专利名称：一种地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法
技术领域：
本发明涉及一种地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法，特别涉及一种基于故障树对穴型天然气地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法。
背景技术：
目前我国已规划建设多座盐穴型天然气地下储气库，建设中的西气东输一线配套工程金坛储气库，已有5个老腔进入注采运行阶段，“十二五”期间将达到62个单腔的规模； 西气东输二线配套工程河南平顶山、湖北云应盐穴储气库等项目也将在“十二五”期间建设。如何采取有效措施，降低各种危害因素对地下储气库安全的影响，避免地下储气库事故发生，有效地对地下储气库进行预防性维护，做到事前预控，已成为我国储气库管理者面临的重要问题。盐穴型天然气地下储气库是目前世界上主要的天然气储存方式和手段之一，在天然气的应急调峰中能够起到关键作用。然而，地下储气库运行过程中可能受腐蚀、设备失效、冲蚀、水合物生成、机械损伤、自然灾害、误操作、盐岩蠕变等危害因素的不良影响，造成储气库稳定性和安全可靠性降低，甚至引发灾难性的事故，如气体泄漏、溶腔失效和库区地表沉陷等。据统计盐穴地下储气库在运行阶段已发生多次，对安全及环境产生了巨大灾难性影响；事故类型主要包括泄漏和注采能力下降两类，其中泄漏事故占比例最大。因此，地下储气库的安全问题不容忽视。如何采取有效措施，降低各种危害因素对地下储气库安全的影响，避免地下储气库事故发生，有效地对地下储气库进行预防性维护，做到事前预控，已成为储气库管理者面临的重要问题。盐穴地下储气库风险评估技术是解决该问题的有效技术手段，其目的是系统地识别盐穴地下储气库运行阶段的风险因素，估算风险因素对人员、财产或环境产生不利影响的可能性大小及后果的严重程度，并确定盐穴地下储气库风险水平，以采取有针对性地控制风险，预防事故发生，确保其安全平稳运行。国内外关于盐穴地下储气库风险评估的研究报道很少，盐穴地下储气库风险评估尚无据可依。盐穴地下储气库风险评估是综合地下储气库失效概率和后果分析的结果，确定其风险水平的过程。盐穴地下储气库泄漏风险的测定方法是建立盐穴地下储气库风险评估技术的关键点之一，对于预防储气库泄漏事故发生和提升我国地下储气库安全管理水平具有重要意义。因此，研究有效的地下储气库泄漏风险的测定方法尤为迫切和重要。
发明内容
本发明旨在提供一种盐穴型天然气地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法，用于判断地下储气库发生泄漏失效可能性，为盐穴型地下储气库风险评估提供失效概率数据，本发明可解决盐穴地下储气库风险评估中失效概率计算的问题，为预防盐穴地下储气库泄漏事故发生提供技术手段，从而确保盐穴地下储气库安全平稳运行。一种地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法，基于模糊故障树的方法对地下储气库储存介质泄漏风险进行测定。具体技术方案由如下步骤实现一种地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法，包括如下步骤A获取待评价盐穴地下储气库的数据资料；B基于所述盐穴地下储气库的数据资料，识别引发储存介质泄漏的风险因素；C以泄漏到大气事件作为顶事件、依次确定次级事件、基本事件和引起顶事件的割集，建立故障树；D确定所述基本事件与所述风险因素的关系；E基于所述盐穴地下储气库的数据资料和工程评价模型，计算所述风险因素引起相关联的基本事件发生概率；F确定所述风险因素引起不同泄露模式泄漏到大气发生的概率分布；G根据所述引起顶事件割集，确定所述引起顶事件割集中引起泄漏到大气事件发生的主事件；H根据所述基本事件发生概率和所述风险因素泄露概率分布，确定所述主事件的发生概率和所述引起顶事件的割集的发生概率；I根据所述主事件的发生概率和所述故障树，计算所述顶事件下所述次级事件的发生概率；J根据所述步故障树和所述次级事件的发生概率，计算所述不同泄露模式下所述顶事件的发生概率。优选地，所述的步骤A中的盐穴地下储气库信息资料包括盐穴地下储气库信息、 储存介质特性参数、盐穴井几何形状参数、运行参数、维护和/或维修历史数据。优选地，所述的步骤A中的盐穴地下储气库信息包括储气库名称、储气库类型评价盐穴井编号、盐穴井设计寿命和盐穴井服役时间。优选地，所述的步骤A中的储存介质特性参数包括储存介质类型、气体常量、天然气分子量、天然气相对密度和天然气的动态黏度。优选地，所述的步骤A中的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。优选地，所述的步骤A中的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。优选地，所述的步骤A中的维护和/或维修历史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。优选地，所述步骤B中的风险因素归类为腐蚀、冲蚀、设备失效、运行相关、机械损伤以及自然力六类。优选地，所述的步骤C中通过井口设施泄漏和通过地下泄漏到地面为所述次级事件。优选地，所述通过井口设施泄漏包括紧急关闭阀泄漏、油管挂上面井口泄漏、封隔器泄漏、油管泄漏和油管挂下面井口泄漏。优选地，所述通过地下泄漏到地面包括封隔器泄漏、到地面的泄漏途径、盐穴顶板泄漏、盖层泄漏、套管泄漏、通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏。
优选地，步骤C中所述基本事件为紧急关闭阀泄漏、油管挂上面井口泄漏、封隔器泄漏、油管泄漏、油管挂下面井口泄漏、到地面的泄漏途径、盐穴顶板泄漏、盖层泄漏、套管泄漏、通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏。优选地，步骤C中所述引起顶事件的割集包括6个割集，依次为割集1为紧急关闭阀泄漏，割集2为油管挂上面井口泄漏，割集3为封隔器泄漏、油管泄漏和油管挂下面井口泄漏，割集4为到地面的泄漏途径、盐穴顶板泄漏和盖层泄漏，割集5为封隔器泄漏、套管泄漏、通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏，割集6为通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏。优选地，步骤E中所述工程评价模型包括冲蚀失效概率计算模型、套管腐蚀失效概率计算模型、盐穴闭合导致套管泄漏和盐穴顶板泄漏概率计算模型和地震对盐穴井失效概率计算模型。优选地，所述冲蚀失效概率计算模型如式(1)所示
权利要求
1.一种地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法，其特征在于，基于的方法对地下储气库储存介质泄漏风险进行测定。
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，包括如下步骤A获取待评价盐穴地下储气库的数据资料；B基于所述盐穴地下储气库的数据资料，识别引发储存介质泄漏的风险因素；C以泄漏到大气事件作为顶事件、依次确定次级事件、基本事件和引起顶事件的割集， 建立故障树；D确定所述基本事件与所述风险因素的关系；E基于所述盐穴地下储气库的数据资料和工程评价模型，计算所述风险因素引起相关联的基本事件发生概率；F确定所述风险因素引起不同泄露模式泄漏到大气发生的概率分布；G根据所述引起顶事件割集，确定所述引起顶事件割集中引起泄漏到大气事件发生的主事件；H根据所述基本事件发生概率和所述风险因素泄露概率分布，确定所述主事件的发生概率和所述引起顶事件的割集的发生概率；I根据所述主事件的发生概率和所述故障树，计算所述顶事件下所述次级事件的发生概率；J根据所述步故障树和所述次级事件的发生概率，计算不同泄露模式下所述顶事件的发生概率。
3.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤A中所述盐穴地下储气库信息资料包括盐穴地下储气库信息、储存介质特性参数、盐穴井几何形状参数、运行参数、维护和/ 或维修历史数据。
4.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于，步骤A中所述盐穴地下储气库信息包括储气库名称、储气库类型评价盐穴井编号、盐穴井设计寿命和盐穴井服役时间。
5.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于，步骤A中所述储存介质特性参数包括储存介质类型、气体常量、天然气分子量、天然气相对密度和天然气的动态黏度。
6.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于，步骤A中所述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。
7.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于，步骤A中所述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。
8.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于，步骤A中所述维护和/或维修历史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。
9.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤B中所述风险因素归类为腐蚀、 冲蚀、设备失效、运行相关、机械损伤以及自然力六类。
10.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤C中所述通过井口设施泄漏和通过地下泄漏到地面为所述次级事件。
11.根据权利要求10所述的测定方法，其特征在于，所述通过井口设施泄漏包括紧急关闭阀泄漏、油管挂上面井口泄漏、封隔器泄漏、油管泄漏和油管挂下面井口泄漏。
12.根据权利要求10所述的测定方法，其特征在于，所述通过地下泄漏到地面包括封隔器泄漏、到地面的泄漏途径、盐穴顶板泄漏、盖层泄漏、套管泄漏、通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏。
13.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤C中所述基本事件为紧急关闭阀泄漏、油管挂上面井口泄漏、封隔器泄漏、油管泄漏、油管挂下面井口泄漏、到地面的泄漏途径、盐穴顶板泄漏、盖层泄漏、套管泄漏、通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏。
14.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤C中所述引起顶事件的割集包括6个割集，依次为割集1为紧急关闭阀泄漏，割集2为油管挂上面井口泄漏，割集3为封隔器泄漏、油管泄漏和油管挂下面井口泄漏，割集4为到地面的泄漏途径、盐穴顶板泄漏和盖层泄漏，割集5为封隔器泄漏、套管泄漏、通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏，割集6为通过生产套管水泥环泄漏和通过表层套管水泥环泄漏。
15.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤E中所述工程评价模型包括冲蚀失效概率计算模型、套管腐蚀失效概率计算模型、盐穴闭合导致套管泄漏和盐穴顶板泄漏概率计算模型和地震对盐穴井失效概率计算模型。
16.根据权利要求15所述的测定方法，其特征在于，所述冲蚀失效概率计算模型如式 (1)所示f F , /、Pferosion =^xratio = 2.572xl0"3χ ratioJ(1)其中&为冲蚀速率(次/年)，W为沙子流速(Kg/day)，V为流动速率(m/s)，D为管道直径(mm)，Sk为几何形状参数，Pferosion为冲蚀导致设备失效的概率(次/年)；t为设备壁厚(mm) ；ratio为储气库以最大日生产速率运行占一年的时间比例。
17.根据权利要求15所述的测定方法，其特征在于，所述套管腐蚀失效概率计算模型是基于应力-强度干涉理论确定的腐蚀缺陷增长致剩余管壁爆裂的失效概率计算模型，如式(2)所示Pfburst = J .. J f(d, L,t,D, SMTS, P)dddLdtdDd{STTS)dPLSFburst<()(2)该模型采用蒙特卡罗法计算，其中，f(d, L，t，D，SMTS, P)为变量d，L，t，D，SMTS, P的联合概率密度函数，D为套管外径，d为腐蚀坑的厚度；t为壁厚；L为壁厚损失的有效长度； P为有效内压，SMTS为材料的抗拉强度，LSFtost为极限状态函数，腐蚀缺陷增长致剩余管壁爆裂的极限状态为运行压力超过预测的爆裂压力时发生爆裂，极限状态函数如式C3)、(4)、 (5)和(6)所示τ SF = P -P (^)LOi burst 丄 burst 丄 op Vtj/当LSF > O ；LSF = O和LSF < O分别代表安全、极限和失效状态；
18.根据权利要求15所述的测定方法，其特征在于，所述盐穴闭合导致套管泄漏和盐穴顶板泄漏概率计算模型中，与盐穴闭合相关的事件包括套管泄漏和盐穴顶板泄漏，假定盐穴闭合引起套管泄漏和盐穴顶板泄漏的概率均等，建立式(7)所示的模型计算盐穴闭合导致套管泄漏和盐穴顶板泄漏的概率
19.根据权利要求15所述的测定方法，其特征在于，所述的步骤E中地震引起盐穴井失效概率计算模型具体步骤包括El根据Gutenberg-Richter法则确定地震幅度与频率的关系；Ε2根据Gutenberg-Richter法则确定地面峰值加速度和地震幅度的关系；Ε3基于所述地震幅度与频率的关系和所述地面峰值加速度和地震幅度的关系，确定所述盐穴井区域的地震频率和地面峰值加速度的关系；Ε4确定地震引起井失效的所述地面峰值加速度门槛值；Ε5根据所述盐穴井区域的地震频率和地面峰值加速度的关系和所述地面峰值加速度门槛值，确定断层与盐穴井之间的距离和每年因地震导致盐穴井失效的频率之间的关系；Ε6根据所述每年因地震导致盐穴井失效的频率之间的关系和待评价盐穴井与断层之间的距离，确定地震引起盐穴井失效概率。
20.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤F中的所述不同泄露模式包括小泄漏、大泄漏和破裂三种模式，其中注采管直径的为小泄露，注采管直径的10%为大泄露，注采管直径的100%为破裂。
21.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤F中的所述风险因素引起相关联的基本事件发生概率按下表1所示泄漏尺寸腐蚀冲蚀设备失效运行相关机械损伤自然力
22.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤G中所述的主事件是指对于两个或两个以上所述基本事件共同发生才能导致泄漏发生的情况，泄漏途径中控制泄漏尺寸大小的基本事件。
23.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤H中所述主事件的发生概率是指，根据式(8)计算确定不同泄漏模式下的主事件的发生概率，并将其记为对应割集的发生概率。Pfij = 1- Π (I-PfjkAki) (8)其中Pfu为主事件j的泄漏模式为i的发生概率； Pfjk为主事件j在风险因素k影响下的发生概率； Aik为风险因素k引起泄漏模式i发生的概率； i为泄漏模式1为小泄漏，2为大泄漏，3为破裂；j为主事件编号；k为风险因素，从1-6分别代表腐蚀、冲蚀、设备失效、运行相关、机械损伤以及自然力。
24.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤I中所述次级事件的发生概率是指按步骤H中的所述引起顶事件的割集的发生概率代入式(9)计算Pfil = I- Π (I-Pfim)(9)其中Pfil为次级事件1的泄漏模式为i的发生概率； Pfiffl为割集为m和泄漏模式为i时的发生概率；i为泄漏模式1为小泄漏，2为大泄漏，3为破裂；1为次级事件编号；m为次级事件对应的割集编号。
25.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于，步骤J中不同泄漏模式下，所述顶事件发生概率根据步骤C中逻辑图，包括以下两种情况第一种为所述次级事件之间的逻辑关系为与门关系，所述不同泄漏模式的所述顶事件按式(10)计算 Pfi =n Pfil(10)第二种为所述次级事件之间的逻辑关系为或门关系，所述不同泄漏模式的所述顶事件按式(11)计算Pfi = 1-Π (I-Pfil) (11)其中Pfi为盐穴井泄漏到大气的泄漏模式i的发生概率，i为泄漏模式，1为次级事件编号。
全文摘要
本发明公开提供一种盐穴型天然气地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法，基于模糊故障树的方法对地下储气库储存介质泄漏风险进行测定，用于判断地下储气库发生泄漏失效可能性，本发明建立了盐穴地下储气库储存介质泄漏到外界大气环境的故障树，采用历史数据统计方法和建立的工程评价模型，确定了引起储存介质泄漏到外界大气环境的基本事件发生概率，并以修正系数的形式将各类风险因素对基本事件发生概率的影响作用引入基本事件概率计算中，同时根据主事件控制泄漏模式的原则和故障树逻辑，建立了小泄漏、大泄漏和破裂模式的盐穴型天然气地下储气库储存介质泄漏风险的测定方法。
文档编号G06F17/50GK102495935SQ20111042110
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者仝珂, 张华 , 张广利, 李丽锋, 罗金恒, 赵新伟 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所