引言

中国页岩气资源丰富、探明率低、潜力巨大，页岩气是中国加大勘探开发力度的主战场和最现实领域，是保障未来中国天然气供给的必然选择^[1-3]。近年来，在四川盆地及周缘(涪陵、长宁、威远等地区)页岩气的勘探与开发不断取得重大突破，可采资源量约达10$^{13}$ m$^3$，约占全国的一半^[1]。

但是，在页岩气开发过程中普遍遭遇了井筒完整性问题，依据Norsok D-010标准^[4]，井筒屏障层系是实现井筒完整性的关键，井屏障主要包括机械屏障、液体屏障、操作管理屏障，一旦井屏障失效会导致地层流体泄漏，引发环空带压等一系列风险事故^[5-7]。据统计，截至目前，某页岩气区块投产的223口井中共有169口井出现了不同程度的环空带压问题，环空带压井的占比高达75.8%^[6]，当环空带压接近或超过环空最大允许压力值时，需要采取放压措施甚至停产整顿，增大了气井管理难度和井筒安全风险，严重影响页岩气安全高效开发。

对于出现环空带压的气井，亟需进行风险程度评价，并采取针对性的安全管控措施。但影响气井环空带压安全风险的因素众多，并且往往难以量化^[8-10]。目前，对于高含硫酸性气井，已有相关的环空带压风险评估模型研究，但研究的重点多围绕腐蚀、环空带压值、固井质量等单一因素^[11-18]。对于页岩气来说，腐蚀对环空带压的影响轻微，但钻井过程中井漏频繁，类型多样，表明地层完整性差，地层气体易窜流，对环空带压安全风险的影响不容忽视^{[5, 19]}，历史上严重的罗家2井事故主要原因之一就是地层完整性差，导致了H$_2$S进一步窜至地表。然而，前人研究中，少见有将地层完整性关键风险指标考虑在内的页岩气井环空带压风险评估。

模糊综合评价法作为一种非线性的多目标综合评价方法，适用于各类风险评价分析和工程应用^[20-22]。本文采用模糊综合评价法，开展了页岩气井环空带压风险定量评价理论模型和计算研究，并给出了一套环空带压安全管控推荐作法，指导页岩气井的安全生产。

1 环空带压风险定量评价理论模型

模糊综合评价法主要依托模糊数学中的隶属度理论将定性评价转化为定量评价，具体来说就是对受到多种因素制约的事物或对象，利用模糊数学的方法将不确定信息进行定量化，然后利用相关模型进行计算、分析和总体评价。一般步骤如下：(1)建立风险指标因素集${\mathit{\boldsymbol{U}}} $；(2)建立评语集${\mathit{\boldsymbol{V}}} $；(3)确定权重集${\mathit{\boldsymbol{W}}} $；(4)建立隶属评判矩阵${\mathit{\boldsymbol{R}}} $；(5)模糊综合评判：根据一级模糊综合评判中计算出的指标权重${\mathit{\boldsymbol{W}}} $和评判隶属矩阵${\mathit{\boldsymbol{R}}} $，运用模糊运算法则，得到$U_i$对评语集${\mathit{\boldsymbol{V}}} $的评价向量${\mathit{\boldsymbol{A}}} $。

1.1 确定风险指标因素集${\mathit{\boldsymbol{U}} }$

建立一级指标因素集${\mathit{\boldsymbol{U}}} = \left\{ {{U_1}, {U_2}, \cdots, {U_n}} \right\}$，$n$是一级指标的个数。每个二级指标因素集为${U_n} = \left\{ {{U_{n1}}, {U_{n2}}, \cdots, {U_{nk}}} \right\}$，其中$k$为各二级指标的个数。根据某区块地质及区块气井井身质量情况，环空带压井的主要风险源来自环空带压、固井质量和地层完整性，故从这3个方面建立环空带压风险评价指标。

(1) 环空带压

持续的环空带压，其风险程度与允许环空带压值之比呈正相关，环空带压值过大将会影响正常生产，一旦超过允许值很可能会引起生产管柱失效，给油气井安全生产带来威胁。

(2) 固井质量

固井质量差将导致水泥环层间封隔失效，气体上窜导致井口异常起压，给安全生产带来隐患，严重时可能导致气井废弃。

(3) 地层完整性

某区块页岩气井钻井过程中井漏频繁，类型多样，严重影响了气井质量，漏失地层中存在着漏失通道及足够的容纳空间，容易成为气体窜流通道，增大了气井环空带压的安全风险。

1.2 建立评语集${\mathit{\boldsymbol{V}}} $

评语集是评判者对评判对象做出的各种评判结果的集合。通常用${\mathit{\boldsymbol{V}}} $表示，即${\mathit{\boldsymbol{V}}} = \left\{ {{v_1}, {v_2}, \cdots, {v_k}} \right\}$，其中，${v_i}\left({i = 1, 2, \cdots, k} \right)$代表各种可能的总评判结果。本文将${\mathit{\boldsymbol{V}}} = \left\{ {{v_1}, {v_2}, {v_3}, {v_4}, {v_5}} \right\} $= {很低，低，中等，高，很高}作为环空带压风险的评语集。

1.3 计算风险指标权重${\mathit{\boldsymbol{W}}} $

在井筒环空带压的风险等级评价过程中，确定各风险指标的权重是一个至关重要的环节，指标权重是反映各项指标的相对重要程度，指标权重值的不同，评价结果也会不同。

运用德尔菲法^[21]，通过专家小组打分交互系统，对指标体系中的各指标因素相互进行比较，并记录各因素比较结果。${P_{ij}}$代表了指标${P_{i}}$相对于指标${P_{j}}$的重要性，根据每个指标的相对重要性，构造一个判断矩阵

$ {\mathit{\boldsymbol{P}}} = \left[ {{P_{ij}}} \right] $

(1)

由于此矩阵可能不会满足判断一致性，为了避免满足一致性要求而进行多次调整判断矩阵的工序，通过最优传递矩阵，改良对比矩阵，建立等价矩阵。令

$ {C_{ij}} = \lg {P_{ij}} $

(2)

$ {d_{ij}} = \sum\limits_{k = 1}^n {\left( {{C_{ik}} - {C_{jk}}} \right)} /n $

(3)

$ P _{ij}^* = {10^{{d_{ij}}}} $

(4)

$ {{\mathit{\boldsymbol{P}}}^*} = {\left[ {P_{ij}^*} \right]_{n \times n}} $

(5)

基于判断一致性，以${{\mathit{\boldsymbol{P}}} ^*} = {\left[{P_{ij}^*} \right]_{n \times n}}$作为判断矩阵，用方根法对所求得的等价矩阵进行处理

$ \overline {{W_i}} = \sqrt[n]{{\prod\limits_{j - 1}^n {P_{ij}^ * } }}(i = 1, 2, \cdots n) $

(6)

将$\overline {W{}_i} $进行归一化

$ {W_i} = \dfrac{{\overline {{W_i}} }}{{\sum\limits_{k = 1}^n {\overline {{W_i}} } }} $

(7)

则$W = {\left[{{W_1}, {W_2}, \cdot \cdot \cdot {W_{{n}}}} \right]^{\rm{T}}}$即各有关元素的权重。

环空带压气井风险评价的权重指标主要考虑环空带压、固井质量和地层完整性3个方面。依据经验及专家打分法，可以得到一个判断矩阵如下

$ {\mathit{\boldsymbol{P}}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{P_{11}}}&{{P_{12}}}&{{P_{13}}}\\ {{P_{21}}}&{{P_{22}}}&{{P_{23}}}\\ {{P_{31}}}&{{P_{32}}}&{{P_{33}}} \end{array}} \right) = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} 1&5&8\\[10pt] {\dfrac{1}{5}}&1&2\\[10pt] {\dfrac{1}{8}}&{\dfrac{1}{2}}&1 \end{array}} \right) $

(8)

将P代入式(2)可得

$ {\mathit{\boldsymbol{C}}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.0000}&{0.6988}&{0.9031}\\ { - 0.6988}&{0.0000}&{0.3010}\\ { - 0.9031}&{ - 0.3010}&{0.0000} \end{array}} \right) $

(9)

由式(3)可得

$ {\mathit{\boldsymbol{d}}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.0000}&{0.6667}&{0.9354}\\ { - 0.6667}&{0.0000}&{0.2687}\\ { - 0.9354}&{ - 0.2687}&{0.0000} \end{array}} \right) $

(10)

根据式(3)$\sim$式(5)可得

$ {\mathit{\boldsymbol{P}}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {1.0000}&{4.6419}&{8.6179}\\ {0.2154}&{1.0000}&{1.8565}\\ {0.1160}&{0.5386}&{1.0000} \end{array}} \right) $

(11)

再由式(6)、式(7)可得出环空带压气井风险评价的一级指标权重

${\overline W _1} = 3.420~0$, $\overline {{W_2}} = 0.736~7$, $\overline {{W_3}} = 0.396~8$

进一步规范化处理得

${W_1} = 0.751~1$, ${W_2} = 0.161~8$, ${W_3} = 0.087~1$

1.4 建立隶属评判矩阵${\mathit{\boldsymbol{R}}} $

依据某页岩气区地质情况、井身质量情况，综合以环空带压、固井质量和地层完整性为关键风险指标，按其指标数据分别进行风险等级划分，并在各自风险等级内对该风险指标进行风险评分，确定隶属矩阵${\mathit{\boldsymbol{R}}} $。气井环空带压风险指标等级划分如表 1所示。

2 页岩气区环空带压气井风险评价 2.1 风险指标数据统计

对该区块30口井位井史进行统计分析，其中环空压力是按照现场环空压力监测数据来衡量的，由于该地区气井采用套管采气，因此没有油管，故而不存在A环空。固井质量是根据测井解释结果计算的，地层完整性是根据实钻过程中漏失数据统计的。具体统计数据见表 2。

由环空带压风险评价指标的权重可知，环空带压值的大小在风险评估过程中具有绝对优势，而该区块B环空带压相比于C环空带压占优，在风险评估中应着重考虑，故选取B环空带压资料完善的气井共19口进行环空带压风险评估。

以YY-1页岩气井为例，采用半梯形隶属函数^[23]，计算得到隶属矩阵${\mathit{\boldsymbol{R}}}_1$为

$ {{\mathit{\boldsymbol{R}}}_1} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ {0.01}\\ 0 \end{array}}&{\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ {0.99}\\ 0 \end{array}}&{\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ 0\\ 1 \end{array}} \end{array}}&{\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ 0\\ 0 \end{array}}&{\begin{array}{*{20}{c}} 0\\ 0\\ 0 \end{array}} \end{array}} \right) $

(12)

2.2 风险评级标准划分

根据风险值计算结果将环空带压气井划分为5个等级，如表 3所示。

2.3 环空带压风险值模糊综合评价结果

根据模糊综合评判中计算出的指标权重${\mathit{\boldsymbol{W}}} $和评判隶属矩阵${\mathit{\boldsymbol{R}}} $，运用模糊运算法则，得到YY-1气井环空带压风险评价向量${\mathit{\boldsymbol{A}}_1} $。

$ {\mathit{\boldsymbol{A}}_1} = {\mathit{\boldsymbol{W}}} \times {\mathit{\boldsymbol{R}}_1} = \left( {0.7673, 0.1602, 0.0871, 0, 0} \right) $

(13)

为了更加直观地反映气井环空带压风险程度的大小，进一步将评语集${\mathit{\boldsymbol{V}}}=\{ {v_1}, {v_2}, {v_3}, {v_4}, {v_5}\}$= {很低，低，中等，高，很高}转化为数字矩阵${\mathit{\boldsymbol{V}}}=\left({10, 30, 60, 70, 90} \right)$，则YY-1气井环空带压风险值可通过式(14)计算。

$ {\mathit{\boldsymbol{N}}_1} = {\mathit{\boldsymbol{A}}_1} \times \mathit{\boldsymbol{V}} = 16.83 $

(14)

计算得出YY-1气井环空带压风险值为16.83，根据表 3风险评级划分标准，YY-1气井环空带压风险等级为轻微，可以正常生产。依次对该区块资料相对完善的19口井进行环空带压风险评估，风险值计算结果如图 1所示。

根据环空带压气井风险评级标准(表 3)可知，参与评价的19口井中，有10口井风险等级为轻微，4口井风险等级为中等，5口井风险等级为较严重，无风险等级为严重、极严重的高风险井。表 4为气井风险评价结果及操作建议。

3 页岩气井环空带压安全管控推荐作法

通过应用模糊评价模型，可实现对气井环空带压风险进行评价和预测，并可根据现场数据对计算结果不断更新。本文根据风险评价结果，并基于井筒完整性中操作管理屏障理念，进一步从环空最大许可压力值确定、环空带压诊断、环空带压管理等方面提出了一套页岩气井环空带压安全管控推荐作法，从而为环空带压气井的安全生产和管理提供了重要的技术依据，如图 2所示。

3.1 环空最大许可带压值

挪威Norsok D-010井筒完整性管理标准提出，所有易受影响的环空都应该用最小和最大的操作压力极限范围来进行监测^[4]。在气井的生产过程中，受复杂因素的影响，环空难以避免出现带压，通常将环空带压值控制在允许范围内以保证带压安全风险可控^[24]。API RP90标准^[25]针对海上油气井的井口允许最大带压值给出了取值方法，为确定页岩气井环空压力安全范围提供了借鉴^[26]。以该页岩区块气井为例，基于API RP90标准，同时考虑套管头安全工作压力以及油套管潜在的损伤情况，得到相对保守的环空许可工作压力值，如表 5所示。

如果因管柱穿孔或开裂而导致环空之间无阻碍相互窜通，应把窜通的环空视为同一环空进行计算。

3.2 环空带压诊断

对环空带压的井，应实施“卸压—压力恢复”测试，以判别环空带压性质和严重程度。有条件的情况下建议安装$ {\raise0.5ex\hbox{$\scriptstyle 1$} \kern-0.1em/\kern-0.15em \lower0.25ex\hbox{$\scriptstyle 2$}}''$针型阀，用于环空卸压。

根据实际情况设定压力传感器采集周期，以时间为横坐标，环空卸压和自然升压过程中B和C环空压力值为纵坐标，作出压力-时间变化曲线图，根据变化趋势判断是“物理效应”引起的环空带压还是泄漏或渗漏导致的，或者是邻近环空的压力反窜或窜通情况。在测试期间应当注意，不应将环空压力泄压至0进行诊断，一方面，可能因压差过大导致渗漏或泄漏通道被“疏通”，另一方面，井下工具密封圈在经历卸压后一般都会不同程度的密封损坏或丧失密封性，因此，推荐将环空压力降低20%$\sim$30%后关闭环空，观察24 h。图 3为“卸压—压力恢复”测试(B-B Test)曲线及判别示例^[22]。

(1) 如图 3中曲线Ⅰ所示，如果放压后的24 h内，压力没有回升，应考虑为井筒“物理效应”，即环空中流体热膨胀或管柱内压力使其外径膨胀引起的环空带压，无安全风险。

(2) 如图 3中曲线Ⅱ所示，如果放压后24 h内压力有回升，且十分缓慢，并长期稳定在某一允许值，说明在井口装置或井筒内有微小渗漏，如螺纹渗漏、水泥环渗漏等，存在较低的环空带压安全风险。

(3) 如图 3中曲线Ⅲ所示，如果缓慢卸压，压力不降低或降低十分缓慢，并且卸压后短时间内迅速升高至原来压力值水平，说明井筒有较大的泄漏点，如井口泄漏、油管泄露、封隔器泄漏，环空带压安全风险高，需加强监控并采取有效的控制措施。

3.3 环空带压监测及管理

操作管理屏障是保障井筒完整性的关键井屏障单元之一，通过加强对环空带压井的监测及动态数据分析，有助于带压安全风险的管理，使井筒始终处于受控状态^[27-28]。

(1) 日常监测

环空带压的日常监测需要重点记录以下动态数据：环空压力(应检验监测到的压力值的有效性)、井状态(流动、气举、关井等)、油压(流压和关井压力)、产量(油、气、水)、环空温度等，为分析动态条件下环空起压原因提供数据支撑。对于高风险环空带压井，需要加强各个环空带压的周期性检查频率，采集和记录压力随时间的变化曲线，推荐引用工业在线测量，并远传至监控室，分析压力变化规律。

(2) 监测数据的处理与分析

基于监测数据，需明确生产过程中产量的变化对环空压力的影响；对于环空内充满液体的井，需利用热膨胀环空带压等计算模型，分析热膨胀造成的环空压力值。最后分析环空起压的主要原因，从而判断动态条件下井筒的完整性。

(3) 环空带压流体取样分析

按照GB/T 13609—2012《天然气取样导则》标准，采用吹扫法、抽空容器法进行现场气体取样。需采用专用取样管线和分离器收取环空液体样品，并保障管线的气密性，避免环空流体的污染；若环空泄压过程中，泄压管线出口有环空液溢出，也可收集取样分析。

对现场取回气样应及时进行常规组成分析，并将水汽列入分析要求。如果环空返出的流体组分和产层产出的流体组分相同，则表明环空中的气源来自产层，井筒可能发生了密封泄露失效，引发了环空带压；若与产层产出的组分和井内流体的组分都不相同，则需进一步分析确定该气源层位。另外，若环空加注了环空保护液，通过对环空取样液体的理化性能分析及防护性能分析，可以为环空安全防护措施提供指导。

4 结论

(1) 考虑页岩气井的井筒实体屏障、流体屏障、运行管理等实际情况，建立了以环空压力、固井质量和地层完整性3个关键风险指标为依据的环空带压模糊综合评判理论模型，形成了页岩气环空带压井安全风险定量评估方法。

(2) 对某页岩区块19口环空带压井的风险值和风险度进行了定量评估，计算分析结果表明，有10口井风险等级为轻微，4口井风险等级为中等，5口井风险等级为较严重，无风险等级为严重、极严重的高风险井。

(3) 依据API RP90标准，结合页岩区块气井的实际情况，给出了一套页岩气井环空带压安全管控推荐作法，为页岩气井的安全生产提供了重要的技术指导。