基于AHP法的高含硫氣田安全開發(fā)

楊遠(yuǎn)楊燁郭海新

（1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；2.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項(xiàng)目部；3.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司）

基于AHP法的高含硫氣田安全開發(fā)

楊遠(yuǎn)1楊燁2郭海新3

（1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；2.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項(xiàng)目部；3.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司）

為了研究高含硫氣田安全開發(fā)問題找出潛在風(fēng)險，并根據(jù)其先后性與重要性提出相應(yīng)風(fēng)險控制對策。采用對數(shù)據(jù)要求不高、通用性強(qiáng)且邏輯關(guān)系清楚的層次分析法為分析基礎(chǔ)，結(jié)合了高含硫氣田開發(fā)過程中各階段單元事故案例與發(fā)生概率。在“采集輸儲煉”綜合框架下系統(tǒng)性建模。研究表明：層次分析法可將模糊定性條例化，安全分析結(jié)論量化為科學(xué)權(quán)重，將問題進(jìn)行定性和定量分析，簡單靈活地解決高含硫氣田開發(fā)生產(chǎn)點(diǎn)多、面寬、線長的各領(lǐng)域交叉融合問題；安全分析中應(yīng)關(guān)注各領(lǐng)域的交叉，注重應(yīng)用數(shù)學(xué)建模方法及當(dāng)前掌握的事故數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析；高含硫氣田開發(fā)過程中，鉆井修井單元安全風(fēng)險最大，其中井噴破壞性最強(qiáng)，發(fā)生概率最高；管道單元安全風(fēng)險較小，其中氫脆泄漏與管道憋壓最易發(fā)生；集輸場站單元安全風(fēng)險最小，應(yīng)重點(diǎn)防范泄漏與憋壓。

高含硫氣田；安全開發(fā)；層次分析法；權(quán)重量化；預(yù)測

引言

天然氣開采是一個井下與地面，工藝與設(shè)備，生產(chǎn)與安全等多要素相結(jié)合的系統(tǒng)工程，需要“采集輸儲煉”連續(xù)運(yùn)行，保障生產(chǎn)[1]。其中高含硫氣田的開發(fā)安全風(fēng)險更大，酸性天然氣經(jīng)井口開采后需經(jīng)過儲存、輸送和初步加工處理，既具有井下管柱及地面工程生產(chǎn)點(diǎn)多、面寬、線長的傳統(tǒng)油氣田生產(chǎn)特點(diǎn)，又具有化工企業(yè)高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、設(shè)備設(shè)施集中、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)等生產(chǎn)特點(diǎn)[2]。

高含硫氣田安全開發(fā)技術(shù)國外起步較早，具有代表性的有加拿大Kaybob South氣田、法國Lacq氣田等。其主要成果為，針對天然氣高含硫情況的抗硫腐蝕材料研制、化學(xué)緩蝕劑運(yùn)用、脫硫工藝發(fā)展[3]。國內(nèi)高含硫氣田開采中以普光氣田、羅家寨氣田具有代表性。因井噴事故危害性巨大，所以國內(nèi)研究重點(diǎn)集中在鉆井修井環(huán)節(jié)的井控技術(shù)及其事故應(yīng)急處理措施上。但高含硫氣田開采涉及面廣，如復(fù)雜地層情況下的元素硫沉積地質(zhì)安全因素和在線腐蝕及安全監(jiān)測手段、儀器儀表配套設(shè)施研制都尚不健全。各氣田都是以自身需求為出發(fā)點(diǎn)優(yōu)先解決首要安全生產(chǎn)問題，所以行業(yè)發(fā)展不均衡，各技術(shù)發(fā)展先后性不明確[4]。針對此現(xiàn)狀收集整理近年來高含硫氣田開發(fā)典型事故案例并歸類統(tǒng)計(jì)發(fā)生概率。通過數(shù)學(xué)建模（AHP法）計(jì)算各自權(quán)重，全面分析高含硫氣田安全開發(fā)過程，提出危害先后性并提出相應(yīng)風(fēng)險控制對策。

1 高含硫氣田開發(fā)現(xiàn)狀

隨著市場供給的需要，常規(guī)天然氣藏資源日益減小。非常規(guī)領(lǐng)域低滲透氣藏、煤層氣、頁巖氣及其高安全風(fēng)險的酸性天然氣藏開發(fā)日益上升。其中酸性天然氣藏相對其他非常規(guī)氣藏儲量大、產(chǎn)量高、易開采。全球含CO2及H2S的高含硫氣田儲量達(dá)2600×1012ft3（1 ft3=28.317 dm3），占世界天然氣儲量的40%。我國依據(jù)自身特點(diǎn)制定出SY/6168—1995氣藏分類標(biāo)準(zhǔn)（表1），并探明高含H2S和中高含CO2氣藏潛在資源量超過20%，2010年產(chǎn)量達(dá)700×108m3。預(yù)計(jì)到2020年高含H2S/CO2天然氣產(chǎn)量達(dá)400×108m3，約占30%[5]。

表1 SY/6168—1995氣藏分類

我國酸性氣藏主要為深層高溫環(huán)境下的高含H2S氣藏，其地質(zhì)儲量占全國的25%，主要分布在四川盆地。當(dāng)前已成功開發(fā)威遠(yuǎn)、臥龍河、磨溪等中低含硫氣田，形成了一套安全開發(fā)技術(shù)（表2）。

2 事故統(tǒng)計(jì)及分析

高含硫氣田開發(fā)危險性大，風(fēng)險控制點(diǎn)多，安全事故頻發(fā)。需不斷總結(jié)安全經(jīng)驗(yàn)，分析誘發(fā)原因，研制相關(guān)防護(hù)設(shè)備，優(yōu)化施工工藝并完善安全預(yù)案。高含硫氣田開發(fā)面寬、線長涉及階段多[6]。在此，依據(jù)中國石油股份有限公司事故類型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（2002—2010年），簡要將開發(fā)過程分為鉆井修井、集輸場站、管道三個單元事故匯總并對典型事故案例進(jìn)行分析，并分別列出相應(yīng)事故發(fā)生概率，為下步數(shù)學(xué)建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)（表3）。

表2 中國典型高含硫氣田情況

表3 典型事故分析匯總

由表3可知，硫化氫中毒發(fā)生概率最高，其危害性最大。硫化氫為無色、劇毒、強(qiáng)酸性氣體，毒性為一氧化碳的6倍，與氰化物相當(dāng)。硫化氫的質(zhì)量濃度達(dá)150 mg/m3時就會致命，且相對密度比空氣大，液態(tài)硫化氫不易揮發(fā)。硫化氫燃點(diǎn)為250℃，燃燒時呈藍(lán)色火焰，產(chǎn)生有毒的二氧化硫，而腐蝕問題更是貫徹整個開發(fā)過程。硫化氫溶于水易形成弱酸，對鋼材有氫脆和化學(xué)腐蝕作用[7]，而氫脆問題最為突出，極易造成應(yīng)力斷裂。鉆井修井單元中會導(dǎo)致井下管柱的突然斷落、井口裝置破壞，甚至誘發(fā)井噴和著火事故；集輸場站及管道單元中會導(dǎo)致地面管線和設(shè)備、儀表損壞，所以防腐、防毒技術(shù)的發(fā)展尤為重要。

3 建模與分析

本建模選用對數(shù)據(jù)要求不高、通用性強(qiáng)且邏輯關(guān)系清楚的層次分析法（AHP法）進(jìn)行[8]。原理為：首先將復(fù)雜問題分類分解為各組成因素，然后再將其分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層，形成有支配關(guān)系的分組型層次結(jié)構(gòu)，建立清楚的邏輯關(guān)系；最后通過矩陣構(gòu)造，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷量化或有限數(shù)據(jù)量化的兩兩比較判斷。綜合判定各因素間相互影響關(guān)系，計(jì)算其在系統(tǒng)中的權(quán)重，最終確定各因素的相對重要性[9-10]。

圖1 高含硫氣田安全開發(fā)分析層次結(jié)構(gòu)模型

首先確定問題，構(gòu)建高含硫氣田安全開發(fā)分析物理模型，繪制最高層（目標(biāo)層）、中間層（準(zhǔn)則層）、最低層（方案層）層次結(jié)構(gòu)模型（圖1）；并根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)判斷兩兩比較打分，確定下層對上層的分?jǐn)?shù)。準(zhǔn)則層中的各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比重并不一定相同，在決策者的心目中，它們各占有一定的比例。引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來定義判斷矩陣A=（aij，然后層次合成計(jì)算，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

一致性指標(biāo)CI計(jì)算：

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

一致性比例CR計(jì)算：

當(dāng)CR＜0.10時，認(rèn)為通過了一次性檢驗(yàn)，否則應(yīng)作適當(dāng)修正；最后選用幾何平均法（方根法），計(jì)算權(quán)重向量W。

幾何平均法（方根法）表達(dá)式：

其中

計(jì)算步驟：

◇A的元素按行相乘得一新向量；

◇將新向量的每個分量開n次方；

◇將所得向量歸一化即為權(quán)重向量。

各判斷矩陣對比及其權(quán)重計(jì)算結(jié)果如下（表4～表12）：

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

表11

表12

以上各表一致性檢測均通過。將不同方案各準(zhǔn)則要素的權(quán)重矩陣（表4）Wi與各準(zhǔn)則要素的相對權(quán)重矩陣（表5～表12）Wi相乘，得到各方案層要素權(quán)重并排序（表13）。經(jīng)計(jì)算還能得到中間層要素權(quán)重并排序（表14、表15）。

表13 方案層權(quán)重排序

表14 中間層權(quán)重排序

表15 中間層權(quán)重排序

經(jīng)以上模擬分析，在高含硫氣田開發(fā)過程中，鉆井修井單元安全風(fēng)險最大，其中井噴破壞性最強(qiáng)，發(fā)生概率最高；管道單元安全風(fēng)險較小，其中氫脆泄漏與管道憋壓最易發(fā)生；集輸場站單元相對于其他單元來說安全風(fēng)險較小，應(yīng)重點(diǎn)防范泄漏與憋壓。通過表13可以看出各安全事故中，硫化氫中毒權(quán)重遠(yuǎn)大于其他各項(xiàng)，破壞性最強(qiáng)安全風(fēng)險性最大；火災(zāi)和爆炸權(quán)重次之；高壓傷人與設(shè)備傷人權(quán)重較小，可通過安全規(guī)章制度防范。

靈敏度分析為當(dāng)前情況下模型狀態(tài)對系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感性預(yù)測，能有效指導(dǎo)下步工作。下面分別對準(zhǔn)則層中高含硫氣田開發(fā)各階段單元要素作靈敏度分析。

圖2 鉆井修井單元靈敏度分析

由圖2可知，C2、C1線形斜率最大，最敏感，其中C2權(quán)重與鉆井修井單元事故發(fā)生率成正比，C1成反比。證明硫化氫及其二氧化碳泄漏中毒事故發(fā)生率越高，鉆井修井單元總體事故發(fā)生率越大，傷亡越多。若硫化氫發(fā)生泄漏并決定采用點(diǎn)火燃燒方式進(jìn)行應(yīng)急處理時有引發(fā)火災(zāi)及爆炸的風(fēng)險；所以，C2、C1兩者成相反關(guān)系與現(xiàn)場情況一致，應(yīng)加強(qiáng)防范。而C3、C4現(xiàn)象是人為或設(shè)備缺陷固有因素引起，與開發(fā)階段關(guān)聯(lián)性不大，所以不敏感。

圖3 集輸場站單元靈敏度分析

表16 誘發(fā)原因及相應(yīng)對策

由圖3、圖4可知，集輸場站單元與管道單元靈敏度分析圖形相似，其中C2、C1線形斜率最大，最敏感。C1權(quán)重與該單元事故發(fā)生率成正比，C2成反比。證明火災(zāi)及爆炸事故發(fā)生率越高，集輸場站單元與管道單元總體事故發(fā)生率越大，傷亡越多。而若發(fā)生火災(zāi)和爆炸則會燃燒消耗有毒性硫化氫氣體，但也會增加其他傷亡，應(yīng)當(dāng)防范。C2、C1兩者成相反關(guān)系與現(xiàn)場情況一致。集輸場站單元與管道單元安全分析結(jié)果相似。下步應(yīng)加強(qiáng)有毒氣體、可燃?xì)怏w監(jiān)控及設(shè)備設(shè)施防腐工作。而C3、C4現(xiàn)象是人為或設(shè)備缺陷固有因素引起，與開發(fā)階段關(guān)聯(lián)性不大，所以不敏感。

圖4 管道單元靈敏度分析

4 技術(shù)難點(diǎn)及對策

通過以上事故案例及其數(shù)學(xué)建模分析，根據(jù)權(quán)重排序選取安全風(fēng)險較大的事故進(jìn)行技術(shù)難點(diǎn)匯總，分析誘發(fā)原因并提出相應(yīng)對策（表16）。

5 結(jié)論

基于高含硫氣田開發(fā)需“采集輸儲煉”連續(xù)運(yùn)行，同時具備傳統(tǒng)油氣田生產(chǎn)與化工企業(yè)安全生產(chǎn)特點(diǎn)，所以，在安全分析中應(yīng)更加關(guān)注各領(lǐng)域的交叉，更加注重應(yīng)用數(shù)學(xué)建模方法及當(dāng)前掌握的事故數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)分析。解決安全分析中量化結(jié)構(gòu)不清、分析片面性過強(qiáng)等弊病。

高含硫氣田開發(fā)過程中，鉆井修井單元安全風(fēng)險最大，其中井噴破壞性最強(qiáng)，發(fā)生概率最高；管道單元安全風(fēng)險較小，其中氫脆泄漏與管道憋壓最易發(fā)生；集輸場站單元安全風(fēng)險最小，泄漏與憋壓應(yīng)重點(diǎn)防范。

層次分析法可將模糊定性條例化，安全分析結(jié)論量化為科學(xué)權(quán)重，將問題進(jìn)行定性和定量分析。簡單靈活地解決高含硫氣田開發(fā)生產(chǎn)點(diǎn)多、面寬、線長的各領(lǐng)域交叉融合問題。得出危害先后性，為風(fēng)險控制對策及技術(shù)發(fā)展提供依據(jù)，促進(jìn)行業(yè)均衡發(fā)展。

當(dāng)前我國高含硫氣田開發(fā)尚屬起步階段，雖有普光氣田等一系列經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成果，但適應(yīng)性、通用性仍需論證。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有待完善。下步計(jì)劃：對井控安全及其儲層傷害進(jìn)行評估；腐蝕材料及防腐手段研制與運(yùn)用；數(shù)字化氣田安全檢測系統(tǒng)及設(shè)備研制推廣；安全管理及應(yīng)急安全演練等方面進(jìn)行有針對性協(xié)同發(fā)展。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.017

2017-01-05

（編輯 張興平）

大慶煉化球罐

楊遠(yuǎn)，長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院2016級礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生，E-mail：fengjiming@yeah.net，地址：湖北省武漢市蔡甸區(qū)大學(xué)路111號長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，430100。