基于Fuzzy-AHP的钻井作业火灾风险动态评估

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。

表4 判断矩阵及评估指标权重计算结果

火灾事故发生可能性评价指标(A1)的4个一级指标对应9个二级指标，火灾事故后果严重度指标(A2)的3个一级指标对应8个二级指标9个三级指标，按照本次设计的计算方法，最终得到M钻井平台火灾风险评估各指标权重，具体结果如表5所示。

表5 M钻井平台火灾风险评估各指标权重

10位专家对M钻井平台现场情况的打分情况如表6所示。根据指标相对权重和评价指标的量化结果，得到火灾可能性指标和后果严重度指标体系的风险矩阵，经过计算得到Y1=2.446，Y2=1.559，最终得到M钻井作业火灾风险综合值Y=4(取整)，即M钻井平台在钻井作业中的火灾风险等级为4级，属于低风险。

表6 M钻井平台专家打分平均值

4 结 语

本次研究全面分析了钻井作业过程中可能出现的火灾危险隐患，根据钻井作业过程中不同工艺段的火灾发生可能性及后果严重度为出发点，建立了较为系统的钻井作业火灾风险动态评估指标体系。

采用Fuzzy-AHP和专家打分法相结合的方法对评价指标进行量化。建立了风险矩阵法和Fuzzy-AHP相结合的钻井作业火灾风险动态评估实用模型。