基于Fuzzy-AHP的钻井作业火灾风险动态评估

2022-02-04王文和金雪梅周丽莎刘子睿

重庆科技学院学报（自然科学版） 2022年6期

唐伟王文和金雪梅周丽莎李婧刘子睿牟丹

(1. 中国石油集团川庆钻探工程公司页岩气项目经理部, 成都 610056；2. 重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331；3. 中国石油集团川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院, 四川德阳 618300；4. 重庆市安全生产科学研究院，重庆 401331)

0 前言

钻井作业是多工种、多工序连续和交叉的系统工程，是石油与天然气开发过程中不可或缺的一个环节[1]。钻井作业风险受诸多因素的影响，且各因素之间相互耦合，随着钻井作业的进行，钻井条件和地质条件越来越复杂[2-3]，事故发生的可能性和严重程度也随之增加。火灾是钻井作业现场最主要的风险隐患之一，施工过程一旦接触火源，将威胁施工人员及设备的安全，同时也会对地层结构造成破坏，从而导致环境污染[4]。因此，有必要对钻井作业中火灾的危险性进行分析，以确保钻井作业现场的安全[5]。

国内外学者在钻井作业风险评估方面已做了大量的研究，赵俊平对钻井作业中常见的风险进行了识别和评估，并构建了油气钻井工程项目风险评价模型[6]。王彦富等人采用贝叶斯网络，模拟了设备、人员和组织等多因素对火灾事故的耦合作用，得到不同场景火灾事故发生的概率及其关键因子的重要程度，为海洋钻井平台安全管理奠定了基础[7]。闫培娜利用Bowtie模型分析了事故发生的根本原因，并预测了事故可能产生的后果，构建了结构方程模型[8]。王强等人利用FDS软件建立了人员疏散的数值模型，模拟了火灾发生后人员疏散的路径及时间[9]。

现有的研究对钻井作业火灾风险评估时的影响因素考虑不全面。本次研究以历史静态数据资料为背景，将油气钻井作业划分为13个工艺流程[10-11]。采用模糊层次分析法对整个钻井作业进行火灾动态风险评估[12]，对钻井作业过程中可能出现的火灾隐患进行了全面分析，建立了较为系统的钻井作业火灾动态风险评估指标体系，确定了各指标动态的影响因素，并对指标体系和对应动态影响因素进行了量化。

1 火灾风险评价指标体系的建立

钻井作业火灾动态风险评估指标包括定性评估指标和定量评估指标，即静态评估指标和动态评估指标。将钻井作业划分为钻机搬家安装，一开钻进，下表层套管，固井、侯凝，安装封井器、试压，二开钻进(含中途起下钻)，测井，通井、下套管，固井、侯凝、钻水泥塞，三开钻进(含中途起下钻)，坐挂完井，钻机平移，放井架、拆甩设备等13个工艺流程。以火灾事故发生的可能性和火灾后果的严重程度展开研究，从“人、机、环、管、技”等5个层面对钻井作业火灾风险进行讨论，全面分析了钻井作业过程中各工艺段可能引发火灾风险的因子，并确定了评价指标。

本次研究运用模糊层次分析法(Fuzzy-AHP)和专家打分法对各指标体系的权重进行了确定，分析了各影响因素间的耦合性，最终确定了各因素的权重值，进而构建了可量化的钻井作业火灾动态风险评价指标体系。其中，二开钻进的火灾风险动态评估指标体系如图1所示。本次研究采用专家评判法来确定各指标动态影响因素的量化值。

图1 二开钻进的火灾风险动态评估指标体系

2 火灾风险评估模型的构建

在指标层级较多时，层次分析法难以保证一致性，本次研究将模糊数学法和层次分析法的优势相结合，采用Fuzzy-AHP来计算评估指标的权重，对钻井作业火灾风险影响因子进行组合赋权，以提高决策的可靠性。

2.1 评估指标权重的确定

将钻井火灾系统划分为目标层、准则层、子准则层、动态因素层，根据各因素的重要程度建立模糊一致的判断矩阵。若2个因素的权重相当，采用模糊判断虽不能确定其准确值，但可将值确定在1～U内，并且可知其最大值为m。由此可计算出模糊判断矩阵的最大特征值及各指标体系的相对权重。具体步骤如下：

(1) 构建判断矩阵。通过对10名专家调查问卷填写结果的处理、分析，得到各评价指标重要性的排序，构建影响评价指标的判断矩阵。本次研究所采用的风险矩阵取值区间为1-5，判断矩阵标度及其含义如表1所示。通过Matlab软件对各层的权重值进行计算。

表1 判断矩阵标度及其含义

对于目标层A，由n个元素之间相对重要性比较得到判断矩阵A：

A=(aij)n×n

(1)

判断矩阵A也可记为：

(2)

由式(2)得到判断矩阵A的最大特征向量，归一化处理后，得到各评价指标的权重。

(2) 计算评价指标的相对权重。根据判断矩阵A可求出相对权重向量、最大特征根和各评价指标权重。

(3) 一致性检验。为确保各评价指标结果的有效性，需对判定结果进行一致性检验。当CR<0.1时，表示满足一致性检验；当CR≥0.1时，表示各专家打分不合理，需对该组数据进行校正，直到所构建的模糊判断矩阵CR<0.1。CR的计算如式(3)所示：

(3)

CI为一致性指标，其计算如式(4)所示：

(4)

式中：CR为随机一致性比率；RI为平均随机一致性指标，其参考值如表2所示；λmax为判断矩阵A的最大特征根。

表2 RI值参考表

2.2 火灾风险评价模型

钻井作业火灾风险评价模型如式(5)、式(6)所示：

Y=Y1×Y2

(5)

(6)

(7)

2.3 钻井作业风险分级

将钻井作业火灾发生可能性和后果严重度分别划分为5个等级，将风险分为重大、较大、一般、低风险等4个等级，对钻井作业火灾风险进行评价，风险矩阵如表3所示。

表3 火灾风险矩阵

3 案例分析与应用

为验证基于Fuzzy-AHP火灾风险动态评估模型的准确性、实用性和可靠性。本次研究选取川南页岩气M钻井平台作为评估对象，该井场位于四川省内江市威远县，平台共布置 8口水平井，垂直井深约为3 000 m，水平井段约为1 800 m。针对该井场的实际情况，运用设计的火灾风险评估指标体系和火灾风险评估模型，对钻井作业的火灾风险进行评估。

现场调研收集M钻井平台的资料，根据火灾风险评估指标体系及分层方法对M钻井平台进行分层，结合10位专家填写的问卷调查，通过Matlab软件计算得到A1指标的权重单排序，计算结果为CI=0.010 3，CR=0.011 5，判断矩阵A1的最大特征向量λmax=4.030 9，RI=0.895 6。CR<0.1，满足一致性检验要求，判断矩阵B及评估指标权重计算结果如表4所示。