基于C-FRAM的油氣藏型地下儲氣庫設計期關鍵風險因素辨識方法

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保與技術監督研究院,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(北京)安全與海洋工程學院,北京 102249;4.油氣生產安全與應急技術應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)是協調天然氣供求關系、優化輸配氣管網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設施,在天然氣生產運輸過程中起著至關重要的作用[1]。由于儲氣庫是對已開發的枯竭氣層或油層進行改造建設,因此新建設施少、建造成本低,在我國地下儲氣庫類型中應用最為廣泛。為實現儲氣庫全生命周期風險管理,需要對處于設計、施工、運營、廢棄等不同階段的儲氣庫開展風險因素辨識。

現階段針對儲氣庫開展風險因素辨識的研究成果中,多為圍繞運營期工況或供應效率的研究[2-3]。然而,儲氣庫設計期的風險因素辨識并非針對單個設備或成套裝備的分析,而應重點圍繞可輸送性等系統功能能否在宏觀層面上實現,相應的地質、氣藏、鉆采和地面設計是否支持,以及存在的設計缺陷可能會在哪些方面對后續的施工期、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)等傳統風險評估方法適用于單個設備的風險或可靠性評價[6-7],而基礎設施韌性建模語言(IRML)等系統風險評估方法更適用于分工明確、結構具體的系統[8]。由于儲氣庫在設計期需要實現的功能明確,因此可以采用功能共振分析方法(functional resonance analysis method,FRAM)從整個系統的功能特征角度來辨識動態系統中的風險因素[9]。功能共振分析方法起初被運用于航空、海運、鐵路等運輸業的事故分析中[10-12],后逐漸向建筑[13]、油氣[14]等工業領域發展。結合半定量化[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險評價或風險因素辨識研究。

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

1 儲氣庫設計期功能分析

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展,強調從整個系統的功能特征角度分析事故以及辨識動態系統中的風險因素[19-20],具體分析過程如下:

首先,通過識別功能,將系統整體拆分為由基本功能或程序組成的若干功能模塊,根據系統在輸入、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,根據各功能模塊固有功能和六角維度間的依賴關系,建立油氣藏型地下儲氣庫設計期的功能共振網絡(圖2);最后,通過對各個功能模塊性能狀態進行監測,識別存在實際變化或潛在變化的功能模塊,并根據模塊間的失效連接分析由功能模塊性能波動引發的共振在網絡中的傳播情況,以此為梳理風險因素提供參考。

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計期的功能共振網絡Fig.2 Functional resonance network for oil and gas reservoir-type underground gas storage in design phase

1.2 儲氣庫設計期功能劃分

庫容量和日采氣量是直接決定油氣藏型地下儲氣庫的調峰和應急供氣能力的兩大因素,前者主要影響地質和氣藏的選擇與設計,后者涉及注、采氣系統設計,進而又影響鉆采工程、井控裝置設計和后續地面注、采氣設施支持等。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、再利用和井控設計,此外還應考慮儀表、集輸管道和其他輔助系統。因此,本文將油氣藏型儲氣庫的設計階段與設計內容劃分為開發地質及氣藏工程設計、老井處理設計、鉆采工程設計和地面設施設計4個功能模塊和17項具體設計內容,并歸納為如圖3所示。

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

2 基于C-FRAM的儲氣庫設計期關鍵風險因素辨識模型建立

2.1 功能模塊中心性計算

當功能共振網絡內功能模塊數量級上升時,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層面中反映了當局部發生擾動后,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功能共振網絡,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絡Fig.4 Simplified functional resonance network for oil and gas reservoir-type underground gas storage

在系統層面的功能擾動引發的振動傳播過程中,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,具有較高的不穩定概率。

為了消除網絡規模變化對功能模塊中介中心性的影響,在計算網絡中第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量,其次計算在以上最短路徑中經過功能模塊fi的路徑數量,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為網絡中功能模塊的總數;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量;ls(j,i,k)為第j個功能模塊與第k個功能模塊間經過了第i個功能模塊的最短路徑數量。

2.2 功能模塊性能波動狀態分析

通過描述各個功能模塊性能所發生的潛在或實際變化,可實現功能模塊性能波動狀態分析。針對儲氣庫設計階段工作重點以及涉及的任務和資源,基于分析引導詞思想,提出一套適用于儲氣庫設計期功能模塊的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計期功能模塊一般性能條件

根據儲氣庫設計期功能模塊性能波動狀態分析引導詞,對功能模塊中發生性能變化的一般性能條件(即風險因素)的概率進行評估,并根據風險因素出現概率從小到大將評估結果劃分為“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果,得到各功能模塊的性能波動狀態,計算公式為

(2)

式中:Si為第i個功能模塊的性能波動狀態取值;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”的風險因素的數量;Inadequatei為第i個功能模塊的一般性能條件中分析得到“不充分”的風險因素的數量。

根據功能模塊的性能波動狀態取值,將Si從小到大對應戰略、戰術、機會和隨機4種狀態,各個波動狀態相應的取值范圍如下所示:

(3)

2.3 關鍵風險因素識別

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

R(i)=CB(fi)·Si

(4)

根據量化結果確定高風險功能模塊,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中也不會產生較大的擾亂;功能模塊5的中介中心性較大而發生性能波動概率較小,一般情況下處于穩定狀態;功能模塊6的兩個屬性均偏大,可視為高風險功能模塊,在后續分析中應給予重點關注。

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

3 案例應用與分析

本文以重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫為例開展設計期關鍵風險因素識別與分析。相國寺儲氣庫為西南地區首座地下儲氣庫,由相國寺氣田石炭系氣藏改建而成,功能定位為中衛—貴陽聯絡線及川渝地區季節調峰、事故應急供氣與戰略儲備。該儲氣庫設計庫容量為42.6億m3,墊底氣量為19.8億m3,工作氣量為23億m3,設計最大日注氣量為1 380萬m3,季節調峰最大日采氣量為1 917萬m3,應急調峰最大日采氣量為2 855萬m3。

3.1 系統功能識別和描述

首先,結合相國寺儲氣庫超低壓薄儲層、下方存在煤礦采空區和巷道以及狹長高陡復雜構造的特點,對該儲氣庫設計期功能劃分的開發地質及氣藏工程設計、老井處理設計、鉆采工程設計和地面設施設計4個設計階段繼續進行細化,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采氣規模與配置設計功能模塊為例,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采氣規模與配置設計功能模塊六維特征描述

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

圖6 重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫設計期簡化表示的功能共振網絡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計期功能共振網絡中的中介中心性。

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

表4 B4采氣規模與配置設計功能模塊波動狀態分析

最后,結合各功能模塊的中介中心性與性能波動狀態,計算對應的風險值,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波動取值;氣泡大小對應各功能模塊的風險值,同時用4種顏色區分儲氣庫設計期的不同階段。該儲氣庫風險值最高的前5個功能模塊分別為:B5采出氣處理系統設計(0.156)、O3老井再利用工藝設計(0.098 7)、B1注氣規模與配置設計(0.081 4)、B4采氣規模與配置設計(0.070 4)和G9地質實施方案設計(0.062 8)。

圖7 重慶相國寺油氣藏型地下儲氣庫設計期各功能模塊的風險值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 儲氣庫設計期主要風險因素分析

根據油氣藏型地下儲氣庫設計期的FRAM網絡,查找其中與高風險功能模塊存在失效連接的功能模塊,并分析發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的風險因素即為該功能模塊對應的最主要風險因素。

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

3.4 結果討論

在風險分析過程中,如果只根據波動狀態判斷而不考慮功能模塊性能波動狀態在系統內的影響范圍,B4采氣規模與配置設計、B1注氣規模與配置設計等功能模塊可能因為性能波動狀態較低而在風險因素分析時被忽略。隨著中介中心性系數的引入,得以在評價階段將高風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C-FRAM方法的分析結果,得到油氣藏型地下儲氣庫在設計期需要重點關注以下幾個方面:

1) 充分調研國家對儲氣庫的建設部署和下游用戶對天然氣供應的調峰需求,在第一步明確采氣規模等儲氣庫指標的總體設計,避免因生產需求變動導致的采氣處理系統和注、采氣規模與配置等系列設計連環變動。

2) 地質實施方案需要包括地質監測、特殊井設計、采注井設計等內容,信息繁多且獲取周期長,后續又涉及儲層保護、動態監測、試驗測試、老井處理等諸多環節,容易因為輸入信息統計缺失或臨時變化而出現工期延誤,因此在設計期內開展各類儲氣庫功能設計任務時應給予優先支持。

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

4 結 論

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

2) 在功能共振分析方法中,提出適用于儲氣庫設計的功能模塊隨機共振的一般性能條件,通過對組織培訓、可用的資源、安全環保、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生擾動的概率的同時,計算了功能連接網絡中各功能模塊的中介中心性,并考慮功能模塊在系統內擾動的嚴重程度,修正了風險模塊輸出結果,得出了B1注氣規模與配置設計、B4采氣規模與配置設計等擾動概率不高但與其他功能聯系緊密、重要性高的功能模塊。通過對儲氣庫設計期主要風險因素的辨識,提出了應重點關注宏觀儲氣庫規模部署與下游供應調峰需求、優先支持地質實施方案設計,且在老井再利用前應進行充分評估等建議。