唐 偉 王文和 金雪梅 周麗莎 李 婧 劉子睿 牟 丹

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司頁(yè)巖氣項(xiàng)目經(jīng)理部, 成都 610056；2. 重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院， 重慶 401331；3. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院, 四川 德陽(yáng) 618300；4. 重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院， 重慶 401331)

0 前 言

鉆井作業(yè)是多工種、多工序連續(xù)和交叉的系統(tǒng)工程，是石油與天然氣開發(fā)過程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)受諸多因素的影響，且各因素之間相互耦合，隨著鉆井作業(yè)的進(jìn)行，鉆井條件和地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜[2-3]，事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度也隨之增加。火災(zāi)是鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最主要的風(fēng)險(xiǎn)隱患之一，施工過程一旦接觸火源，將威脅施工人員及設(shè)備的安全，同時(shí)也會(huì)對(duì)地層結(jié)構(gòu)造成破壞，從而導(dǎo)致環(huán)境污染[4]。因此，有必要對(duì)鉆井作業(yè)中火災(zāi)的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，以確保鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全[5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面已做了大量的研究，趙俊平對(duì)鉆井作業(yè)中常見的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別和評(píng)估，并構(gòu)建了油氣鉆井工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[6]。王彥富等人采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，模擬了設(shè)備、人員和組織等多因素對(duì)火災(zāi)事故的耦合作用，得到不同場(chǎng)景火災(zāi)事故發(fā)生的概率及其關(guān)鍵因子的重要程度，為海洋鉆井平臺(tái)安全管理奠定了基礎(chǔ)[7]。閆培娜利用Bowtie模型分析了事故發(fā)生的根本原因，并預(yù)測(cè)了事故可能產(chǎn)生的后果，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)方程模型[8]。王強(qiáng)等人利用FDS軟件建立了人員疏散的數(shù)值模型，模擬了火災(zāi)發(fā)生后人員疏散的路徑及時(shí)間[9]。

現(xiàn)有的研究對(duì)鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)的影響因素考慮不全面。本次研究以歷史靜態(tài)數(shù)據(jù)資料為背景，將油氣鉆井作業(yè)劃分為13個(gè)工藝流程[10-11]。采用模糊層次分析法對(duì)整個(gè)鉆井作業(yè)進(jìn)行火災(zāi)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[12]，對(duì)鉆井作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的火災(zāi)隱患進(jìn)行了全面分析，建立了較為系統(tǒng)的鉆井作業(yè)火災(zāi)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，確定了各指標(biāo)動(dòng)態(tài)的影響因素，并對(duì)指標(biāo)體系和對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)影響因素進(jìn)行了量化。

1 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

鉆井作業(yè)火災(zāi)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)包括定性評(píng)估指標(biāo)和定量評(píng)估指標(biāo)，即靜態(tài)評(píng)估指標(biāo)和動(dòng)態(tài)評(píng)估指標(biāo)。將鉆井作業(yè)劃分為鉆機(jī)搬家安裝，一開鉆進(jìn)，下表層套管，固井、侯凝，安裝封井器、試壓，二開鉆進(jìn)(含中途起下鉆)，測(cè)井，通井、下套管，固井、侯凝、鉆水泥塞，三開鉆進(jìn)(含中途起下鉆)，坐掛完井，鉆機(jī)平移，放井架、拆甩設(shè)備等13個(gè)工藝流程。以火災(zāi)事故發(fā)生的可能性和火災(zāi)后果的嚴(yán)重程度展開研究，從“人、機(jī)、環(huán)、管、技”等5個(gè)層面對(duì)鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行討論，全面分析了鉆井作業(yè)過程中各工藝段可能引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的因子，并確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本次研究運(yùn)用模糊層次分析法(Fuzzy-AHP)和專家打分法對(duì)各指標(biāo)體系的權(quán)重進(jìn)行了確定，分析了各影響因素間的耦合性，最終確定了各因素的權(quán)重值，進(jìn)而構(gòu)建了可量化的鉆井作業(yè)火災(zāi)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，二開鉆進(jìn)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示。本次研究采用專家評(píng)判法來(lái)確定各指標(biāo)動(dòng)態(tài)影響因素的量化值。

圖1 二開鉆進(jìn)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系

2 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的構(gòu)建

在指標(biāo)層級(jí)較多時(shí)，層次分析法難以保證一致性，本次研究將模糊數(shù)學(xué)法和層次分析法的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，采用Fuzzy-AHP來(lái)計(jì)算評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響因子進(jìn)行組合賦權(quán)，以提高決策的可靠性。

2.1 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定

將鉆井火災(zāi)系統(tǒng)劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層、動(dòng)態(tài)因素層，根據(jù)各因素的重要程度建立模糊一致的判斷矩陣。若2個(gè)因素的權(quán)重相當(dāng)，采用模糊判斷雖不能確定其準(zhǔn)確值，但可將值確定在1～U內(nèi)，并且可知其最大值為m。由此可計(jì)算出模糊判斷矩陣的最大特征值及各指標(biāo)體系的相對(duì)權(quán)重。具體步驟如下：

(1) 構(gòu)建判斷矩陣。通過對(duì)10名專家調(diào)查問卷填寫結(jié)果的處理、分析，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的排序，構(gòu)建影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣。本次研究所采用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣取值區(qū)間為1-5，判斷矩陣標(biāo)度及其含義如表1所示。通過Matlab軟件對(duì)各層的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

對(duì)于目標(biāo)層A，由n個(gè)元素之間相對(duì)重要性比較得到判斷矩陣A：

A=(aij)n×n

(1)

判斷矩陣A也可記為：

(2)

由式(2)得到判斷矩陣A的最大特征向量，歸一化處理后，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

(2) 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。根據(jù)判斷矩陣A可求出相對(duì)權(quán)重向量、最大特征根和各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

(3) 一致性檢驗(yàn)。為確保各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果的有效性，需對(duì)判定結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。當(dāng)CR<0.1時(shí)，表示滿足一致性檢驗(yàn)；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，表示各專家打分不合理，需對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，直到所構(gòu)建的模糊判斷矩陣CR<0.1。CR的計(jì)算如式(3)所示：

(3)

CI為一致性指標(biāo)，其計(jì)算如式(4)所示：

(4)

式中：CR為隨機(jī)一致性比率；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其參考值如表2所示；λmax為判斷矩陣A的最大特征根。

表2 RI值參考表

2.2 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型如式(5)、式(6)所示：

Y=Y1×Y2

(5)

(6)

(7)

2.3 鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

將鉆井作業(yè)火災(zāi)發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重度分別劃分為5個(gè)等級(jí)，將風(fēng)險(xiǎn)分為重大、較大、一般、低風(fēng)險(xiǎn)等4個(gè)等級(jí)，對(duì)鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，風(fēng)險(xiǎn)矩陣如表3所示。

表3 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)矩陣

3 案例分析與應(yīng)用

為驗(yàn)證基于Fuzzy-AHP火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型的準(zhǔn)確性、實(shí)用性和可靠性。本次研究選取川南頁(yè)巖氣M鉆井平臺(tái)作為評(píng)估對(duì)象，該井場(chǎng)位于四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣，平臺(tái)共布置 8口水平井，垂直井深約為3 000 m，水平井段約為1 800 m。針對(duì)該井場(chǎng)的實(shí)際情況，運(yùn)用設(shè)計(jì)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，對(duì)鉆井作業(yè)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研收集M鉆井平臺(tái)的資料，根據(jù)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系及分層方法對(duì)M鉆井平臺(tái)進(jìn)行分層，結(jié)合10位專家填寫的問卷調(diào)查，通過Matlab軟件計(jì)算得到A1指標(biāo)的權(quán)重單排序，計(jì)算結(jié)果為CI=0.010 3，CR=0.011 5，判斷矩陣A1的最大特征向量λmax=4.030 9，RI=0.895 6。CR<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)要求，判斷矩陣B及評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 判斷矩陣及評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

火災(zāi)事故發(fā)生可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)(A1)的4個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)9個(gè)二級(jí)指標(biāo)，火災(zāi)事故后果嚴(yán)重度指標(biāo)(A2)的3個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)8個(gè)二級(jí)指標(biāo)9個(gè)三級(jí)指標(biāo)，按照本次設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，最終得到M鉆井平臺(tái)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各指標(biāo)權(quán)重，具體結(jié)果如表5所示。

表5 M鉆井平臺(tái)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各指標(biāo)權(quán)重

10位專家對(duì)M鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)情況的打分情況如表6所示。根據(jù)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重和評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化結(jié)果，得到火災(zāi)可能性指標(biāo)和后果嚴(yán)重度指標(biāo)體系的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，經(jīng)過計(jì)算得到Y(jié)1=2.446，Y2=1.559，最終得到M鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合值Y=4(取整)，即M鉆井平臺(tái)在鉆井作業(yè)中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為4級(jí)，屬于低風(fēng)險(xiǎn)。

表6 M鉆井平臺(tái)專家打分平均值

4 結(jié) 語(yǔ)

本次研究全面分析了鉆井作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的火災(zāi)危險(xiǎn)隱患，根據(jù)鉆井作業(yè)過程中不同工藝段的火災(zāi)發(fā)生可能性及后果嚴(yán)重度為出發(fā)點(diǎn)，建立了較為系統(tǒng)的鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系。

采用Fuzzy-AHP和專家打分法相結(jié)合的方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化。建立了風(fēng)險(xiǎn)矩陣法和Fuzzy-AHP相結(jié)合的鉆井作業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估實(shí)用模型。