基于Fuzzy-AHP的鉆井作業(yè)火災風險動態(tài)評估

唐 偉 王文和 金雪梅 周麗莎 李 婧 劉子睿 牟 丹

(1. 中國石油集團川慶鉆探工程公司頁巖氣項目經(jīng)理部, 成都 610056；2. 重慶科技學院 安全工程學院， 重慶 401331；3. 中國石油集團川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質量監(jiān)督檢測研究院, 四川 德陽 618300；4. 重慶市安全生產(chǎn)科學研究院， 重慶 401331)

0 前 言

鉆井作業(yè)是多工種、多工序連續(xù)和交叉的系統(tǒng)工程，是石油與天然氣開發(fā)過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)[1]。鉆井作業(yè)風險受諸多因素的影響，且各因素之間相互耦合，隨著鉆井作業(yè)的進行，鉆井條件和地質條件越來越復雜[2-3]，事故發(fā)生的可能性和嚴重程度也隨之增加。火災是鉆井作業(yè)現(xiàn)場最主要的風險隱患之一，施工過程一旦接觸火源，將威脅施工人員及設備的安全，同時也會對地層結構造成破壞，從而導致環(huán)境污染[4]。因此，有必要對鉆井作業(yè)中火災的危險性進行分析，以確保鉆井作業(yè)現(xiàn)場的安全[5]。

國內(nèi)外學者在鉆井作業(yè)風險評估方面已做了大量的研究，趙俊平對鉆井作業(yè)中常見的風險進行了識別和評估，并構建了油氣鉆井工程項目風險評價模型[6]。王彥富等人采用貝葉斯網(wǎng)絡，模擬了設備、人員和組織等多因素對火災事故的耦合作用，得到不同場景火災事故發(fā)生的概率及其關鍵因子的重要程度，為海洋鉆井平臺安全管理奠定了基礎[7]。閆培娜利用Bowtie模型分析了事故發(fā)生的根本原因，并預測了事故可能產(chǎn)生的后果，構建了結構方程模型[8]。王強等人利用FDS軟件建立了人員疏散的數(shù)值模型，模擬了火災發(fā)生后人員疏散的路徑及時間[9]。

現(xiàn)有的研究對鉆井作業(yè)火災風險評估時的影響因素考慮不全面。本次研究以歷史靜態(tài)數(shù)據(jù)資料為背景，將油氣鉆井作業(yè)劃分為13個工藝流程[10-11]。采用模糊層次分析法對整個鉆井作業(yè)進行火災動態(tài)風險評估[12]，對鉆井作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的火災隱患進行了全面分析，建立了較為系統(tǒng)的鉆井作業(yè)火災動態(tài)風險評估指標體系，確定了各指標動態(tài)的影響因素，并對指標體系和對應動態(tài)影響因素進行了量化。

1 火災風險評價指標體系的建立

鉆井作業(yè)火災動態(tài)風險評估指標包括定性評估指標和定量評估指標，即靜態(tài)評估指標和動態(tài)評估指標。將鉆井作業(yè)劃分為鉆機搬家安裝，一開鉆進，下表層套管，固井、侯凝，安裝封井器、試壓，二開鉆進(含中途起下鉆)，測井，通井、下套管，固井、侯凝、鉆水泥塞，三開鉆進(含中途起下鉆)，坐掛完井，鉆機平移，放井架、拆甩設備等13個工藝流程。以火災事故發(fā)生的可能性和火災后果的嚴重程度展開研究，從“人、機、環(huán)、管、技”等5個層面對鉆井作業(yè)火災風險進行討論，全面分析了鉆井作業(yè)過程中各工藝段可能引發(fā)火災風險的因子，并確定了評價指標。

本次研究運用模糊層次分析法(Fuzzy-AHP)和專家打分法對各指標體系的權重進行了確定，分析了各影響因素間的耦合性，最終確定了各因素的權重值，進而構建了可量化的鉆井作業(yè)火災動態(tài)風險評價指標體系。其中，二開鉆進的火災風險動態(tài)評估指標體系如圖1所示。本次研究采用專家評判法來確定各指標動態(tài)影響因素的量化值。

圖1 二開鉆進的火災風險動態(tài)評估指標體系

2 火災風險評估模型的構建

在指標層級較多時，層次分析法難以保證一致性，本次研究將模糊數(shù)學法和層次分析法的優(yōu)勢相結合，采用Fuzzy-AHP來計算評估指標的權重，對鉆井作業(yè)火災風險影響因子進行組合賦權，以提高決策的可靠性。

2.1 評估指標權重的確定

將鉆井火災系統(tǒng)劃分為目標層、準則層、子準則層、動態(tài)因素層，根據(jù)各因素的重要程度建立模糊一致的判斷矩陣。若2個因素的權重相當，采用模糊判斷雖不能確定其準確值，但可將值確定在1～U內(nèi)，并且可知其最大值為m。由此可計算出模糊判斷矩陣的最大特征值及各指標體系的相對權重。具體步驟如下：

(1) 構建判斷矩陣。通過對10名專家調(diào)查問卷填寫結果的處理、分析，得到各評價指標重要性的排序，構建影響評價指標的判斷矩陣。本次研究所采用的風險矩陣取值區(qū)間為1-5，判斷矩陣標度及其含義如表1所示。通過Matlab軟件對各層的權重值進行計算。

表1 判斷矩陣標度及其含義

對于目標層A，由n個元素之間相對重要性比較得到判斷矩陣A：

A=(aij)n×n

(1)

判斷矩陣A也可記為：

(2)

由式(2)得到判斷矩陣A的最大特征向量，歸一化處理后，得到各評價指標的權重。

(2) 計算評價指標的相對權重。根據(jù)判斷矩陣A可求出相對權重向量、最大特征根和各評價指標權重。

(3) 一致性檢驗。為確保各評價指標結果的有效性，需對判定結果進行一致性檢驗。當CR<0.1時，表示滿足一致性檢驗；當CR≥0.1時，表示各專家打分不合理，需對該組數(shù)據(jù)進行校正，直到所構建的模糊判斷矩陣CR<0.1。CR的計算如式(3)所示：

(3)

CI為一致性指標，其計算如式(4)所示：

(4)

式中：CR為隨機一致性比率；RI為平均隨機一致性指標，其參考值如表2所示；λmax為判斷矩陣A的最大特征根。

表2 RI值參考表

2.2 火災風險評價模型

鉆井作業(yè)火災風險評價模型如式(5)、式(6)所示：

Y=Y1×Y2

(5)

(6)

(7)

2.3 鉆井作業(yè)風險分級

將鉆井作業(yè)火災發(fā)生可能性和后果嚴重度分別劃分為5個等級，將風險分為重大、較大、一般、低風險等4個等級，對鉆井作業(yè)火災風險進行評價，風險矩陣如表3所示。

表3 火災風險矩陣

3 案例分析與應用

為驗證基于Fuzzy-AHP火災風險動態(tài)評估模型的準確性、實用性和可靠性。本次研究選取川南頁巖氣M鉆井平臺作為評估對象，該井場位于四川省內(nèi)江市威遠縣，平臺共布置 8口水平井，垂直井深約為3 000 m，水平井段約為1 800 m。針對該井場的實際情況，運用設計的火災風險評估指標體系和火災風險評估模型，對鉆井作業(yè)的火災風險進行評估。

現(xiàn)場調(diào)研收集M鉆井平臺的資料，根據(jù)火災風險評估指標體系及分層方法對M鉆井平臺進行分層，結合10位專家填寫的問卷調(diào)查，通過Matlab軟件計算得到A1指標的權重單排序，計算結果為CI=0.010 3，CR=0.011 5，判斷矩陣A1的最大特征向量λmax=4.030 9，RI=0.895 6。CR<0.1，滿足一致性檢驗要求，判斷矩陣B及評估指標權重計算結果如表4所示。

表4 判斷矩陣及評估指標權重計算結果

火災事故發(fā)生可能性評價指標(A1)的4個一級指標對應9個二級指標，火災事故后果嚴重度指標(A2)的3個一級指標對應8個二級指標9個三級指標，按照本次設計的計算方法，最終得到M鉆井平臺火災風險評估各指標權重，具體結果如表5所示。

表5 M鉆井平臺火災風險評估各指標權重

10位專家對M鉆井平臺現(xiàn)場情況的打分情況如表6所示。根據(jù)指標相對權重和評價指標的量化結果，得到火災可能性指標和后果嚴重度指標體系的風險矩陣，經(jīng)過計算得到Y1=2.446，Y2=1.559，最終得到M鉆井作業(yè)火災風險綜合值Y=4(取整)，即M鉆井平臺在鉆井作業(yè)中的火災風險等級為4級，屬于低風險。

表6 M鉆井平臺專家打分平均值

4 結 語

本次研究全面分析了鉆井作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的火災危險隱患，根據(jù)鉆井作業(yè)過程中不同工藝段的火災發(fā)生可能性及后果嚴重度為出發(fā)點，建立了較為系統(tǒng)的鉆井作業(yè)火災風險動態(tài)評估指標體系。

采用Fuzzy-AHP和專家打分法相結合的方法對評價指標進行量化。建立了風險矩陣法和Fuzzy-AHP相結合的鉆井作業(yè)火災風險動態(tài)評估實用模型。