油气田井喷事故致因的ISM模型分析

肖国清，冯明洋，肖仁杰

西南石油大学化学与化工学院油气消防四川省重点实验室(四川成都610500)

油气田井喷事故致因的ISM模型分析

肖国清，冯明洋，肖仁杰

西南石油大学化学与化工学院油气消防四川省重点实验室(四川成都610500)

在石油天然气开采现场，井喷事故并不少见。井喷事故是灾难性事故，特别是在三高气田，井喷事故可能造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。首次运用ISM理论分析近些年国内外发生的油气田井喷事故，研究结果表明，井喷事故致因因素可归纳成4个层面的16个因素，且其存在内在关系。建立井喷事故致因因素的6层多级递阶解释结构模型，可清晰地揭示井喷事故发生的表层原因、中间层原因以及深层次原因，为井喷事故的防治工作起到指导作用。

油气田井喷事故;事故致因;解释模型

随着经济的快速发展，石油和天然气的需求量与开采量不断增加。而在关注产量的同时，钻采过程中的安全问题也越来越受重视。钻井是一项多学科、多工种、技术复杂的地下基建工程，油气田钻采现场的实际资料显示，在钻井过程的各个阶段以及正常的采油过程中都可能出现油或气喷出地面或流入井内其他地层导致井喷事故的发生。井喷事故是多种综合性因素共同作用引发的结果[1-5]。笔者运用解释结构模型理论来分析油气田井喷事故的引发因素及其内在联系，建立井喷事故致因因素解释结构模型，研究得出了事故发生的多层次原因，这对于预防和控制油气田井喷事故的发生有着重要意义。

1 ISM模型方法介绍

1.1 ISM简介

解释结构模型(Interpretative Structural Modeling简称ISM)是美国J.华费尔教授于1973年作为分析复杂社会经济系统有关问题的一种方法而开发的。该模型的特点是把复杂的系统分解为若干子系统(要素)，利用实践经验和知识以及电子计算机，将这些子系统(要素)之间零乱、复杂的关系(包括单向和双向的因果关系、大小关系、相关关系、排斥关系、从属关系等)构成一个清晰的多级递阶系统[6]。

当构成系统的各要素之间存在着相互关联或制约的逻辑关系时，运用ISM模型将这些关系可分为直接关系和间接关系，分别构建系统要素的邻接矩阵和可达矩阵，就能反映要素之间关系，研究系统要素的内在关系与系统结构。

1.2 ISM模型实施步骤

实施ISM模型的基本步骤如下[7]：

第1步：设定问题S0，通过资料数据的分析与实地调研，总结归纳出项目的影响因素集，选择构成系统的要素S1，S2，…，Sn，记系统要素集为S。

第2步：建立要素间的关系，并根据这些关系构建邻接矩阵与可达矩阵。其中涉及的主要概念如下：

1)邻接矩阵(T)，即描述各个影响因素之间的两两关系的矩阵。通过讨论要素集S中任意2个要素Si和Sj的关系来建立n阶关系矩阵T。

2)可达矩阵R，是指用矩阵形式来描述有向连接图节点间经一定长度的通路后可以到达的程度。利用现有的邻接矩阵T加上单位矩阵，运用布尔代数运算经过至多次(n-1)次运算，如果满足(T+1)n=(T+ 1)n+1，则得到可达矩阵R=(T+1)n。将可达矩阵R第Si行中所有元素为1的列对应的要素组成的集合定义为要素Si的可达集R(Si)。

3)前因集P(Si)，将可达矩阵R第Si列中所有元素为1的行对应的要素组成的集合定义为要素Si的前因集，也称为先行集。

4)最高要素集合，是指没有比它更高级别的要素可以达到，即一个多级递阶结构的最高级要素集合。其他可达集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，还包括下一级可达要素。最高要素集可表示为：

第3步：分解可达矩阵，建立结构模型。

得到可达矩阵后，建立结构模型的关键是进行级间划分。级间划分是以可达矩阵为准则对系统中所有要素进行层次划分。进行级间划分时首先根据最高集合的定义来确定出多级结构的最高级要素，将其从可达矩阵中划去对应的行和列。然后从剩下的可达矩阵中寻找新的最高级要素。依此类推，最终找出各级包含的最高级要素集合。各个最高级要素集合构成一个小系统，用Lk表示，其中L1，L2，…，Lk表示从上到下的级次，有k个级次的系统，级间划分Ln可表示为：

第4步：根据结构模型，建立解释结构模型，并可根据模型提出相应的建议措施。

2 油气田井喷事故的ISM模型分析

2.1 井喷事故影响因素分析

井喷事故的致因是很复杂的，分析油气田钻采现场的资料可以看出，井喷可能发生在钻进过程、起下钻过程、测井过程、完井过程、试油过程、射孔作业、酸化作业、测试过程、修井过程及正常的采油过程等各个阶段[8]。井喷事故的影响因素众多，有直接因素，也有间接因素。统计分析近10年国内外油气田发生的井喷事故案例，将油气田井喷事故致因分为4类：个体因素、物的因素、环境因素和管理因素。

油气田井喷事故很多时候不是由单一原因引起的，而是多种因素共同作用的结果。将统计归纳出的16个井喷事故致因因素从4个方面进行分类[9-11]，见表1。

2.2 建立邻接矩阵

依据ISM方法，分析上面建立的油气田井喷事故致因因素集中各要素的直接关系，可建立邻接矩阵T：

2.3 建立可达矩阵

运用Matlab软件，根据邻接矩阵T即可求出可达矩阵R：

2.4 对可达矩阵进行级间划分

根据可达矩阵R可以得到各个要素的可达集R(Si)、前因集P(Si)以及R(Si)∩P(Si)，见表2。

根据一级因素划分数据表，由最高级要素的定义可以得到一级的最高级要素集H1={S17}，则系统的L1={S17}。然后在可达矩阵中划去L1中要素对应的行与列即得到新的可达矩阵，由新的可达矩阵可以得到二级因素划分数据表，见表3。

根据二级因素划分数据表，得到二级的最高级要素H2={S5，S6，S7，S8，S9，S16}，则系统的L2={S5，S6，S7，S8，S9，S16}。

按照同样的方法，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

根据级间顺序排列的可达矩阵建立油气田井喷事故的解释结构模型，如图1所示。

2.6 结构模型分析

由图1可以看出，油气田井喷事故致因因素体系是一个具有6层递阶结构的综合系统。根据该解释结构模型可将井喷事故致因因素分为3个层次，即表层直接因素(防喷器失效S5、钻井液密度过低S6、钻井液漏失S7、节流和压井管汇失效S8、套管失效S9、应急机制S16)、中间层间接因素(三违行为S4、地层构造S10、地层压力S11、井身结构设计S15、操作失误S3、监测监控系统S12)、深层根本原因(心理、生理因素S1、安全意识S2、管理机制S13、安全执行力S14)。

1)根据结构模型显示，井喷事故的表层直接原因主要是设备失效、工作流体异常等物的原因，如防喷器失效。在钻井作业中，防喷器是控制井口压力的核心设备，一旦发生溢流、井涌、井喷等危险情况时，防喷器的作用就是迅速完成关井动作。防喷器失效会直接导致发生井喷时防喷器无法封住井口，井内流体因压力失去控制而大量喷出井眼，同时由于无法进行压井操作，往往使得井喷更加严重，特别是在“三高”气田，有毒气体的大量泄漏可能造成严重的后果，因此防喷器失效直接造成井喷事故风险大大增加。除了重要设备、工作流体的原因外，由该模型可以看出，应急机制也是油气田井喷事故发生直接原因之一。应急机制是发生紧急情况时，采取的一系列应急措施的安排和制度，一般包括预防机制、预警机制、反应机制、控制机制、恢复机制等。当井喷发生时，如果应急处理及时得当，就不会造成人员伤亡与财产损失;但如果应急机制实施不当，井喷发生时就可能直接导致井喷失控，引发井喷事故，造成严重后果。

2)中间层因素将间接增加井喷事故的风险。如“三违”行为，即违章指挥、违章操作和违反劳动纪律。在油气作业现场，“三违”行为可能会造成防喷器、节流和压井管汇等设备的失效，从而引发井喷事故。此外地层结构、地层压力、井身结构设计、操作失误和监测监控系统等也是诱发井喷事故的间接因素，即可能会间接造成井喷事故的发生。因此，要控制好井喷事故，中间层间接因素也不能忽视。

3)在油气钻采现场，人是整个系统中最关键的一环，人的安全意识以及心理、生理因素在井喷事故致因因素的系统中占有重要的位置。它们都是影响井喷事故的深层次根本原因。除此之外，管理机制和安全执行力也是影响油气田井喷事故发生与恶化的本质原因。这些深层次根本因素位于解释结构模型的底层，对事故的发生有着基础且深远的影响。完善油气钻采作业现场安全管理体制，加强监督管理力度，提升企业安全执行力，同时加强作业人员的安全教育、提高安全意识，才是预防和控制油气田井喷事故发生的根本对策。

3 事故实例分析

2003年12月23日，重庆东北角的开县，由中石油四川石油管理局川东钻探公司承钻的位于开县境内的“罗家16号”井在起钻过程中发生天然气井喷事故，引发了一场特大井喷事故，从井内喷出大量的含有高浓度硫化氢的天然气，高于正常值6 000倍的硫化氢气体向周围的村庄、集镇迅速扩散。事故最终造成重大损失。

这是一次伤亡人数众多、损失惨重的事故，导致开县农业生产和生态环境遭到破坏，人民群众的生命财产遭受了巨大损失。根据该事故发生的详细过程，引发这次事故可能的因素有：①钻井液灌注不达标;②回压阀空缺;③技术人员违规操作;④监管人员未及时发现违章;⑤监管人员发现后未立即纠正;⑥技术人员对危险明知故犯;⑦更换测斜仪方案的错误制定;⑧放任有关人员违规;⑨防喷器组不合规范(未安装剪切闸板防喷器);⑩未及时发现溢流征兆;11○未严格执行有关制度和规范;12○缺乏有效的预警机制;13○应急预案和安全措施未有效落实;14○地质构造特殊性(超高含硫);15○监管机制不完善;16○有关人员对气井特高产气量估计不足。

这些事故致因因素相对凌乱、复杂，现针对这一起典型的井喷事故，按照上文的实施步骤建立ISM模型，结果如图2所示，其中17○表示开县12.23井喷事故。

从ISM模型中可以看出，该起井喷事故的致因因素可以分为表层直接原因(①钻井液灌注不达标;②回压阀空缺;⑨防喷器组不合规范;⑩未及时发现溢流征兆;13○应急预案和安全措施未有效落实)，中间层间接原因(③技术人员违章操作;⑦更换测斜仪方案的错误制定;⑧放任有关人员违规;14○地质构造特殊性;④监管人员未及时发现违章;⑤监管人员发现后未立即纠正;11○未严格执行有关制度和规范)，深层根本原因(⑥技术人员对危险明知故犯;12○缺乏有效的预警机制;15○监管机制不完善;16○有关人员对气井特高产气量估计不足)。虽然每一起事故都有它自身的特点，但针对开县12.23井喷事故得到的多级解释结构模型与笔者提出的油气田井喷事故的ISM一般模型相比：防喷器、钻井液、应急机制等问题都是引发事故的直接原因;违章、地质构造、监测监控等方面的问题是间接原因;而对危险明知故犯和对气井产量估计不足对应的正是安全意识和认识上的问题，并且监督管理机制也都是引发事故的根本因素。通过对比可以看出，针对具体某一井喷事故的分析结果与笔者提出的油气田井喷事故ISM总体上相一致。

开县12.23井喷事故的有关事故调查报告显示：钻具组合没有装回压阀、钻井液灌注不符合规定等因素是导致事故的直接原因;作业现场管理不严、现场技术人员对有关制度和操作规程的无视、监管人员失责等因素是导致事故的间接原因。而事故背后暴露的安全教育不到位、监督管理体制不完善、安全责任不落实等因素是导致事故发生的更深层次的原因。基于ISM的分析结果与事故调查结果相吻合，这也验证了该模型对井喷事故致因分析的正确性，并且可以看出基于该模型得到的事故致因因素分析结果更全面、层次更清晰。

4 结论

运用系统工程的ISM方法对影响油气田井喷事故发生的因素进行研究，建立了井喷事故的解释结构模型，得到了一个层次清楚、脉络清晰的6层多级递阶系统，明确了导致油气田井喷事故发生的表层直接原因、中间层间接原因以及深层根本原因，并通过一个具体井喷事故例子进行了分析验证。通过对建立的模型进行细致分析，全面掌握井喷事故的致因因素及各因素间的关系，并找到引发井喷事故的根本致因因素是安全意识、管理机制、心理和生理因素等，这对预防和控制油气田井喷事故的发生具有指导意义，同时也为管理者制定风险框架提供了参考。

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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

国家自然科学基金“三高气田井喷致灾机理研究”(编号：51474187)

肖国清(1968-)，男，教授，博士生导师，主要从事油气安全方面研究。