基于模糊层次分析法的页岩气钻井井喷事故风险评价

李　欢，王涌川

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

页岩气作为我国大力发展的新型能源之一，已经受到国家和社会的高度关注。而页岩气钻井过程中的安全问题，不但关系到现场作业人员的人身安全，同时也关系到整个项目是否能顺利完成。目前针对页岩气的风险评价多为资源勘探评价，如王世谦[1]对比了美国与中国页岩气的地质条件、储量、开采方式以及评价标准，对其技术和经济风险进行了分析；涂乙等[2]参考国外评价标准，并结合国内情况，筛选出适用于我国储层评价模型；王文和等[3]总结了页岩气成藏分布和开采技术，并提出了相应的风险处理对策。

目前，我国页岩气开发还处在初级阶段，理论基础或技术手段不够成熟，会造成甲烷大量泄漏[4]。2014年我国页岩气年产量为12.5亿m3，到2015年页岩气年产量己超过40亿m3，其产量跃居世界第三[5-6]。根据我国“十三五”规划的要求，预计在2020年，我国天然气的累计使用量约为3 700 亿m3，年平均需求增速要达到约13%左右。可见，在未来，页岩气开发是一个热门产业，其勘探潜力较大[7]。与常规油气钻井相同，页岩气钻井生产过程中也面临着许多问题，如井喷、环境污染等，因此针对页岩气钻井井喷事故进行风险分析与评价具有很强的理论和实际意义。为此，本文以某地页岩气钻井工程为例基于模糊层次分析法对页岩气钻井井喷事故风险进行了综合评价。

1　页岩气钻井井喷事故风险评价指标体系的构建

页岩气钻井系统作为一个复杂系统，具有影响因素及变量多且各因素间具有一定的层次关系，诸多因素不易量化、模糊性强、复杂多变等特点。层次分析法在处理复杂系统的问题上有着巨大的优势，通过建立目标层、准则层和指标层，可使复杂的、难以决策的问题简单化[8]。应用层次分析法分析具体问题时，首先需要将问题分层，依据问题的性质和希望达到的目标，将问题分解为不同的组成因素；其次需要将所有因素按照相互之间的影响程度和隶属关系进行分类并组合成三类；最终形成一个包括最高层、中间层和最低层的多层级结构的分析模型。本文以页岩气钻井井喷事故风险作为评价目标(A)，以环境因素、设备因素、人为因素和管理因素4个因素作为准则层(一级指标B)，并以此为依据分别构建各项一级指标所包含(对应)的二级指标C,据此建立了3个递阶层次的综合评价指标体系，见图1。

图1　页岩气钻井井喷事故风险评价指标体系Fig.1　　　　Evaluation index system for shale gas drilling blowout accidents

2　页岩气钻井井喷事故风险的模糊层次分析

基于模糊层次分析法对页岩气钻井井喷事故风险进行评价的主要步骤如下：

2. 1　确定层次分析的判断矩阵

根据层次分析法的原理，在确定指标要素重要性度量的过程中，引入T.L.Satty的1～9标度，构建判断矩阵，见表1。

表1　A-B判断矩阵Table 1　A-B judgment matrix

则判断矩阵为

(1)

构建出判断矩阵后，需要计算判断矩阵的最大特征根λmax，由于客观事物的复杂性以及人们对事物认识的片面性，构造的判断矩阵不一定是一致性矩阵，因此为了防止在多级判断下主观因素的影响，还需要对判断矩阵进行一致性检验。其一致性检验公式为

(2)

式中：CI为一致性指标；λmax为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵的阶数；CR为随机一致性比率；RI为平均随机一致性指标，其取值见表2。

表2　平均随机一致性指标RI的取值Table 2　R.I value table

当CR值小于0.1时，表示判断矩阵具有较好的一致性；当CR值大于或等于0.1时，说明判断矩阵的一致性较差，此时需要重新对判断矩阵进行调整。

2. 2　指标权重的计算

2.2.1一级指标权重的计算

页岩气钻井生产安全事故风险分析共有4个一级指标，分别为环境因素(B1)、设备因素(B2)、人为因素(B3)和管理因素(B4)，本文通过咨询专家，根据算术平均值法计算专家评价权重意见值，得出一级指标重要性的判断矩阵，见表3。

表3　一级指标重要性的判断矩阵Table 3　　　　Judgment matrix of the importance of the first grade indicators

以此得出判断矩阵A为

求解得出判断矩阵A的最大特征值λmax=4.050 7，由n=4查表得RI=0.89，则

因此，判断矩阵具有满意的一致性。最大特征值λmax=4.050 7时所对应的特征向量为

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

经归一化处理后，可得一级指标的权重为

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

2.2.2二级指标权重的计算

页岩气钻井生产安全事故风险分析4个一级指标对应于13个二级指标，本文通过咨询专家，根据算术平均值法计算专家评价权重意见值，得出判断矩阵后求出最大特征值，查表判断其一致性，经归一化处理后可得出二级指标的最终权重，详见表4。

表4　二级指标的最终权重Table 4　Final weight of second level indicators

2. 3　构建模糊综合评价模型

在实际中，常常需要对一个事物做出评价时一般都涉及到多个因素(指标)，而这些指标往往具有一定的模糊性，如本研究中页岩气钻井井喷事故风险有4个一级指标、13个二级指标，且“安全意识水平”显现出人的复杂性和不可确性，其评价结果的界限是模糊的。因此，本文采用模糊综合评价模型作为页岩气钻井井喷事故风险的综合评价模型，由于存在多级指标，所以构建了多级模糊综合评价模型。

一级模糊综合评价模型为

(3)

二级模糊综合评价模型为

(4)

式中：pn为一级指标权重;q为页岩气钻井井喷事故风险的综合评价结果。

3　页岩气钻井井喷事故风险综合评价实例分析

本次以某地页岩气钻井工程为实例，运用构建的模糊综合评价模型[10]，对该页岩气钻井井喷事故风险进行综合评价，并根据评价结果同时结合实际情况，给出相应风险控制措施与建议。

3. 1　指标隶属度计算

计算指标隶属度之前，需要先构建评价集，这里将评价结果分为4个等级，用评价标准集合V来表示，即

V={v1，v2，v3，v4}={优秀，良好，合格，较差}={1，0.8，0.6，0}

其中：v1为优秀，表示风险程度最小，基本无风险，维持现状即可；v2为良好，表示相对比较容易控制的风险，相关管理部门在工作中需要加以注意；v3为合格，表示相对难以控制的风险，相关管理部门需采取措施进行纠正；v4为较差,表示很难控制的风险，应考虑停止、停用，并立即采取处置措施。

针对二级指标中可量化的评价指标进行量化，同时给出隶属度函数[11]。

(1) 地层压力系数C1。地层压力系数是一个比值，是地层压力与静液压力之比。页岩气藏按地层压力系数的分类见表5，其风险程度随地层压力系数的增大而增大。

表5　页岩气藏按地层压力系数C1的分类Table 5　　　　Classification of gas reservoirs according to the reservoir pressure coefficient

地层压力系数C1的隶属度函数为

(2) 流体性质C3。页岩气藏中流体主要有气体和水，气体成分主要是甲烷，同时还包含一定量的其他气体，在一般井控风险等级中，含气量越大，其风险等级越高，一般来说，有：天然气井>油气井>油水井。因此，根据页岩气藏中所含气体的比例大小，可确定页岩气藏的风险等级，其具体分类见表6。

表6　页岩气藏按流体性质的分类及风险等级Table 6　　　　Classification and risk level of gas reservoirs according to fluid property

流体性质C3的隶属函数为

(3) H2S含量C4：H2S为易燃易爆的有毒气体，工作场所空气中最大允许浓度为10 mg/m3，页岩气藏按H2S含量C4的分类见表7。

表7　页岩气藏按H2S含量C4的分类Table 7　　　　Classification of gas reservoirs according to H2S content

H2S含量C4的隶属度函数为

(4) 设备维护状态C5：在用防喷器检查周期有三月期检验、一周年检验、二周年检验和三周年检验，以此为依据，设备维护状态C5的隶属度函数为

其他各评价指标以此类推，由此得出该岩岩气钻井井喷事故风险评价各二级指标的隶属度，详见表8。

表8　页岩气钻井井喷事故风险评价二级指标的隶属度Table 8　　　　Index weight of risk assessment of shale gas blowout

3. 2　模糊综合评价

根据公式(3)，采用M(·,⨁)算子，则一级指标的评价结果为

=[0.150 3，0.247 9，0.485 0，0.116 8]

同理，可计算得到：

根据公式(4)，则其综合评价结果为

=[0.245 6，0.565 4，0.169 2，0.019 8]

根据评价集V= {v1，v2，v3，v4}={优秀，良好，合格，较差}，按照最大隶属度原则，从综合评价结果可以看出0.565 4为最大隶属度，说明某地页岩气钻井井喷事故风险评价等级为良好，即表明该页岩气钻井项目井喷事故发生的概率较小。

3. 3　评价结果分析

从一级指标评价结果来看，环境因素中最大隶属度为0.485 0，风险评价等级为合格，考虑其地层环境因素为中深层、高压、干气页岩气藏，井喷事故风险较大，但不含H2S气体，井喷事故发生后危害相对较少，因此综合考虑其风险值为合格，表明事故风险等级较高，但在可控范围内。因此，在该页岩气开采过程中需要注意这方面因素的影响，事先做好地质勘查工作，并根据所勘查的数据，设计合理的井身结构，保障生产安全。

设备因素中最大隶属度为0.714 0，风险评价等级为良好，说明该页岩气项目组在平时的设备维护工作中表现良好，同时各类井控设备及水力压裂设备安装、使用到位，因设备故障而导致的井喷事故发生概率较小，应继续保持。

人为因素中最大隶属度为0.531 1，风险评价等级为良好，其优秀等级的隶属度为0.411，与最大隶属度相差不大，说明该页岩气项目组工作人员具备较好的安全素养，专业技术能力过硬，能够较好地完成项目任务。

管理因素中最大隶属度为0.749 1，风险评价等级为良好，从其二级指标隶属度可以看出，其安全管理制度和安全教育培训均有较好的评分，但现场监管能力一项评分较低，说明现场监管还需要加大管理力度，以确保安全生产。

3. 4　风险控制措施

井喷事故一旦发生，轻则打乱生产计划，影响全局生产；重则造成设备毁坏、人员伤亡，带来巨大的经济损失。而页岩气作为新型能源，相对于常规油气钻井，其前期的高投入、低回报的特点更使得我们要加强钻井作业过程中的安全管理，预防和杜绝井喷事故的发生。故本文从以下几个方面提出风险控制对策与措施

(1) 在地层环境方面，要加强地层压力的预测和检测，强化井身结构，加强溢流监测，并在工程施工期间，严格执行相关安全标准的规定，坚决杜绝“三违”作业。

(2) 在井控装备方面，要正确进行井控设备选配及安装，掌握剪切闸板防喷器的使用方法，正确配备钻杆内防喷工具，并注重设备维护、保养。

(3) 在人员管理及制度建设方面，要加大安全教育力度，强化安全文化建设，严肃现场监管纪律，并重视员工身心健康。

4　结　论

(1) 本文通过对某地页岩气钻井的实际情况与风险评价结果相比较，验证了页岩气钻井井喷事故风险评价模型的可行性。事实证明，该评价模型与钻井实际运行情况相符，评价结果具有一定的参考价值。

(2) 针对评价结果，本文从地层环境、井控装备、人员管理及制度建设等方面提出了相应的风险控制措施与建议，可为进一步提高页岩气钻井安全作业提供帮助。

但是，本文在进行事故致因分析过程中，受限于本人专业及现场相关经验不足，选取的评价指标难免有所缺失和不足，而且在评价过程中，将评价因素简单地分为人为、设备、环境、管理四个方面，也未对各方面之间的复杂联系做进一步研究，这将是今后的研究方向。

参考文献：

[1] 王世谦.中国页岩气勘探评价若干问题评述[J].天然气工业，2013，33(12):13-29.

[2] 涂乙，邹海燕，孟海平，等.页岩气评价标准与储层分类[J].石油与天然气地质，2014，35(1):153-158.

[3] 王文和，补艳，蔡治勇，等.页岩气开采过程风险因素分析及其安全对策[J].安全与环境工程，2016，33(1):133-139.

[4] 董大忠，王玉满，李新景，等.中国页岩气勘探开发新突破及发展前景思考[J].天然气工业，2016，36(1):19-32.

[5] 王中华.2013年国内页岩气钻采技术综述[J].中外能源，2014，19(6):34-41.

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[10]王博.基于模糊综合评价法的城市社区地震灾害应急管理能力评价研究[D].南宁:广西大学，2015.

[11]天然气藏分类:GB/T 26979—2011[S].中国标准化委员会,2012.

[12]彭粲璨，唐建军.湘西北地区页岩气钻井防喷井控技术研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2015，42(3):15-19,24.