油氣田井噴事故致因的ISM模型分析

肖國清，馮明洋，肖仁杰

西南石油大學化學與化工學院油氣消防四川省重點實驗室(四川成都610500)

油氣田井噴事故致因的ISM模型分析

肖國清，馮明洋，肖仁杰

西南石油大學化學與化工學院油氣消防四川省重點實驗室(四川成都610500)

在石油天然氣開采現(xiàn)場，井噴事故并不少見。井噴事故是災難性事故，特別是在三高氣田，井噴事故可能造成嚴重的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。首次運用ISM理論分析近些年國內外發(fā)生的油氣田井噴事故，研究結果表明，井噴事故致因因素可歸納成4個層面的16個因素，且其存在內在關系。建立井噴事故致因因素的6層多級遞階解釋結構模型，可清晰地揭示井噴事故發(fā)生的表層原因、中間層原因以及深層次原因，為井噴事故的防治工作起到指導作用。

油氣田井噴事故;事故致因;解釋模型

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油和天然氣的需求量與開采量不斷增加。而在關注產(chǎn)量的同時，鉆采過程中的安全問題也越來越受重視。鉆井是一項多學科、多工種、技術復雜的地下基建工程，油氣田鉆采現(xiàn)場的實際資料顯示，在鉆井過程的各個階段以及正常的采油過程中都可能出現(xiàn)油或氣噴出地面或流入井內其他地層導致井噴事故的發(fā)生。井噴事故是多種綜合性因素共同作用引發(fā)的結果[1-5]。筆者運用解釋結構模型理論來分析油氣田井噴事故的引發(fā)因素及其內在聯(lián)系，建立井噴事故致因因素解釋結構模型，研究得出了事故發(fā)生的多層次原因，這對于預防和控制油氣田井噴事故的發(fā)生有著重要意義。

1 ISM模型方法介紹

1.1 ISM簡介

解釋結構模型(Interpretative Structural Modeling簡稱ISM)是美國J.華費爾教授于1973年作為分析復雜社會經(jīng)濟系統(tǒng)有關問題的一種方法而開發(fā)的。該模型的特點是把復雜的系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)(要素)，利用實踐經(jīng)驗和知識以及電子計算機，將這些子系統(tǒng)(要素)之間零亂、復雜的關系(包括單向和雙向的因果關系、大小關系、相關關系、排斥關系、從屬關系等)構成一個清晰的多級遞階系統(tǒng)[6]。

當構成系統(tǒng)的各要素之間存在著相互關聯(lián)或制約的邏輯關系時，運用ISM模型將這些關系可分為直接關系和間接關系，分別構建系統(tǒng)要素的鄰接矩陣和可達矩陣，就能反映要素之間關系，研究系統(tǒng)要素的內在關系與系統(tǒng)結構。

1.2 ISM模型實施步驟

實施ISM模型的基本步驟如下[7]：

第1步：設定問題S0，通過資料數(shù)據(jù)的分析與實地調研，總結歸納出項目的影響因素集，選擇構成系統(tǒng)的要素S1，S2，…，Sn，記系統(tǒng)要素集為S。

第2步：建立要素間的關系，并根據(jù)這些關系構建鄰接矩陣與可達矩陣。其中涉及的主要概念如下：

1)鄰接矩陣(T)，即描述各個影響因素之間的兩兩關系的矩陣。通過討論要素集S中任意2個要素Si和Sj的關系來建立n階關系矩陣T。

2)可達矩陣R，是指用矩陣形式來描述有向連接圖節(jié)點間經(jīng)一定長度的通路后可以到達的程度。利用現(xiàn)有的鄰接矩陣T加上單位矩陣，運用布爾代數(shù)運算經(jīng)過至多次(n-1)次運算，如果滿足(T+1)n=(T+ 1)n+1，則得到可達矩陣R=(T+1)n。將可達矩陣R第Si行中所有元素為1的列對應的要素組成的集合定義為要素Si的可達集R(Si)。

3)前因集P(Si)，將可達矩陣R第Si列中所有元素為1的行對應的要素組成的集合定義為要素Si的前因集，也稱為先行集。

4)最高要素集合，是指沒有比它更高級別的要素可以達到，即一個多級遞階結構的最高級要素集合。其他可達集R(Si)中只包含其本身的要素，而前因集中，除包含要素R(Si)本身之外，還包括下一級可達要素。最高要素集可表示為：

第3步：分解可達矩陣，建立結構模型。

得到可達矩陣后，建立結構模型的關鍵是進行級間劃分。級間劃分是以可達矩陣為準則對系統(tǒng)中所有要素進行層次劃分。進行級間劃分時首先根據(jù)最高集合的定義來確定出多級結構的最高級要素，將其從可達矩陣中劃去對應的行和列。然后從剩下的可達矩陣中尋找新的最高級要素。依此類推，最終找出各級包含的最高級要素集合。各個最高級要素集合構成一個小系統(tǒng)，用Lk表示，其中L1，L2，…，Lk表示從上到下的級次，有k個級次的系統(tǒng)，級間劃分Ln可表示為：

第4步：根據(jù)結構模型，建立解釋結構模型，并可根據(jù)模型提出相應的建議措施。

2 油氣田井噴事故的ISM模型分析

2.1 井噴事故影響因素分析

井噴事故的致因是很復雜的，分析油氣田鉆采現(xiàn)場的資料可以看出，井噴可能發(fā)生在鉆進過程、起下鉆過程、測井過程、完井過程、試油過程、射孔作業(yè)、酸化作業(yè)、測試過程、修井過程及正常的采油過程等各個階段[8]。井噴事故的影響因素眾多，有直接因素，也有間接因素。統(tǒng)計分析近10年國內外油氣田發(fā)生的井噴事故案例，將油氣田井噴事故致因分為4類：個體因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素。

油氣田井噴事故很多時候不是由單一原因引起的，而是多種因素共同作用的結果。將統(tǒng)計歸納出的16個井噴事故致因因素從4個方面進行分類[9-11]，見表1。

2.2 建立鄰接矩陣

依據(jù)ISM方法，分析上面建立的油氣田井噴事故致因因素集中各要素的直接關系，可建立鄰接矩陣T：

2.3 建立可達矩陣

運用Matlab軟件，根據(jù)鄰接矩陣T即可求出可達矩陣R：

2.4 對可達矩陣進行級間劃分

根據(jù)可達矩陣R可以得到各個要素的可達集R(Si)、前因集P(Si)以及R(Si)∩P(Si)，見表2。

根據(jù)一級因素劃分數(shù)據(jù)表，由最高級要素的定義可以得到一級的最高級要素集H1={S17}，則系統(tǒng)的L1={S17}。然后在可達矩陣中劃去L1中要素對應的行與列即得到新的可達矩陣，由新的可達矩陣可以得到二級因素劃分數(shù)據(jù)表，見表3。

根據(jù)二級因素劃分數(shù)據(jù)表，得到二級的最高級要素H2={S5，S6，S7，S8，S9，S16}，則系統(tǒng)的L2={S5，S6，S7，S8，S9，S16}。

按照同樣的方法，可依次得出L3={S4，S10，S11，S15}、L4={S3，S12}、L5={S1，S2}、L6={S13，S14}。

2.5 ISM模型的建立

根據(jù)級間順序排列的可達矩陣建立油氣田井噴事故的解釋結構模型，如圖1所示。

2.6 結構模型分析

由圖1可以看出，油氣田井噴事故致因因素體系是一個具有6層遞階結構的綜合系統(tǒng)。根據(jù)該解釋結構模型可將井噴事故致因因素分為3個層次，即表層直接因素(防噴器失效S5、鉆井液密度過低S6、鉆井液漏失S7、節(jié)流和壓井管匯失效S8、套管失效S9、應急機制S16)、中間層間接因素(三違行為S4、地層構造S10、地層壓力S11、井身結構設計S15、操作失誤S3、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)S12)、深層根本原因(心理、生理因素S1、安全意識S2、管理機制S13、安全執(zhí)行力S14)。

1)根據(jù)結構模型顯示，井噴事故的表層直接原因主要是設備失效、工作流體異常等物的原因，如防噴器失效。在鉆井作業(yè)中，防噴器是控制井口壓力的核心設備，一旦發(fā)生溢流、井涌、井噴等危險情況時，防噴器的作用就是迅速完成關井動作。防噴器失效會直接導致發(fā)生井噴時防噴器無法封住井口，井內流體因壓力失去控制而大量噴出井眼，同時由于無法進行壓井操作，往往使得井噴更加嚴重，特別是在“三高”氣田，有毒氣體的大量泄漏可能造成嚴重的后果，因此防噴器失效直接造成井噴事故風險大大增加。除了重要設備、工作流體的原因外，由該模型可以看出，應急機制也是油氣田井噴事故發(fā)生直接原因之一。應急機制是發(fā)生緊急情況時，采取的一系列應急措施的安排和制度，一般包括預防機制、預警機制、反應機制、控制機制、恢復機制等。當井噴發(fā)生時，如果應急處理及時得當，就不會造成人員傷亡與財產(chǎn)損失;但如果應急機制實施不當，井噴發(fā)生時就可能直接導致井噴失控，引發(fā)井噴事故，造成嚴重后果。

2)中間層因素將間接增加井噴事故的風險。如“三違”行為，即違章指揮、違章操作和違反勞動紀律。在油氣作業(yè)現(xiàn)場，“三違”行為可能會造成防噴器、節(jié)流和壓井管匯等設備的失效，從而引發(fā)井噴事故。此外地層結構、地層壓力、井身結構設計、操作失誤和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等也是誘發(fā)井噴事故的間接因素，即可能會間接造成井噴事故的發(fā)生。因此，要控制好井噴事故，中間層間接因素也不能忽視。

3)在油氣鉆采現(xiàn)場，人是整個系統(tǒng)中最關鍵的一環(huán)，人的安全意識以及心理、生理因素在井噴事故致因因素的系統(tǒng)中占有重要的位置。它們都是影響井噴事故的深層次根本原因。除此之外，管理機制和安全執(zhí)行力也是影響油氣田井噴事故發(fā)生與惡化的本質原因。這些深層次根本因素位于解釋結構模型的底層，對事故的發(fā)生有著基礎且深遠的影響。完善油氣鉆采作業(yè)現(xiàn)場安全管理體制，加強監(jiān)督管理力度，提升企業(yè)安全執(zhí)行力，同時加強作業(yè)人員的安全教育、提高安全意識，才是預防和控制油氣田井噴事故發(fā)生的根本對策。

3 事故實例分析

2003年12月23日，重慶東北角的開縣，由中石油四川石油管理局川東鉆探公司承鉆的位于開縣境內的“羅家16號”井在起鉆過程中發(fā)生天然氣井噴事故，引發(fā)了一場特大井噴事故，從井內噴出大量的含有高濃度硫化氫的天然氣，高于正常值6 000倍的硫化氫氣體向周圍的村莊、集鎮(zhèn)迅速擴散。事故最終造成重大損失。

這是一次傷亡人數(shù)眾多、損失慘重的事故，導致開縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境遭到破壞，人民群眾的生命財產(chǎn)遭受了巨大損失。根據(jù)該事故發(fā)生的詳細過程，引發(fā)這次事故可能的因素有：①鉆井液灌注不達標;②回壓閥空缺;③技術人員違規(guī)操作;④監(jiān)管人員未及時發(fā)現(xiàn)違章;⑤監(jiān)管人員發(fā)現(xiàn)后未立即糾正;⑥技術人員對危險明知故犯;⑦更換測斜儀方案的錯誤制定;⑧放任有關人員違規(guī);⑨防噴器組不合規(guī)范(未安裝剪切閘板防噴器);⑩未及時發(fā)現(xiàn)溢流征兆;11○未嚴格執(zhí)行有關制度和規(guī)范;12○缺乏有效的預警機制;13○應急預案和安全措施未有效落實;14○地質構造特殊性(超高含硫);15○監(jiān)管機制不完善;16○有關人員對氣井特高產(chǎn)氣量估計不足。

這些事故致因因素相對凌亂、復雜，現(xiàn)針對這一起典型的井噴事故，按照上文的實施步驟建立ISM模型，結果如圖2所示，其中17○表示開縣12.23井噴事故。

從ISM模型中可以看出，該起井噴事故的致因因素可以分為表層直接原因(①鉆井液灌注不達標;②回壓閥空缺;⑨防噴器組不合規(guī)范;⑩未及時發(fā)現(xiàn)溢流征兆;13○應急預案和安全措施未有效落實)，中間層間接原因(③技術人員違章操作;⑦更換測斜儀方案的錯誤制定;⑧放任有關人員違規(guī);14○地質構造特殊性;④監(jiān)管人員未及時發(fā)現(xiàn)違章;⑤監(jiān)管人員發(fā)現(xiàn)后未立即糾正;11○未嚴格執(zhí)行有關制度和規(guī)范)，深層根本原因(⑥技術人員對危險明知故犯;12○缺乏有效的預警機制;15○監(jiān)管機制不完善;16○有關人員對氣井特高產(chǎn)氣量估計不足)。雖然每一起事故都有它自身的特點，但針對開縣12.23井噴事故得到的多級解釋結構模型與筆者提出的油氣田井噴事故的ISM一般模型相比：防噴器、鉆井液、應急機制等問題都是引發(fā)事故的直接原因;違章、地質構造、監(jiān)測監(jiān)控等方面的問題是間接原因;而對危險明知故犯和對氣井產(chǎn)量估計不足對應的正是安全意識和認識上的問題，并且監(jiān)督管理機制也都是引發(fā)事故的根本因素。通過對比可以看出，針對具體某一井噴事故的分析結果與筆者提出的油氣田井噴事故ISM總體上相一致。

開縣12.23井噴事故的有關事故調查報告顯示：鉆具組合沒有裝回壓閥、鉆井液灌注不符合規(guī)定等因素是導致事故的直接原因;作業(yè)現(xiàn)場管理不嚴、現(xiàn)場技術人員對有關制度和操作規(guī)程的無視、監(jiān)管人員失責等因素是導致事故的間接原因。而事故背后暴露的安全教育不到位、監(jiān)督管理體制不完善、安全責任不落實等因素是導致事故發(fā)生的更深層次的原因?；贗SM的分析結果與事故調查結果相吻合，這也驗證了該模型對井噴事故致因分析的正確性，并且可以看出基于該模型得到的事故致因因素分析結果更全面、層次更清晰。

4 結論

運用系統(tǒng)工程的ISM方法對影響油氣田井噴事故發(fā)生的因素進行研究，建立了井噴事故的解釋結構模型，得到了一個層次清楚、脈絡清晰的6層多級遞階系統(tǒng)，明確了導致油氣田井噴事故發(fā)生的表層直接原因、中間層間接原因以及深層根本原因，并通過一個具體井噴事故例子進行了分析驗證。通過對建立的模型進行細致分析，全面掌握井噴事故的致因因素及各因素間的關系，并找到引發(fā)井噴事故的根本致因因素是安全意識、管理機制、心理和生理因素等，這對預防和控制油氣田井噴事故的發(fā)生具有指導意義，同時也為管理者制定風險框架提供了參考。

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In the oil and gas exploitation fields，blowout accident is not uncommon.Blowout is catastrophic accidents，especially in“three-high”gasfields，blowout accident may cause serious casualties and huge property losses.The blowout accidents of oil and gas fields in recent years are analyzed using ISM theory.The results show that the causes of the blowout accident can be summarized into 16 in 4 aspects，and there are some inherent relationships among them.A 6-layer multilevel blowout accident cause interpretation model is established，it can clearly reveal the surface causes，middle layer causes and deep-seated causes of a blowout accident，and it plays a guiding role for the prevention and treatment of blowout accidents.

oil/gas field blowout accident;accident cause;interpretation model

王梅

2015-04-14

國家自然科學基金“三高氣田井噴致災機理研究”(編號：51474187)

肖國清(1968-)，男，教授，博士生導師，主要從事油氣安全方面研究。