李　歡，王涌川

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

頁(yè)巖氣作為我國(guó)大力發(fā)展的新型能源之一，已經(jīng)受到國(guó)家和社會(huì)的高度關(guān)注。而頁(yè)巖氣鉆井過(guò)程中的安全問(wèn)題，不但關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全，同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目是否能順利完成。目前針對(duì)頁(yè)巖氣的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)多為資源勘探評(píng)價(jià)，如王世謙[1]對(duì)比了美國(guó)與中國(guó)頁(yè)巖氣的地質(zhì)條件、儲(chǔ)量、開(kāi)采方式以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析；涂乙等[2]參考國(guó)外評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)情況，篩選出適用于我國(guó)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)模型；王文和等[3]總結(jié)了頁(yè)巖氣成藏分布和開(kāi)采技術(shù)，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)處理對(duì)策。

目前，我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)還處在初級(jí)階段，理論基礎(chǔ)或技術(shù)手段不夠成熟，會(huì)造成甲烷大量泄漏[4]。2014年我國(guó)頁(yè)巖氣年產(chǎn)量為12.5億m3，到2015年頁(yè)巖氣年產(chǎn)量己超過(guò)40億m3，其產(chǎn)量躍居世界第三[5-6]。根據(jù)我國(guó)“十三五”規(guī)劃的要求，預(yù)計(jì)在2020年，我國(guó)天然氣的累計(jì)使用量約為3 700 億m3，年平均需求增速要達(dá)到約13%左右。可見(jiàn)，在未來(lái)，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)是一個(gè)熱門產(chǎn)業(yè)，其勘探潛力較大[7]。與常規(guī)油氣鉆井相同，頁(yè)巖氣鉆井生產(chǎn)過(guò)程中也面臨著許多問(wèn)題，如井噴、環(huán)境污染等，因此針對(duì)頁(yè)巖氣鉆井井噴事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)具有很強(qiáng)的理論和實(shí)際意義。為此，本文以某地頁(yè)巖氣鉆井工程為例基于模糊層次分析法對(duì)頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1　頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

頁(yè)巖氣鉆井系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，具有影響因素及變量多且各因素間具有一定的層次關(guān)系，諸多因素不易量化、模糊性強(qiáng)、復(fù)雜多變等特點(diǎn)。層次分析法在處理復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題上有著巨大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，可使復(fù)雜的、難以決策的問(wèn)題簡(jiǎn)單化[8]。應(yīng)用層次分析法分析具體問(wèn)題時(shí)，首先需要將問(wèn)題分層，依據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和希望達(dá)到的目標(biāo)，將問(wèn)題分解為不同的組成因素；其次需要將所有因素按照相互之間的影響程度和隸屬關(guān)系進(jìn)行分類并組合成三類；最終形成一個(gè)包括最高層、中間層和最低層的多層級(jí)結(jié)構(gòu)的分析模型。本文以頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)作為評(píng)價(jià)目標(biāo)(A)，以環(huán)境因素、設(shè)備因素、人為因素和管理因素4個(gè)因素作為準(zhǔn)則層(一級(jí)指標(biāo)B)，并以此為依據(jù)分別構(gòu)建各項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)所包含(對(duì)應(yīng))的二級(jí)指標(biāo)C,據(jù)此建立了3個(gè)遞階層次的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)圖1。

圖1　頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1　　　　Evaluation index system for shale gas drilling blowout accidents

2　頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)的模糊層次分析

基于模糊層次分析法對(duì)頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要步驟如下：

2. 1　確定層次分析的判斷矩陣

根據(jù)層次分析法的原理，在確定指標(biāo)要素重要性度量的過(guò)程中，引入T.L.Satty的1～9標(biāo)度，構(gòu)建判斷矩陣，見(jiàn)表1。

表1　A-B判斷矩陣Table 1　A-B judgment matrix

則判斷矩陣為

(1)

構(gòu)建出判斷矩陣后，需要計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax，由于客觀事物的復(fù)雜性以及人們對(duì)事物認(rèn)識(shí)的片面性，構(gòu)造的判斷矩陣不一定是一致性矩陣，因此為了防止在多級(jí)判斷下主觀因素的影響，還需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其一致性檢驗(yàn)公式為

(2)

式中：CI為一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣的階數(shù)；CR為隨機(jī)一致性比率；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值見(jiàn)表2。

表2　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值Table 2　R.I value table

當(dāng)CR值小于0.1時(shí)，表示判斷矩陣具有較好的一致性；當(dāng)CR值大于或等于0.1時(shí)，說(shuō)明判斷矩陣的一致性較差，此時(shí)需要重新對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。

2. 2　指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

2.2.1一級(jí)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

頁(yè)巖氣鉆井生產(chǎn)安全事故風(fēng)險(xiǎn)分析共有4個(gè)一級(jí)指標(biāo)，分別為環(huán)境因素(B1)、設(shè)備因素(B2)、人為因素(B3)和管理因素(B4)，本文通過(guò)咨詢專家，根據(jù)算術(shù)平均值法計(jì)算專家評(píng)價(jià)權(quán)重意見(jiàn)值，得出一級(jí)指標(biāo)重要性的判斷矩陣，見(jiàn)表3。

表3　一級(jí)指標(biāo)重要性的判斷矩陣Table 3　　　　Judgment matrix of the importance of the first grade indicators

以此得出判斷矩陣A為

求解得出判斷矩陣A的最大特征值λmax=4.050 7，由n=4查表得RI=0.89，則

因此，判斷矩陣具有滿意的一致性。最大特征值λmax=4.050 7時(shí)所對(duì)應(yīng)的特征向量為

Wmax=(0.291 9,0.125 2,0.812 6,0.488 7)T

經(jīng)歸一化處理后，可得一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重為

Wmax=(0.169 5,0.120 9,0.433 7,0.275 9)T

2.2.2二級(jí)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

頁(yè)巖氣鉆井生產(chǎn)安全事故風(fēng)險(xiǎn)分析4個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于13個(gè)二級(jí)指標(biāo)，本文通過(guò)咨詢專家，根據(jù)算術(shù)平均值法計(jì)算專家評(píng)價(jià)權(quán)重意見(jiàn)值，得出判斷矩陣后求出最大特征值，查表判斷其一致性，經(jīng)歸一化處理后可得出二級(jí)指標(biāo)的最終權(quán)重，詳見(jiàn)表4。

表4　二級(jí)指標(biāo)的最終權(quán)重Table 4　Final weight of second level indicators

2. 3　構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型

在實(shí)際中，常常需要對(duì)一個(gè)事物做出評(píng)價(jià)時(shí)一般都涉及到多個(gè)因素(指標(biāo))，而這些指標(biāo)往往具有一定的模糊性，如本研究中頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)有4個(gè)一級(jí)指標(biāo)、13個(gè)二級(jí)指標(biāo)，且“安全意識(shí)水平”顯現(xiàn)出人的復(fù)雜性和不可確性，其評(píng)價(jià)結(jié)果的界限是模糊的。因此，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型作為頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)模型，由于存在多級(jí)指標(biāo)，所以構(gòu)建了多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型。

一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型為

(3)

二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型為

(4)

式中：pn為一級(jí)指標(biāo)權(quán)重;q為頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

3　頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)實(shí)例分析

本次以某地頁(yè)巖氣鉆井工程為實(shí)例，運(yùn)用構(gòu)建的模糊綜合評(píng)價(jià)模型[10]，對(duì)該頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況，給出相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施與建議。

3. 1　指標(biāo)隸屬度計(jì)算

計(jì)算指標(biāo)隸屬度之前，需要先構(gòu)建評(píng)價(jià)集，這里將評(píng)價(jià)結(jié)果分為4個(gè)等級(jí)，用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合V來(lái)表示，即

V={v1，v2，v3，v4}={優(yōu)秀，良好，合格，較差}={1，0.8，0.6，0}

其中：v1為優(yōu)秀，表示風(fēng)險(xiǎn)程度最小，基本無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，維持現(xiàn)狀即可；v2為良好，表示相對(duì)比較容易控制的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)管理部門在工作中需要加以注意；v3為合格，表示相對(duì)難以控制的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)管理部門需采取措施進(jìn)行糾正；v4為較差,表示很難控制的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)考慮停止、停用，并立即采取處置措施。

針對(duì)二級(jí)指標(biāo)中可量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，同時(shí)給出隸屬度函數(shù)[11]。

(1) 地層壓力系數(shù)C1。地層壓力系數(shù)是一個(gè)比值，是地層壓力與靜液壓力之比。頁(yè)巖氣藏按地層壓力系數(shù)的分類見(jiàn)表5，其風(fēng)險(xiǎn)程度隨地層壓力系數(shù)的增大而增大。

表5　頁(yè)巖氣藏按地層壓力系數(shù)C1的分類Table 5　　　　Classification of gas reservoirs according to the reservoir pressure coefficient

地層壓力系數(shù)C1的隸屬度函數(shù)為

(2) 流體性質(zhì)C3。頁(yè)巖氣藏中流體主要有氣體和水，氣體成分主要是甲烷，同時(shí)還包含一定量的其他氣體，在一般井控風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中，含氣量越大，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高，一般來(lái)說(shuō)，有：天然氣井>油氣井>油水井。因此，根據(jù)頁(yè)巖氣藏中所含氣體的比例大小，可確定頁(yè)巖氣藏的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其具體分類見(jiàn)表6。

表6　頁(yè)巖氣藏按流體性質(zhì)的分類及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 6　　　　Classification and risk level of gas reservoirs according to fluid property

流體性質(zhì)C3的隸屬函數(shù)為

(3) H2S含量C4：H2S為易燃易爆的有毒氣體，工作場(chǎng)所空氣中最大允許濃度為10 mg/m3，頁(yè)巖氣藏按H2S含量C4的分類見(jiàn)表7。

表7　頁(yè)巖氣藏按H2S含量C4的分類Table 7　　　　Classification of gas reservoirs according to H2S content

H2S含量C4的隸屬度函數(shù)為

(4) 設(shè)備維護(hù)狀態(tài)C5：在用防噴器檢查周期有三月期檢驗(yàn)、一周年檢驗(yàn)、二周年檢驗(yàn)和三周年檢驗(yàn)，以此為依據(jù)，設(shè)備維護(hù)狀態(tài)C5的隸屬度函數(shù)為

其他各評(píng)價(jià)指標(biāo)以此類推，由此得出該巖巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)各二級(jí)指標(biāo)的隸屬度，詳見(jiàn)表8。

表8　頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)的隸屬度Table 8　　　　Index weight of risk assessment of shale gas blowout

3. 2　模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(3)，采用M(·,?)算子，則一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果為

=[0.150 3，0.247 9，0.485 0，0.116 8]

同理，可計(jì)算得到：

根據(jù)公式(4)，則其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

=[0.245 6，0.565 4，0.169 2，0.019 8]

根據(jù)評(píng)價(jià)集V= {v1，v2，v3，v4}={優(yōu)秀，良好，合格，較差}，按照最大隸屬度原則，從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出0.565 4為最大隸屬度，說(shuō)明某地頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為良好，即表明該頁(yè)巖氣鉆井項(xiàng)目井噴事故發(fā)生的概率較小。

3. 3　評(píng)價(jià)結(jié)果分析

從一級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，環(huán)境因素中最大隸屬度為0.485 0，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為合格，考慮其地層環(huán)境因素為中深層、高壓、干氣頁(yè)巖氣藏，井噴事故風(fēng)險(xiǎn)較大，但不含H2S氣體，井噴事故發(fā)生后危害相對(duì)較少，因此綜合考慮其風(fēng)險(xiǎn)值為合格，表明事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，但在可控范圍內(nèi)。因此，在該頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中需要注意這方面因素的影響，事先做好地質(zhì)勘查工作，并根據(jù)所勘查的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合理的井身結(jié)構(gòu)，保障生產(chǎn)安全。

設(shè)備因素中最大隸屬度為0.714 0，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為良好，說(shuō)明該頁(yè)巖氣項(xiàng)目組在平時(shí)的設(shè)備維護(hù)工作中表現(xiàn)良好，同時(shí)各類井控設(shè)備及水力壓裂設(shè)備安裝、使用到位，因設(shè)備故障而導(dǎo)致的井噴事故發(fā)生概率較小，應(yīng)繼續(xù)保持。

人為因素中最大隸屬度為0.531 1，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為良好，其優(yōu)秀等級(jí)的隸屬度為0.411，與最大隸屬度相差不大，說(shuō)明該頁(yè)巖氣項(xiàng)目組工作人員具備較好的安全素養(yǎng)，專業(yè)技術(shù)能力過(guò)硬，能夠較好地完成項(xiàng)目任務(wù)。

管理因素中最大隸屬度為0.749 1，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為良好，從其二級(jí)指標(biāo)隸屬度可以看出，其安全管理制度和安全教育培訓(xùn)均有較好的評(píng)分，但現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管能力一項(xiàng)評(píng)分較低，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管還需要加大管理力度，以確保安全生產(chǎn)。

3. 4　風(fēng)險(xiǎn)控制措施

井噴事故一旦發(fā)生，輕則打亂生產(chǎn)計(jì)劃，影響全局生產(chǎn)；重則造成設(shè)備毀壞、人員傷亡，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而頁(yè)巖氣作為新型能源，相對(duì)于常規(guī)油氣鉆井，其前期的高投入、低回報(bào)的特點(diǎn)更使得我們要加強(qiáng)鉆井作業(yè)過(guò)程中的安全管理，預(yù)防和杜絕井噴事故的發(fā)生。故本文從以下幾個(gè)方面提出風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策與措施

(1) 在地層環(huán)境方面，要加強(qiáng)地層壓力的預(yù)測(cè)和檢測(cè)，強(qiáng)化井身結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)溢流監(jiān)測(cè)，并在工程施工期間，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，堅(jiān)決杜絕“三違”作業(yè)。

(2) 在井控裝備方面，要正確進(jìn)行井控設(shè)備選配及安裝，掌握剪切閘板防噴器的使用方法，正確配備鉆桿內(nèi)防噴工具，并注重設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)。

(3) 在人員管理及制度建設(shè)方面，要加大安全教育力度，強(qiáng)化安全文化建設(shè)，嚴(yán)肅現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管紀(jì)律，并重視員工身心健康。

4　結(jié)　論

(1) 本文通過(guò)對(duì)某地頁(yè)巖氣鉆井的實(shí)際情況與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果相比較，驗(yàn)證了頁(yè)巖氣鉆井井噴事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的可行性。事實(shí)證明，該評(píng)價(jià)模型與鉆井實(shí)際運(yùn)行情況相符，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

(2) 針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果，本文從地層環(huán)境、井控裝備、人員管理及制度建設(shè)等方面提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施與建議，可為進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣鉆井安全作業(yè)提供幫助。

但是，本文在進(jìn)行事故致因分析過(guò)程中，受限于本人專業(yè)及現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)不足，選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)難免有所缺失和不足，而且在評(píng)價(jià)過(guò)程中，將評(píng)價(jià)因素簡(jiǎn)單地分為人為、設(shè)備、環(huán)境、管理四個(gè)方面，也未對(duì)各方面之間的復(fù)雜聯(lián)系做進(jìn)一步研究，這將是今后的研究方向。

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