基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣和層次分析法的深水氣井測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

嚴(yán)淳鳀，呂紅剛，孫巧雷，施 雷，張 紅，靳祖文，馮 定,4*

(1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，荊州 434023；2.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心，荊州 434023；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第九采油廠，西安 710000；4.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100)

在深水油氣資源開發(fā)和勘探中，深水油氣井測(cè)試作為其必要手段，對(duì)于深水特別是超深水中深水高溫高壓井測(cè)試管柱及地面安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、高產(chǎn)氣井復(fù)雜條件下的安全放噴控制要求更高[1]。

在現(xiàn)有的相關(guān)研究中[2-4]，針對(duì)深水測(cè)試作業(yè)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)分析大多集中在測(cè)試過(guò)程中水合物防治、測(cè)試工藝流程優(yōu)化、地層出砂防治等關(guān)鍵技術(shù)方面。針對(duì)單一技術(shù)問(wèn)題，Chen等[5]針對(duì)海底低溫易形成天然氣水合物問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)在深水測(cè)試作業(yè)過(guò)程中選擇合適的測(cè)試液和測(cè)試開關(guān)井間隔的重要性，并對(duì)影響天然氣水合物形成的因素與防治措施進(jìn)行了討論；張崇等[6]建立深水氣井測(cè)試井筒溫壓場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，研究了測(cè)試液性能對(duì)井口溫度的影響；Li等[7]采用事故樹分析法對(duì)深水測(cè)試作業(yè)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析，得到深水測(cè)試事故樹模型；孫巧雷等[8]采用Workbench對(duì)測(cè)試管柱在不同頻率、不同水深和不同波動(dòng)幅度軸向力下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析及對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算；Dennis[9]針對(duì)測(cè)試管柱力學(xué)行為、地面流程模塊化設(shè)計(jì)與工藝流程進(jìn)行了研究與優(yōu)化。但深水測(cè)試作業(yè)是極其復(fù)雜的過(guò)程，且現(xiàn)有研究尚缺乏對(duì)深水油氣井測(cè)試作業(yè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，為此，結(jié)合深水測(cè)試作業(yè)中潛在的主要風(fēng)險(xiǎn)，劃分了深水測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)價(jià)單元，確立了評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣法和層次分析法，計(jì)算了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值與權(quán)重值，最后將其應(yīng)用于南海某氣井測(cè)試作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以有效降低南海深水高產(chǎn)氣井測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為高產(chǎn)氣井深水測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)管理提供參考。

1 深水測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

南海深水氣井測(cè)試過(guò)程中，影響測(cè)試過(guò)程安全的環(huán)境與井況因素主要有淺層地質(zhì)災(zāi)害、海洋環(huán)境影響和井況條件的影響。除了測(cè)試作業(yè)過(guò)程所處的惡劣海洋環(huán)境所帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，還有測(cè)試作業(yè)所使用的測(cè)試設(shè)備與工具的自身不安全狀態(tài)，以及現(xiàn)場(chǎng)人員不安全的操作行為與企業(yè)的管理制度問(wèn)題等[10-11]。根據(jù)以上風(fēng)險(xiǎn)分析從而構(gòu)建出深水測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 深水測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立

2.1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析

根據(jù)建立的深水測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，由現(xiàn)場(chǎng)工作人員或?qū)＜覍?duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的嚴(yán)重程度S和發(fā)生可能性P進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，從而確立各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值L[12]，可表示為

Li=SiPi

(1)

式(1)中：Li為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)值；Si為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的嚴(yán)重程度；Pi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的發(fā)生可能性，其取值范圍如表1所示。

表1 嚴(yán)重程度與發(fā)生可能性指標(biāo)量化

2.2 層次分析

基于建立的深水測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的各項(xiàng)之間的重要性打分，其中，i和j相比重要性等級(jí)如為同等重要?jiǎng)t量化值為1，稍微重要?jiǎng)t量化值為3，較強(qiáng)重要?jiǎng)t量化值為5，強(qiáng)烈重要?jiǎng)t量化值為7，極端重要?jiǎng)t量化值為9；若元素i與j的重要性之比為aij，那么元素j與i的重要性之比為aji=1/aij，量化值取值為1/3、1/5、1/7、1/9；兩相鄰判斷的中間值取值為2、4、6、8或1/2、1/4、1/6、1/8；對(duì)重要性打分后構(gòu)造各評(píng)價(jià)指標(biāo)間重要性判斷矩陣A為

(2)

依據(jù)式(2)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其表達(dá)式為

CR=CI/RI

(3)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(4)

式中：RI為比例系數(shù)，與判斷矩陣的階數(shù)n有關(guān)；CI為一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征根；CR為一致性比率。

如果CR<0.1，則認(rèn)為一致性得到滿足；如果CR≥0.1，應(yīng)當(dāng)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正，直到滿足一致性為止。最后，計(jì)算得到各層評(píng)價(jià)指標(biāo)元素對(duì)目標(biāo)層的合成權(quán)重[13]。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法的基本原理，用風(fēng)險(xiǎn)度R衡量深水測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的大小，由各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)所占風(fēng)險(xiǎn)值L和權(quán)重值W的函數(shù)確定，其表達(dá)式為

(5)

根據(jù)表2確定對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)度分值范圍得到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，將深水測(cè)試作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)度劃分為4級(jí)。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

3 實(shí)例應(yīng)用

利用上述模型對(duì)中國(guó)南海深水某油氣井測(cè)試作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。由油田資料可知，該氣井水深在840～1 030 m，最大風(fēng)速為80 km/h，平均風(fēng)速為25 km/h，平均氣溫26.0 ℃；浪高集中在0～6 m，最大浪高為17 m，平均浪高為3 m；無(wú)海冰。

以井況與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)單元為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)專家打分取平均值的方式，得到井況與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生的嚴(yán)重程度與發(fā)生可能性如表3所示。

對(duì)各項(xiàng)相對(duì)重要性打分后根據(jù)式(2)構(gòu)件井況與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性的判斷矩陣A。

(6)

(7)

式(7)中：WS為歸一化權(quán)重。

同理建立層次分析模型中的其他準(zhǔn)則層、方案層及目標(biāo)層的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，最終得到各相關(guān)因素的合成權(quán)重，同時(shí)由專家確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生可能性及嚴(yán)重程度得到風(fēng)險(xiǎn)值，如表3所示?？梢钥闯觯疀r與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素是南海深水測(cè)試作業(yè)面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)；而在井況與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，對(duì)南海深水測(cè)試影響較大的風(fēng)險(xiǎn)因素分別為內(nèi)波流、淺層氣、和天然氣水合物，其風(fēng)險(xiǎn)度依次為7.826 7、2.393 7、0.944。因此，海流與氣井產(chǎn)氣量是井況與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮上述因素帶來(lái)的問(wèn)題，并提前做好防治措施。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)度及綜合排序

4 結(jié)論

(1)通過(guò)深水測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)因素的分析及其評(píng)價(jià)體系構(gòu)建，能劃分深水測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)單元、梳理深水測(cè)試的主要風(fēng)險(xiǎn)單元風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的組成，便于后續(xù)開展深水測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(2)矩陣分析通過(guò)嚴(yán)重程度和發(fā)生可能性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了具體量化，層次分析方法的應(yīng)用能有效確定各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)間的數(shù)值關(guān)系并確定風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的權(quán)重，矩陣分析和層次分析為風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算提供了依據(jù)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分能明確測(cè)試井的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

(3)實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明，實(shí)例氣井風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試狀態(tài)良好，主要風(fēng)險(xiǎn)因素是內(nèi)波流、淺層氣和制度及執(zhí)行，該實(shí)例說(shuō)明了基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣和層次分析法進(jìn)行深水測(cè)試井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有可行性，該方法有助于梳理深水氣井測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為氣井測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)管理提供參考。

(4)該方法的關(guān)鍵是各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的權(quán)重計(jì)算，但對(duì)于多層次風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重指標(biāo)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等還需進(jìn)一步的研究，以促進(jìn)中國(guó)深水測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的建立。