吳德松

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 前言

我國高含硫油氣資源大多處于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的環(huán)境中，普遍具有埋藏深、高溫、高壓、地層信息難以預(yù)知的特點，在鉆井期間面臨“噴、漏、塌、卡、斷、毒”等諸多風(fēng)險事故[1-3]。井噴是“三高”油氣井鉆井過程中最為嚴(yán)重的鉆井事故，往往伴隨著H2S等有毒氣體的泄漏，極易造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟環(huán)境損失。近些年來，我國高含硫油氣資源勘探開發(fā)過程中相繼發(fā)生了幾起重大井噴失控、硫化氫中毒事故，給社會造成了嚴(yán)重的不良影響，這直接反映出施工過程中安全監(jiān)管不足和井控措施不到位。

在“三高”油氣井復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，鉆井井下工具和密封套管容易受到高壓擠毀和酸性流體腐蝕，針對該問題王春江[4]、鄭有成[5]和鄒靈戰(zhàn)[6]等人分別對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計和套管選材進行了深入研究，同時管志川[7]對壓力不確定條件下的套管層次及下深確定方法進行了探討。針對高溫高壓井安全鉆井液密度窗口窄，易發(fā)生噴漏同存，蔚寶華[8]和艾池[9]等人建立了考慮溫差和空隙壓力的安全鉆井液密度窗口計算模型。溢流是井噴的先兆，實時準(zhǔn)確的監(jiān)測溢流可以有效防止井噴的發(fā)生，為此戴永壽[10]建立了“三高”油氣井早期溢流監(jiān)測系統(tǒng)。在井控應(yīng)急預(yù)案方面，為有效降低事故損失，金業(yè)權(quán)[11]和吳慶善[12]、杜高舉[13]等人分別對事故誘因和區(qū)域安全規(guī)劃進行了深入分析。

然而，針對“三高”油氣井井噴事故的研究主要圍繞鉆前設(shè)計、過程監(jiān)測和風(fēng)險控制而展開，對鉆井過程系統(tǒng)性的宏觀安全研究不足，缺乏對風(fēng)險致因因素的分析。本文以決策實驗與評價實驗室(DEMATEL, Decision Making Trial and Evaluation Laboratory)算法[14-15]和解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM, Interpretive Structural Modeling)算法為基礎(chǔ)，綜合利用專家經(jīng)驗知識，提取事故致因因素，利用定性定量相結(jié)合的手段分析因素間的關(guān)聯(lián)性，同時對致因因素進行層次劃分，建立事故致因模型，為“三高”油氣井井噴事故的預(yù)防與控制提供決策依據(jù)。

1 “三高”油氣井井噴事故致因因素提取

事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，鉆井階段是“三高”油氣井全生命周期中事故最為多發(fā)的環(huán)節(jié)，同時高含硫油氣藏易引起鉆井工具發(fā)生氫脆，導(dǎo)致套管和防噴器組失效，最終造成井噴事故的發(fā)生和大量硫化氫的泄漏，導(dǎo)致人員被迫撤離。因此，井噴風(fēng)險是“三高”油氣井開采過程中必須嚴(yán)加控制的重大風(fēng)險，也是“三高”井與常規(guī)井在風(fēng)險識別、管控中最為不同的環(huán)節(jié)。從整體來看，整個鉆井過程是一個“人-機-環(huán)-管”相互依存、相互制約的動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)，為了從多個角度反映影響井噴事故發(fā)生的實際情況，將“三高”油氣井井噴事故致因因素分為人因失誤、設(shè)備缺陷、環(huán)境缺陷和管理缺陷4個一級致因類。通過細(xì)分，可得到圖1所示的井噴事故一般性致因因素。

圖1 “三高”油氣井井噴事故致因因素

2 致因模型構(gòu)建

井噴事故致因模型研究的目的是根據(jù)專家經(jīng)驗分析并確定影響井噴事故的關(guān)鍵因素，爾后確定各因素間的關(guān)系。因此，引入集成DEMATEL/ISM方法對“三高”油氣井井噴事故致因因素進行層次劃分，識別關(guān)鍵影響因素并建立致因網(wǎng)絡(luò)圖。

DEMATEL算法是一種運用圖論和矩陣論原理進行因素分析的方法，它可以改進對相互關(guān)聯(lián)的問題群和復(fù)雜簇的理解，不同于層次分析法，該方法不需要因素間獨立，并且關(guān)注的不僅是因素間的兩兩直接影響關(guān)系還考慮了所有因素間的間接影響關(guān)系，最終通過因果關(guān)系圖得出各因素的重要性排序。DEMATEL算法自提出即被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用，并且與其他研究方法相結(jié)合，增強了其研究的科學(xué)性。例如，Yang Jian Liang等[15]人將DEMATEL算法與ANP算法相結(jié)合提出了一種集群加權(quán)的多標(biāo)準(zhǔn)決策技術(shù)，強化了重要度評估過程的合理性。針對影響因素評價過程中存在的模糊性以及專家經(jīng)驗水平存在的差異性，Bhatia Manjot Singh[16]與Wu Wei-Wen[17]等人將灰數(shù)、模糊數(shù)引入DEMATEL算法，崔強等[18]人采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替專家打分求解各因素間的直接關(guān)聯(lián)矩陣。基于傳統(tǒng)DEMATEL算法，本文引入ISM算法[19]，通過分析影響井噴事故的關(guān)鍵致因以及各因素間的內(nèi)在聯(lián)系，為建立系統(tǒng)化防控策略提供基礎(chǔ)，其基本步驟如圖2所示。

步驟1：基于因素間的影響關(guān)系設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，依托專家經(jīng)驗構(gòu)建因素間的直接關(guān)聯(lián)矩陣B：

(1)

圖2 集成DEMATEL/ISM方法

式中：n——因素個數(shù)；

bij——因素xi相對于因素xj的直接影響程度，其中bii=0。

步驟2：規(guī)范化直接關(guān)聯(lián)矩陣C：

(2)

步驟3：為了消除因素變化所引起的波及效應(yīng)，需要考慮因素間的間接影響。通過計算綜合影響矩陣T對因素間的直接影響和間接影響關(guān)系進行綜合累加，以確定每一個因素相對于系統(tǒng)中最高水平因素的最后影響。

T=(tij)n×n=C+C2+…+Cn=C(I-C)-1

(3)

式中：I——單位矩陣；

(I-C)-1——I-C的逆。

步驟4：分別對綜合影響矩陣T中的元素按行和按列相加得到相應(yīng)因素的影響度Di和被影響度Ri，其中影響度Di表示因素xi對其他所有因素的綜合影響，被影響度Ri表示因素xi受其他所有因素的綜合影響。

(4)

(5)

步驟5：繪制因果關(guān)系圖，其中橫坐標(biāo)為Di+Ri，縱坐標(biāo)為Di-Ri。Di+Ri為因素的中心度，表示因素xi在所有因素中的重要程度，其值越大表示重要性越高；Di-Ri為因素的原因度，表示因素xi與其他所有因素的因果邏輯關(guān)聯(lián)程度，若為正，表明該因素對其他因素的影響大，稱為原因因素，若為負(fù)，則表明該因素受其他因素的影響大，稱為結(jié)果因素。

步驟6：考慮致因因素對自身的影響，計算整體影響矩陣H。

H=I+T

(6)

步驟7：DEMATEL算法的整體影響矩陣H與ISM算法的可達矩陣K存在單映射關(guān)系[22]，為了劃分致因因素的層次結(jié)構(gòu)并識別因素間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，依據(jù)整體影響矩陣H通過設(shè)定閾值ξ建立可達矩陣K。

(7)

步驟8：確定各因素的可達集合以及前項集合，如致因因素xi的可達集合Mi與前項集合Ni的計算公式為：

Mi={xj|xj∈X,kij≠0} (i=1,…,n)

(8)

Ni={xj|xj∈X,kji≠0} (i=1,…,n)

(9)

式中:X——致因因素集合。

步驟9：驗證公式Mi=Mi∩Ni(i=1,…,n)是否成立，若成立則說明因素xi為頂層因素，并在矩陣K中劃除第i行和第i列。

步驟10：重復(fù)步驟8和步驟9，直到所有因素均被劃除。

步驟11：按照因素被劃去的順序，建立致因因素層次結(jié)構(gòu)，并將可達矩陣K中各因素所在行對應(yīng)列為1的視為該因素出度方向，因素所在列對應(yīng)行為1的視為該因素的入度方向，建立井噴事故致因網(wǎng)絡(luò)模型。

3 實例分析

近幾年在川東地區(qū)三疊系先后發(fā)現(xiàn)的渡口河、羅家寨、普光等大、中型油氣藏均為高溫、高壓和高含硫化氫的油氣田，硫化氫含量多在10%以上，硫化氫的劇毒和強腐蝕性、異常高的氣藏壓力以及復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，使得該類油氣田的勘探開發(fā)較常規(guī)油氣田具有更高的風(fēng)險。為了獲得“三高”油氣井井噴事故致因模型，提取了如圖1所示的18個致因因素，邀請某石油公司安全環(huán)保處處長、安全科長、井控中心主任以及鉆井隊長4位專家，根據(jù)強、較強、一般、弱、無5個等級分別賦值4，3，2，1，0來對致因因素間的相互影響關(guān)系進行評判，得到4個初始直接關(guān)聯(lián)矩陣。4位專家既有管理人員，也有專業(yè)操作人員，因此可以從不同的角度對井噴事故做出客觀評價。通過對4個初始直接關(guān)聯(lián)矩陣取平均并進行步驟2、3規(guī)范化和消除波及效應(yīng)處理得到如表1所示的綜合影響矩陣。

在綜合影響矩陣的基礎(chǔ)上，通過步驟4和步驟5求得如表2所示的井噴事故致因因素DEMATEL算法計算結(jié)果。表2中中心度較大的6個關(guān)鍵因素為井隊安全文化薄弱(x5)、安全意識缺乏(x2)、違章操作(x1)、信息傳遞不通暢(x16)、安全技能不足(x3)和井隊?wèi)?yīng)急能力不足(x18)。這些因素是影響“三高”油氣井井噴事故發(fā)生的關(guān)鍵因素，也是現(xiàn)場施工關(guān)注的重點。

表1 綜合影響矩陣

基于表2數(shù)據(jù)繪制如圖3所示的致因因素因果關(guān)系圖。由表2和圖3可知，處于圖中上部分的屬于原因因素，下部分的屬于結(jié)果因素。原因因素為x1～x5、x9、x11、x14、x16、x17，其余8項則為結(jié)果因素。說明這8個結(jié)果因素是10個原因因素的影響結(jié)果，所以對“三高”油氣井井噴事故進行有效防控，要從這10個原因因素入手。另外，表2中心度最大的原因因素為x5，該因素對井噴事故的發(fā)生影響最大，對其他影響因素的驅(qū)動力最強，是“三高”油氣井井噴事故的本質(zhì)根源。

為了識別各因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并對其進行層級劃分，依據(jù)步驟6建立致因因素整體影響矩陣，考慮到影響因素度數(shù)取值范圍和分析便利性，取ξ=0.095建立可達矩陣，基于可達矩陣通過步驟8～步驟11繪制如圖4所示的“三高”油氣井井噴事故致因網(wǎng)絡(luò)圖。

表2 DEMATEL算法計算結(jié)果

圖3 致因因素因果關(guān)系

從圖4可知，川東地區(qū)“三高”油氣田鉆井施工井隊安全文化薄弱與安全意識缺乏是大多數(shù)井噴事故的根源，處于致因網(wǎng)絡(luò)的底部層級(層級1-2)即本質(zhì)致因。而違章操作、安全監(jiān)控設(shè)備缺乏、安全技能不足、信息傳遞不通暢、設(shè)備維護保養(yǎng)不到位等中間層級因素是關(guān)聯(lián)本質(zhì)致因和直接致因的過渡致因(層級3-6)，其中影響最為突出的是安全設(shè)備監(jiān)控缺乏、設(shè)備維護保養(yǎng)不到位以及信息傳遞不通暢，分析認(rèn)為，這是由于三高井多處于山區(qū)，環(huán)境、氣候較為復(fù)雜，致使現(xiàn)場監(jiān)控、設(shè)備維保等難度顯著增大。直接致因處于致因網(wǎng)絡(luò)的頂部層級(層級7-8)，是引起井噴事故發(fā)生的直接導(dǎo)火索，其中影響最為突出的是節(jié)流壓井管匯失效、井筒完整性失效，分析認(rèn)為，這是由于三高油氣井地質(zhì)條件較為復(fù)雜，存在“高-低-高”的壓力梯度分布情況，對于井筒完整性影響明顯，同時井筒內(nèi)流體壓力較高，高壓流體對于節(jié)流壓井管匯沖蝕十分明顯，常常造成管匯刺漏，進而引發(fā)事故。因此，對于施工現(xiàn)場而言，短期內(nèi)需要加強對節(jié)流壓井管匯失效、井筒完整性失效等直接致因以及信息傳遞不暢、人員技能不足等過渡致因的防范控制，而要從根本上預(yù)防井噴事故，需要從培養(yǎng)井隊安全文化、提高安全意識等方面入手。

圖4 “三高”油氣井井噴事故致因網(wǎng)絡(luò)

通過建立井噴事故致因網(wǎng)絡(luò)，可以識別各致因因素間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這種關(guān)系既可能出現(xiàn)在同一層級內(nèi)，也可能跨越層級。由圖4可知，井隊安全文化薄弱與絕大多數(shù)因素存在直接或間接的關(guān)聯(lián)關(guān)系；而處于層級4的節(jié)點x11無入度方向，即地質(zhì)條件不明不受其他致因因素的影響，這是因為地質(zhì)條件不明屬于技術(shù)缺陷并不受人的主觀左右。

4 結(jié)論

a)根據(jù)“三高”油氣井井噴事故致因因素間的影響關(guān)系，可將其分為原因因素和結(jié)果因素。加強對中心度較大的原因因素的控制，能夠從源頭上防范事故的發(fā)生。

b)致因因素間有著遞進的層級結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，底部層級因素是事故發(fā)生的本質(zhì)致因，頂部層級是直接致因，中間部分層級是關(guān)聯(lián)本質(zhì)致因和直接致因的過渡致因。在現(xiàn)場施工過程中短期內(nèi)需要加強對直接致因、過渡致因的防范控制，而要從根本上預(yù)防井噴事故的發(fā)生，對本質(zhì)致因的約束控制才是長遠(yuǎn)之計。

c)采用所建立的模型對川東地區(qū)“三高”油氣田進行實例分析，發(fā)現(xiàn)加強井隊的安全文化教育，提高工人的安全意識，同時改善地質(zhì)勘探技術(shù)，提高對井下地質(zhì)環(huán)境的認(rèn)識，可以有效預(yù)防井噴事故的發(fā)生。