基于模糊層次分析法的頁巖氣鉆井井噴事故風險評價

李　歡，王涌川

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

頁巖氣作為我國大力發展的新型能源之一，已經受到國家和社會的高度關注。而頁巖氣鉆井過程中的安全問題，不但關系到現場作業人員的人身安全，同時也關系到整個項目是否能順利完成。目前針對頁巖氣的風險評價多為資源勘探評價，如王世謙[1]對比了美國與中國頁巖氣的地質條件、儲量、開采方式以及評價標準，對其技術和經濟風險進行了分析；涂乙等[2]參考國外評價標準，并結合國內情況，篩選出適用于我國儲層評價模型；王文和等[3]總結了頁巖氣成藏分布和開采技術，并提出了相應的風險處理對策。

目前，我國頁巖氣開發還處在初級階段，理論基礎或技術手段不夠成熟，會造成甲烷大量泄漏[4]。2014年我國頁巖氣年產量為12.5億m3，到2015年頁巖氣年產量己超過40億m3，其產量躍居世界第三[5-6]。根據我國“十三五”規劃的要求，預計在2020年，我國天然氣的累計使用量約為3 700 億m3，年平均需求增速要達到約13%左右。可見，在未來，頁巖氣開發是一個熱門產業，其勘探潛力較大[7]。與常規油氣鉆井相同，頁巖氣鉆井生產過程中也面臨著許多問題，如井噴、環境污染等，因此針對頁巖氣鉆井井噴事故進行風險分析與評價具有很強的理論和實際意義。為此，本文以某地頁巖氣鉆井工程為例基于模糊層次分析法對頁巖氣鉆井井噴事故風險進行了綜合評價。

1　頁巖氣鉆井井噴事故風險評價指標體系的構建

頁巖氣鉆井系統作為一個復雜系統，具有影響因素及變量多且各因素間具有一定的層次關系，諸多因素不易量化、模糊性強、復雜多變等特點。層次分析法在處理復雜系統的問題上有著巨大的優勢，通過建立目標層、準則層和指標層，可使復雜的、難以決策的問題簡單化[8]。應用層次分析法分析具體問題時，首先需要將問題分層，依據問題的性質和希望達到的目標，將問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系進行分類并組合成三類；最終形成一個包括最高層、中間層和最低層的多層級結構的分析模型。本文以頁巖氣鉆井井噴事故風險作為評價目標(A)，以環境因素、設備因素、人為因素和管理因素4個因素作為準則層(一級指標B)，并以此為依據分別構建各項一級指標所包含(對應)的二級指標C,據此建立了3個遞階層次的綜合評價指標體系，見圖1。

圖1　頁巖氣鉆井井噴事故風險評價指標體系Fig.1　　　　Evaluation index system for shale gas drilling blowout accidents

2　頁巖氣鉆井井噴事故風險的模糊層次分析

基于模糊層次分析法對頁巖氣鉆井井噴事故風險進行評價的主要步驟如下：

2. 1　確定層次分析的判斷矩陣

根據層次分析法的原理，在確定指標要素重要性度量的過程中，引入T.L.Satty的1～9標度，構建判斷矩陣，見表1。

表1　A-B判斷矩陣Table 1　A-B judgment matrix

則判斷矩陣為

(1)

構建出判斷矩陣后，需要計算判斷矩陣的最大特征根λmax，由于客觀事物的復雜性以及人們對事物認識的片面性，構造的判斷矩陣不一定是一致性矩陣，因此為了防止在多級判斷下主觀因素的影響，還需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。其一致性檢驗公式為

(2)

式中：CI為一致性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣的階數；CR為隨機一致性比率；RI為平均隨機一致性指標，其取值見表2。

表2　平均隨機一致性指標RI的取值Table 2　R.I value table

當CR值小于0.1時，表示判斷矩陣具有較好的一致性；當CR值大于或等于0.1時，說明判斷矩陣的一致性較差，此時需要重新對判斷矩陣進行調整。

2. 2　指標權重的計算

2.2.1一級指標權重的計算

頁巖氣鉆井生產安全事故風險分析共有4個一級指標，分別為環境因素(B1)、設備因素(B2)、人為因素(B3)和管理因素(B4)，本文通過咨詢專家，根據算術平均值法計算專家評價權重意見值，得出一級指標重要性的判斷矩陣，見表3。

表3　一級指標重要性的判斷矩陣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時所對應的特征向量為

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

經歸一化處理后，可得一級指標的權重為

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

2.2.2二級指標權重的計算

頁巖氣鉆井生產安全事故風險分析4個一級指標對應于13個二級指標，本文通過咨詢專家，根據算術平均值法計算專家評價權重意見值，得出判斷矩陣后求出最大特征值，查表判斷其一致性，經歸一化處理后可得出二級指標的最終權重，詳見表4。

表4　二級指標的最終權重Table 4　Final weight of second level indicators

2. 3　構建模糊綜合評價模型

在實際中，常常需要對一個事物做出評價時一般都涉及到多個因素(指標)，而這些指標往往具有一定的模糊性，如本研究中頁巖氣鉆井井噴事故風險有4個一級指標、13個二級指標，且“安全意識水平”顯現出人的復雜性和不可確性，其評價結果的界限是模糊的。因此，本文采用模糊綜合評價模型作為頁巖氣鉆井井噴事故風險的綜合評價模型，由于存在多級指標，所以構建了多級模糊綜合評價模型。

一級模糊綜合評價模型為

(3)

二級模糊綜合評價模型為

(4)

式中：pn為一級指標權重;q為頁巖氣鉆井井噴事故風險的綜合評價結果。

3　頁巖氣鉆井井噴事故風險綜合評價實例分析

本次以某地頁巖氣鉆井工程為實例，運用構建的模糊綜合評價模型[10]，對該頁巖氣鉆井井噴事故風險進行綜合評價，并根據評價結果同時結合實際情況，給出相應風險控制措施與建議。

3. 1　指標隸屬度計算

計算指標隸屬度之前，需要先構建評價集，這里將評價結果分為4個等級，用評價標準集合V來表示，即

V={v1，v2，v3，v4}={優秀，良好，合格，較差}={1，0.8，0.6，0}

其中：v1為優秀，表示風險程度最小，基本無風險，維持現狀即可；v2為良好，表示相對比較容易控制的風險，相關管理部門在工作中需要加以注意；v3為合格，表示相對難以控制的風險，相關管理部門需采取措施進行糾正；v4為較差,表示很難控制的風險，應考慮停止、停用，并立即采取處置措施。

針對二級指標中可量化的評價指標進行量化，同時給出隸屬度函數[11]。

(1) 地層壓力系數C1。地層壓力系數是一個比值，是地層壓力與靜液壓力之比。頁巖氣藏按地層壓力系數的分類見表5，其風險程度隨地層壓力系數的增大而增大。

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

地層壓力系數C1的隸屬度函數為

(2) 流體性質C3。頁巖氣藏中流體主要有氣體和水，氣體成分主要是甲烷，同時還包含一定量的其他氣體，在一般井控風險等級中，含氣量越大，其風險等級越高，一般來說，有：天然氣井>油氣井>油水井。因此，根據頁巖氣藏中所含氣體的比例大小，可確定頁巖氣藏的風險等級，其具體分類見表6。

表6　頁巖氣藏按流體性質的分類及風險等級Table 6　　　　Classification and risk level of gas reservoirs according to fluid property

流體性質C3的隸屬函數為

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

表7　頁巖氣藏按H2S含量C4的分類Table 7　　　　Classification of gas reservoirs according to H2S content

H2S含量C4的隸屬度函數為

(4) 設備維護狀態C5：在用防噴器檢查周期有三月期檢驗、一周年檢驗、二周年檢驗和三周年檢驗，以此為依據，設備維護狀態C5的隸屬度函數為

其他各評價指標以此類推，由此得出該巖巖氣鉆井井噴事故風險評價各二級指標的隸屬度，詳見表8。

表8　頁巖氣鉆井井噴事故風險評價二級指標的隸屬度Table 8　　　　Index weight of risk assessment of shale gas blowout

3. 2　模糊綜合評價

根據公式(3)，采用M(·,?)算子，則一級指標的評價結果為

=[0.150 3，0.247 9，0.485 0，0.116 8]

同理，可計算得到：

根據公式(4)，則其綜合評價結果為

=[0.245 6，0.565 4，0.169 2，0.019 8]

根據評價集V= {v1，v2，v3，v4}={優秀，良好，合格，較差}，按照最大隸屬度原則，從綜合評價結果可以看出0.565 4為最大隸屬度，說明某地頁巖氣鉆井井噴事故風險評價等級為良好，即表明該頁巖氣鉆井項目井噴事故發生的概率較小。

3. 3　評價結果分析

從一級指標評價結果來看，環境因素中最大隸屬度為0.485 0，風險評價等級為合格，考慮其地層環境因素為中深層、高壓、干氣頁巖氣藏，井噴事故風險較大，但不含H2S氣體，井噴事故發生后危害相對較少，因此綜合考慮其風險值為合格，表明事故風險等級較高，但在可控范圍內。因此，在該頁巖氣開采過程中需要注意這方面因素的影響，事先做好地質勘查工作，并根據所勘查的數據，設計合理的井身結構，保障生產安全。

設備因素中最大隸屬度為0.714 0，風險評價等級為良好，說明該頁巖氣項目組在平時的設備維護工作中表現良好，同時各類井控設備及水力壓裂設備安裝、使用到位，因設備故障而導致的井噴事故發生概率較小，應繼續保持。

人為因素中最大隸屬度為0.531 1，風險評價等級為良好，其優秀等級的隸屬度為0.411，與最大隸屬度相差不大，說明該頁巖氣項目組工作人員具備較好的安全素養，專業技術能力過硬，能夠較好地完成項目任務。

管理因素中最大隸屬度為0.749 1，風險評價等級為良好，從其二級指標隸屬度可以看出，其安全管理制度和安全教育培訓均有較好的評分，但現場監管能力一項評分較低，說明現場監管還需要加大管理力度，以確保安全生產。

3. 4　風險控制措施

井噴事故一旦發生，輕則打亂生產計劃，影響全局生產；重則造成設備毀壞、人員傷亡，帶來巨大的經濟損失。而頁巖氣作為新型能源，相對于常規油氣鉆井，其前期的高投入、低回報的特點更使得我們要加強鉆井作業過程中的安全管理，預防和杜絕井噴事故的發生。故本文從以下幾個方面提出風險控制對策與措施

(1) 在地層環境方面，要加強地層壓力的預測和檢測，強化井身結構，加強溢流監測，并在工程施工期間，嚴格執行相關安全標準的規定，堅決杜絕“三違”作業。

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

(3) 在人員管理及制度建設方面，要加大安全教育力度，強化安全文化建設，嚴肅現場監管紀律，并重視員工身心健康。

4　結　論

(1) 本文通過對某地頁巖氣鉆井的實際情況與風險評價結果相比較，驗證了頁巖氣鉆井井噴事故風險評價模型的可行性。事實證明，該評價模型與鉆井實際運行情況相符，評價結果具有一定的參考價值。

(2) 針對評價結果，本文從地層環境、井控裝備、人員管理及制度建設等方面提出了相應的風險控制措施與建議，可為進一步提高頁巖氣鉆井安全作業提供幫助。

但是，本文在進行事故致因分析過程中，受限于本人專業及現場相關經驗不足，選取的評價指標難免有所缺失和不足，而且在評價過程中，將評價因素簡單地分為人為、設備、環境、管理四個方面，也未對各方面之間的復雜聯系做進一步研究，這將是今后的研究方向。

參考文獻：

[1] 王世謙.中國頁巖氣勘探評價若干問題評述[J].天然氣工業，2013，33(12):13-29.

[2] 涂乙，鄒海燕，孟海平，等.頁巖氣評價標準與儲層分類[J].石油與天然氣地質，2014，35(1):153-158.

[3] 王文和，補艷，蔡治勇，等.頁巖氣開采過程風險因素分析及其安全對策[J].安全與環境工程，2016，33(1):133-139.

[4] 董大忠，王玉滿，李新景，等.中國頁巖氣勘探開發新突破及發展前景思考[J].天然氣工業，2016，36(1):19-32.

[5] 王中華.2013年國內頁巖氣鉆采技術綜述[J].中外能源，2014，19(6):34-41.

[6] 臧艷彬，白彬珍，李新芝，等.四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井面臨的挑戰與技術對策[J].探礦工程，2014，41(5)：20-24.

[7] Curtis J B.Fractured shale gas systems[J].AAPGBulletin，2002, 86(11):1921-1938.

[8] 王娟.模糊層次分析法在儲罐施工HSE風險評估中的應用[J].安全與環境工程,2011,18(5):96-99.

[9] 張江華,鄭小平,彭建文.基于模糊層次分析法的應急能力指標權重確定[J].安全與環境工程,2007,14(3):80-82.

[10]王博.基于模糊綜合評價法的城市社區地震災害應急管理能力評價研究[D].南寧:廣西大學，2015.

[11]天然氣藏分類:GB/T 26979—2011[S].中國標準化委員會,2012.

[12]彭粲璨，唐建軍.湘西北地區頁巖氣鉆井防噴井控技術研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(3):15-19,24.