楊遠楊燁郭海新

（1.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，長江大學地球科學學院；2.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項目部；3.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司）

基于AHP法的高含硫氣田安全開發(fā)

楊遠1楊燁2郭海新3

（1.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，長江大學地球科學學院；2.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項目部；3.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司）

為了研究高含硫氣田安全開發(fā)問題找出潛在風險，并根據(jù)其先后性與重要性提出相應風險控制對策。采用對數(shù)據(jù)要求不高、通用性強且邏輯關系清楚的層次分析法為分析基礎，結(jié)合了高含硫氣田開發(fā)過程中各階段單元事故案例與發(fā)生概率。在“采集輸儲煉”綜合框架下系統(tǒng)性建模。研究表明：層次分析法可將模糊定性條例化，安全分析結(jié)論量化為科學權(quán)重，將問題進行定性和定量分析，簡單靈活地解決高含硫氣田開發(fā)生產(chǎn)點多、面寬、線長的各領域交叉融合問題；安全分析中應關注各領域的交叉，注重應用數(shù)學建模方法及當前掌握的事故數(shù)據(jù)進行科學分析；高含硫氣田開發(fā)過程中，鉆井修井單元安全風險最大，其中井噴破壞性最強，發(fā)生概率最高；管道單元安全風險較小，其中氫脆泄漏與管道憋壓最易發(fā)生；集輸場站單元安全風險最小，應重點防范泄漏與憋壓。

高含硫氣田；安全開發(fā)；層次分析法；權(quán)重量化；預測

引言

天然氣開采是一個井下與地面，工藝與設備，生產(chǎn)與安全等多要素相結(jié)合的系統(tǒng)工程，需要“采集輸儲煉”連續(xù)運行，保障生產(chǎn)[1]。其中高含硫氣田的開發(fā)安全風險更大，酸性天然氣經(jīng)井口開采后需經(jīng)過儲存、輸送和初步加工處理，既具有井下管柱及地面工程生產(chǎn)點多、面寬、線長的傳統(tǒng)油氣田生產(chǎn)特點，又具有化工企業(yè)高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、設備設施集中、生產(chǎn)連續(xù)性強等生產(chǎn)特點[2]。

高含硫氣田安全開發(fā)技術國外起步較早，具有代表性的有加拿大Kaybob South氣田、法國Lacq氣田等。其主要成果為，針對天然氣高含硫情況的抗硫腐蝕材料研制、化學緩蝕劑運用、脫硫工藝發(fā)展[3]。國內(nèi)高含硫氣田開采中以普光氣田、羅家寨氣田具有代表性。因井噴事故危害性巨大，所以國內(nèi)研究重點集中在鉆井修井環(huán)節(jié)的井控技術及其事故應急處理措施上。但高含硫氣田開采涉及面廣，如復雜地層情況下的元素硫沉積地質(zhì)安全因素和在線腐蝕及安全監(jiān)測手段、儀器儀表配套設施研制都尚不健全。各氣田都是以自身需求為出發(fā)點優(yōu)先解決首要安全生產(chǎn)問題，所以行業(yè)發(fā)展不均衡，各技術發(fā)展先后性不明確[4]。針對此現(xiàn)狀收集整理近年來高含硫氣田開發(fā)典型事故案例并歸類統(tǒng)計發(fā)生概率。通過數(shù)學建模（AHP法）計算各自權(quán)重，全面分析高含硫氣田安全開發(fā)過程，提出危害先后性并提出相應風險控制對策。

1 高含硫氣田開發(fā)現(xiàn)狀

隨著市場供給的需要，常規(guī)天然氣藏資源日益減小。非常規(guī)領域低滲透氣藏、煤層氣、頁巖氣及其高安全風險的酸性天然氣藏開發(fā)日益上升。其中酸性天然氣藏相對其他非常規(guī)氣藏儲量大、產(chǎn)量高、易開采。全球含CO2及H2S的高含硫氣田儲量達2600×1012ft3（1 ft3=28.317 dm3），占世界天然氣儲量的40%。我國依據(jù)自身特點制定出SY/6168—1995氣藏分類標準（表1），并探明高含H2S和中高含CO2氣藏潛在資源量超過20%，2010年產(chǎn)量達700×108m3。預計到2020年高含H2S/CO2天然氣產(chǎn)量達400×108m3，約占30%[5]。

表1 SY/6168—1995氣藏分類

我國酸性氣藏主要為深層高溫環(huán)境下的高含H2S氣藏，其地質(zhì)儲量占全國的25%，主要分布在四川盆地。當前已成功開發(fā)威遠、臥龍河、磨溪等中低含硫氣田，形成了一套安全開發(fā)技術（表2）。

2 事故統(tǒng)計及分析

高含硫氣田開發(fā)危險性大，風險控制點多，安全事故頻發(fā)。需不斷總結(jié)安全經(jīng)驗，分析誘發(fā)原因，研制相關防護設備，優(yōu)化施工工藝并完善安全預案。高含硫氣田開發(fā)面寬、線長涉及階段多[6]。在此，依據(jù)中國石油股份有限公司事故類型統(tǒng)計數(shù)據(jù)（2002—2010年），簡要將開發(fā)過程分為鉆井修井、集輸場站、管道三個單元事故匯總并對典型事故案例進行分析，并分別列出相應事故發(fā)生概率，為下步數(shù)學建模提供數(shù)據(jù)基礎（表3）。

表2 中國典型高含硫氣田情況

表3 典型事故分析匯總

由表3可知，硫化氫中毒發(fā)生概率最高，其危害性最大。硫化氫為無色、劇毒、強酸性氣體，毒性為一氧化碳的6倍，與氰化物相當。硫化氫的質(zhì)量濃度達150 mg/m3時就會致命，且相對密度比空氣大，液態(tài)硫化氫不易揮發(fā)。硫化氫燃點為250℃，燃燒時呈藍色火焰，產(chǎn)生有毒的二氧化硫，而腐蝕問題更是貫徹整個開發(fā)過程。硫化氫溶于水易形成弱酸，對鋼材有氫脆和化學腐蝕作用[7]，而氫脆問題最為突出，極易造成應力斷裂。鉆井修井單元中會導致井下管柱的突然斷落、井口裝置破壞，甚至誘發(fā)井噴和著火事故；集輸場站及管道單元中會導致地面管線和設備、儀表損壞，所以防腐、防毒技術的發(fā)展尤為重要。

3 建模與分析

本建模選用對數(shù)據(jù)要求不高、通用性強且邏輯關系清楚的層次分析法（AHP法）進行[8]。原理為：首先將復雜問題分類分解為各組成因素，然后再將其分解成目標層、準則層、方案層，形成有支配關系的分組型層次結(jié)構(gòu)，建立清楚的邏輯關系；最后通過矩陣構(gòu)造，進行經(jīng)驗判斷量化或有限數(shù)據(jù)量化的兩兩比較判斷。綜合判定各因素間相互影響關系，計算其在系統(tǒng)中的權(quán)重，最終確定各因素的相對重要性[9-10]。

圖1 高含硫氣田安全開發(fā)分析層次結(jié)構(gòu)模型

首先確定問題，構(gòu)建高含硫氣田安全開發(fā)分析物理模型，繪制最高層（目標層）、中間層（準則層）、最低層（方案層）層次結(jié)構(gòu)模型（圖1）；并根據(jù)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)驗判斷兩兩比較打分，確定下層對上層的分數(shù)。準則層中的各準則在目標衡量中所占的比重并不一定相同，在決策者的心目中，它們各占有一定的比例。引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標度來定義判斷矩陣A=（aij，然后層次合成計算，并進行一致性檢驗。

一致性指標CI計算：

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

一致性比例CR計算：

當CR＜0.10時，認為通過了一次性檢驗，否則應作適當修正；最后選用幾何平均法（方根法），計算權(quán)重向量W。

幾何平均法（方根法）表達式：

其中

計算步驟：

◇A的元素按行相乘得一新向量；

◇將新向量的每個分量開n次方；

◇將所得向量歸一化即為權(quán)重向量。

各判斷矩陣對比及其權(quán)重計算結(jié)果如下（表4～表12）：

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

表11

表12

以上各表一致性檢測均通過。將不同方案各準則要素的權(quán)重矩陣（表4）Wi與各準則要素的相對權(quán)重矩陣（表5～表12）Wi相乘，得到各方案層要素權(quán)重并排序（表13）。經(jīng)計算還能得到中間層要素權(quán)重并排序（表14、表15）。

表13 方案層權(quán)重排序

表14 中間層權(quán)重排序

表15 中間層權(quán)重排序

經(jīng)以上模擬分析，在高含硫氣田開發(fā)過程中，鉆井修井單元安全風險最大，其中井噴破壞性最強，發(fā)生概率最高；管道單元安全風險較小，其中氫脆泄漏與管道憋壓最易發(fā)生；集輸場站單元相對于其他單元來說安全風險較小，應重點防范泄漏與憋壓。通過表13可以看出各安全事故中，硫化氫中毒權(quán)重遠大于其他各項，破壞性最強安全風險性最大；火災和爆炸權(quán)重次之；高壓傷人與設備傷人權(quán)重較小，可通過安全規(guī)章制度防范。

靈敏度分析為當前情況下模型狀態(tài)對系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感性預測，能有效指導下步工作。下面分別對準則層中高含硫氣田開發(fā)各階段單元要素作靈敏度分析。

圖2 鉆井修井單元靈敏度分析

由圖2可知，C2、C1線形斜率最大，最敏感，其中C2權(quán)重與鉆井修井單元事故發(fā)生率成正比，C1成反比。證明硫化氫及其二氧化碳泄漏中毒事故發(fā)生率越高，鉆井修井單元總體事故發(fā)生率越大，傷亡越多。若硫化氫發(fā)生泄漏并決定采用點火燃燒方式進行應急處理時有引發(fā)火災及爆炸的風險；所以，C2、C1兩者成相反關系與現(xiàn)場情況一致，應加強防范。而C3、C4現(xiàn)象是人為或設備缺陷固有因素引起，與開發(fā)階段關聯(lián)性不大，所以不敏感。

圖3 集輸場站單元靈敏度分析

表16 誘發(fā)原因及相應對策

由圖3、圖4可知，集輸場站單元與管道單元靈敏度分析圖形相似，其中C2、C1線形斜率最大，最敏感。C1權(quán)重與該單元事故發(fā)生率成正比，C2成反比。證明火災及爆炸事故發(fā)生率越高，集輸場站單元與管道單元總體事故發(fā)生率越大，傷亡越多。而若發(fā)生火災和爆炸則會燃燒消耗有毒性硫化氫氣體，但也會增加其他傷亡，應當防范。C2、C1兩者成相反關系與現(xiàn)場情況一致。集輸場站單元與管道單元安全分析結(jié)果相似。下步應加強有毒氣體、可燃氣體監(jiān)控及設備設施防腐工作。而C3、C4現(xiàn)象是人為或設備缺陷固有因素引起，與開發(fā)階段關聯(lián)性不大，所以不敏感。

圖4 管道單元靈敏度分析

4 技術難點及對策

通過以上事故案例及其數(shù)學建模分析，根據(jù)權(quán)重排序選取安全風險較大的事故進行技術難點匯總，分析誘發(fā)原因并提出相應對策（表16）。

5 結(jié)論

基于高含硫氣田開發(fā)需“采集輸儲煉”連續(xù)運行，同時具備傳統(tǒng)油氣田生產(chǎn)與化工企業(yè)安全生產(chǎn)特點，所以，在安全分析中應更加關注各領域的交叉，更加注重應用數(shù)學建模方法及當前掌握的事故數(shù)據(jù)，進行科學分析。解決安全分析中量化結(jié)構(gòu)不清、分析片面性過強等弊病。

高含硫氣田開發(fā)過程中，鉆井修井單元安全風險最大，其中井噴破壞性最強，發(fā)生概率最高；管道單元安全風險較小，其中氫脆泄漏與管道憋壓最易發(fā)生；集輸場站單元安全風險最小，泄漏與憋壓應重點防范。

層次分析法可將模糊定性條例化，安全分析結(jié)論量化為科學權(quán)重，將問題進行定性和定量分析。簡單靈活地解決高含硫氣田開發(fā)生產(chǎn)點多、面寬、線長的各領域交叉融合問題。得出危害先后性，為風險控制對策及技術發(fā)展提供依據(jù)，促進行業(yè)均衡發(fā)展。

當前我國高含硫氣田開發(fā)尚屬起步階段，雖有普光氣田等一系列經(jīng)驗總結(jié)成果，但適應性、通用性仍需論證。相關行業(yè)標準有待完善。下步計劃：對井控安全及其儲層傷害進行評估；腐蝕材料及防腐手段研制與運用；數(shù)字化氣田安全檢測系統(tǒng)及設備研制推廣；安全管理及應急安全演練等方面進行有針對性協(xié)同發(fā)展。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.017

2017-01-05

（編輯 張興平）

大慶煉化球罐

楊遠，長江大學地球科學學院2016級礦物學、巖石學、礦床學專業(yè)在讀碩士研究生，E-mail：fengjiming@yeah.net，地址：湖北省武漢市蔡甸區(qū)大學路111號長江大學地球科學學院，430100。