存介质 特性参数 ； 盐穴井几何形状参数包括盐穴体积、 库容量、 工作气量、 垫气量和管柱尺寸 ； 盐 岩特性参数包括参考应力、 参考应力下的盐岩蠕变率、 静岩压力梯度以及幂指数 ； 运行参数 包括井口最大运行压力、 井口最小运行压力、 盐穴最大设计压力、 盐穴最小设计压力、 盐穴 温度、 注入气体温度和最大生产率 ； 维护 / 维修历史资料包括已发生的泄漏事件、 已发生的 盐穴失稳事件和维修历史。 所述步骤 2 中的引发盐穴井注采能力下降的主要风险因素归类为设备失效、 运行 相关、 水合物生成及机械损伤四类。
所述步骤 3 中的基于故障树方法建立盐穴井注采能力下降的故障树， 以注采能力 下降事件作为顶事件、 确定次级事件 ( 包括运行减缓和运行中断 )、 基本事件和引起顶事件 的割集 ； 从注采能力下降程度上而言， 盐穴井注采能力下降可能包括运行减缓和运行中断 两种情况， 因此， 建立故障树以注采能力下降为顶事件， 将运行减缓和运行中断作为顶事件 的次级事件。
所述步骤 4 中的基本事件发生概率受各种风险因素的交互影响， 不同风险因素对 其影响程度不同。根据工程经验确定步骤 （3） 中的基本事件与步骤 （2） 的各类风险因素的 影响关系。
所述步骤 5 中的各类风险因素引起相关联的基本事件发生概率基于历史统计方 法和工程评价模型来确定。工程评价模型包括井口设备故障概率计算模型、 盐穴闭合导致 盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率计算模型。
所述步骤 5 中的井口设备故障概率计算模型， 根据各元件对注采能力下降的影响 程度， 考虑紧急关闭阀、 主阀和翼阀的开关失效问题， 按以下公式计算井口设备故障概率 ：
其中 Pfwellhead 为井口设备故障概率， 次/年； i 为元件， 例如 1 为紧急关闭阀， 2为 主阀， 3 为翼阀， ni 为井口设备中元件 i 的个数 ； Pfi 为元件 i 的开 / 关失效概率， 次 / 年。
所述步骤 5 中的盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率计算模
型。该模型基于两个假设 ： （1） 与盐穴稳定性相关的事件包括套管泄漏和盐穴顶板泄漏， 以 及能引起注采能力下降的盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌事件。 （2） 盐穴闭合引起套管泄 漏、 盐穴顶板泄漏以及注采能力下降的概率均等， 同时假设盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍 塌事件引起注采能力下降的概率均等。基于以上两假设， 根据盐穴闭合导致套管失效概率 可确定盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率， 计算过程包括 ：
a） 预测盐穴闭合率
其中 x 为注采运行导致的盐穴闭合量 （%） ； σ0 为参考应力 ,Kpa ； ε0 参考应力下的 盐岩蠕变率 ,k 为盐穴形状修正系数 ； σ ∞为初始地层压力 ,Kpa;n 为盐岩蠕变性能相关指 数； p 为盐穴运行压力， Kpa。
b） 以盐穴闭合率计算盐穴闭合导致套管失效概率
其中， Pfcas 为盐穴闭合导致套管失效概率。
c） 盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率计算
根据盐穴闭合导致套管失效概率按照式 （3） 计算盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层 运动和盖层坍塌的概率 ：
Pfj ＝ Pfcas/3 （4）
所述步骤 6 中根据注采能力下降事件发生对盐穴井运行效率的影响程度大小， 将 注采能力下降事件划分为较小运行减缓、 较大运行减缓、 临时中断和长期中断四种影响模 式， 次级事件 - 运行减缓对应较小运行减缓和较大运行减缓两种影响模式， 而次级事件 - 运 行中断则对应临时中断和长期中断两种影响模式。 各类风险因素引起不同影响模式发生的 概率不同， 概率分布可按表 A 计算。
表 A 每类风险因素引起不同影响模式的概率分布
所述步骤 7 中根据式 （5） 计算不同影响模式的基本事件发生概率。
Pfkl ＝ 1-Π(1-PflmAmk) （5） 其中 Pfkl 为基本事件 l 的影响模式为 k 的发生概 率； Pflm 为基本事件 l 在风险因素 m 影响下的发生概率 ； Amk 为风险因素 m 引起影响模式为 k 发生的概率。
所述步骤 8 中割集中包含的基本事件之间是与门关系， 按式 6 计算不同影响模式 的割集发生概率。
Pfko ＝ ΠPfkl （6）
其中 Pfko 为影响模式为 k， 割集为 o 的发生概率 ； Pfkl 为基本事件 l 的影响模式为 k 的发生概率。
所述步骤 9 中计算次级事件在不同影响模式下的发生概率， 可按所述步骤 8 中的 割集发生概率代入式 7 计算。
Pfkq ＝ 1-Π(1-Pfko) （7）
其中 Pfkq 为次级事件 q 的影响模式为 k 的发生概率 ； Pfko 为影响模式为 k， 割集为 o 的发生概率。
所述步骤 10 中的不同影响模式的顶事件发生概率可根据所述步骤 9 中的次级事 件发生概率确定。 较小运行减缓、 较大运行减缓、 临时中断和长期中断影响模式下的顶事件 发生概率分别等于对应影响模式下的次级事件发生概率。
本发明建立了盐穴井注采能力下降的故障树， 采用历史统计法和建立的工程评 价模型， 确定了引起储气库注采能力下降的基本事件发生概率， 并将各类风险因素对基本 事件发生概率的影响作用以修正系数的形式引入基本事件概率计算中， 同时根据故障树逻 辑， 建立了较小运行减缓、 较大运行减缓、 临时中断和长期中断四种影响模式的盐穴地下储 气库注采能力下降的概率计算方法， 解决了盐穴型天然气地下储气库风险评估中失效概率 计算的关键问题之一， 可为储气库管理者开展控制及预防盐穴井注采能力下降风险提供技 术依据。 附图说明
图 1 为盐穴井示意图 ； 图 2 为本发明实施例提供的盐穴井注采能力下降的故障树的结构框图 ； 图 3 为本发明实施例提供的 X1 井的盐穴闭合率与运行时间的关系的示意图。具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述， 给出的实施例仅为了阐 明本发明， 而不是为了限制本发明的范围。
步骤 1 ： 获取待评价盐穴地下储气库的信息资料。
信息资料包括盐穴井基本信息、 盐穴井几何形状参数、 运行参数和维护 / 维修历 史资料， 如表一 ~ 表五所示。
表一盐穴井基本信息
编号 1 2 3
9 属性 所在储气库名称 储气库类型 储存介质 单位 文本 文本 文本 参数值 金坛盐穴地下储气库 盐穴型 天然气CN 102779236 A 4 5 6 7
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
属性 盐穴体积 库容量 工作气量 垫气量说储气库基本概况 评价盐穴井编号 盐穴井设计寿命 盐穴井服役时间明文本 文本 年 年书目前在役盐穴井 5 口 X1 50 35/11 页表二 X1 井几何形状参数单位 104m3 104m3 104m3 104m3 m mm mm mm mm mm m mm mm mm mm 参数值 10.5 1521 787 734 40 159.4 244.5 9.19 339.7 9.65 940 159.4 9.19 149.2 31.75盐穴平均直径 注采套管内直径 生产套管外直径 生产套管壁厚 表层套管外直径 表层套管壁厚 注采管长度 井口内部流动直径 井口壁厚 紧急关闭阀内流动直径 紧急关闭阀壁厚表三 X1 井盐岩特性参数10CN 102779236 A 编号 1 2 3 4
属性 参考应力说明书单位 Kpa 1/ 年 Kpa/m 参数值 7980 0.0015 20 36/11 页参考应力下的盐岩蠕变率 静岩压力梯度 幂指数表四 X1 井运行参数
编号 1 2 3
属性 已发生的泄漏事件 已发生的盐穴失稳事件 维修历史 单位 次 次 文本 参数值 0 0 无表五 X1 井维护 / 维修历史资料步骤 2 ： 识别引发盐穴井注采能力下降的主要风险因素
引起盐穴井注采能力下降发生的主要风险因素包括设备失效、 运行相关、 水合物 生成和机械损伤四类。识别风险因素的方法很多， 包括事故统计法、 演绎分析法等。
步骤 3 ： 建立盐穴井注采能力下降的故障树以盐穴井注采能力下降为顶事件 ( 示意图见图 2)， 考虑运行减缓和运行中断两种 情况， 识别出 6 个基本事件 ( 表六 )， 13 个割集 ( 表七 )。
表六引起顶事件 - 注采能力下降发生的基本事件
编号 X1 X2 X3
基本事件 设备故障 析出物堵塞井口 析出物堵塞井 编号 基本事件 X4 X5 X6 盐穴坍塌 上覆层运动 盖层坍塌表七引起顶事件发生的割集步骤 4 ： 确定基本事件与各类风险因素的关系
确定步骤 2 所述的各类风险因素对基本事件发生概率的影响关系 （表八） 。表中的 “是” 表明事件可能由对应风险因素引起。
表八各类风险因素对基本事件发生概率的影响关系
步骤 5 ： 基于历史统计数据和工程评价模型， 计算各类风险因素引起相关联的基 本事件发生概率， 其中， 历史统计数据详见表十中对历史统计数据进行标记。 工程评价模型 包括井口设备故障概率计算模型、 盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率 计算模型。
采用工程评价模型计算各类风险因素引起相关联的基本事件发生概率过程如 下：
①设备失效引起的基本事件 X1 的发生概率计算
根据表八可知， 设备失效与基本事件 X1 有关。因此， 设备失效引起的基本事件 X1 的发生概率计算可用上述井口设备故障概率计算模型计算。X1 井的井口设施主要包括井 口四通、 压力表、 紧急关闭阀、 主阀及翼阀等。井口设施元件组成和开 / 关失效概率见表九。 将表九数据代入上述式 （1） 中， 即求得设备失效引起的基本事件 X13 的发生概率为 0.317 次 / 年。
表九井口设施元件组成和开 / 关失效概率
②盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率计算模型
1） 预测盐穴闭合率
根据上述式 （2） 和表一 ~ 表五中的数据预测 X1 井的盐穴闭合率随运行时间的关 系如图 3。X1 井运行 3 年后盐穴闭合率为 0.38%。
2） 以盐穴闭合率计算盐穴闭合导致套管失效概率
X1 井运行 3 年后盐穴闭合率 0.38% 代入到上述式 （2） 中， 即得盐穴闭合导致套管 -15 失效概率为 2.17×10 次 / 年。
3） 盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率计算
将盐穴闭合导致套管失效概率为 2.17×10-15 次 / 年代入上述式 （3） 中， 计算得 -16 盐穴闭合导致盐穴坍塌、 上覆层运动和盖层坍塌的概率均为 7.2×10 次 / 年。
13表十各类风险因素引起相关联的基本事件发生概率CN 102779236 A说明书9/11 页步骤 6 ： 确定各类风险因素引起不同泄漏模式泄漏到大气发生的概率分布规律
各类风险因素引起不同影响模式发生的概率分布按步骤 （6） 中的表 A 计算。
步骤 7 ： 计算不同影响模式的基本事件发生概率
将表十的各类风险因素引起相关联的基本事件发生概率代入上述式 （5） 中， 计算 不同影响模式的基本事件发生概率， 结果见表十一。
表十一不同影响模式的基本事件发生概率
步骤 8 ： 计算不同影响模式的割集发生概率
将表十一中的不同影响模式的基本事件发生概率代入上述式 （6） 中， 计算不同影 响模式的割集发生概率， 结果见表十二。
表十二不同影响模式的割集发生概率
步骤 9 ： 计算次级事件在不同影响模式下的发生概率
将表十二中的不同影响模式的割集发生概率代入上述式 （7） 中， 计算次级事件在 不同影响模式下的发生概率， 结果见表十三。
表十三次级事件在不同影响模式下的发生概率
步骤 10 ： 计算不同影响模式的注采能力下降发生概率
较小运行减缓、 较大运行减缓、 临时中断和长期中断影响模式下的注采能力下降 发生概率分别等于对应影响模式下的次级事件发生概率， 结果见表十四。
表十四不同影响模式的注采能力下降发生概率
最后所应说明的是， 以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照实例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的精神和范围， 其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。