井場作業人員應急疏散仿真研究*

同 霄，周立輝，冀忠倫

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

0 引言

井控安全是油氣田開發安全管理的重點，一旦發生井噴失控事故，其造成的人員、環境、設備、油氣藏傷害及社會影響后果是相當嚴重的。在油氣田鉆井作業和壓裂、試油、修井等井下作業過程中，尤其是高壓油氣井(預測井口關井壓力可能超過35 MPa)、高含硫油氣井(地層天然氣中硫化氫含量大于150 mg/m3)以及高危地區油氣井(井口周圍500 m范圍內有村莊、學校、醫院等人員密集場所或是易燃易爆物品存放點和水資源設施)，發生溢流、氣侵以及井噴的風險較大，若發生井噴失控，將會造成重大損失。2003年12月23日晚21時15分，中石油西南油氣田分公司川東北氣礦羅家16H井，在起鉆作業中，突然發生溢流，造成井噴失控，共造成243人死亡，6萬余名群眾緊急疏散，直接經濟損失近億元[1]。2003年9月15日晚8時30分，湖北省利川市建南鎮黃金村一口廢棄的井口突然發生強烈的天然氣井噴，經過消防官兵10天的英勇奮戰，最終控制住災情，所幸沒有造成人員傷亡[2]。針對油氣井周邊居民的安全疏散問題，姜傳勝等[3]研究評估了居民的疏散安全現狀，并提出了疏散方案。針對油氣井現場作業人員的安全疏散問題，目前研究較少。井噴失控后，現場應立即啟動應急預案，進行人員疏散，當現場發生爆炸和火災等嚴重事故時，所有現場作業人員需迅速撤離至安全區域。為了確保現場作業人員的人身安全，必須建立一套完整的方法來評估作業人員的疏散安全水平，規劃和制定詳細的應急指揮方案，所以研究井場作業人員的疏散過程具有一定的指導意義。

目前，對于人員疏散過程的研究主要分為宏觀和微觀2種方法。宏觀方法認為人群為連續的流動介質，通過流體力學模型計算人群的移動狀態，該方法的缺點是不能充分考慮人群的個體特征。微觀方法中包括連續模型和離散模型2類，1995年，Helbing等[4-5]首次提出的社會力模型是最典型的連續模型。近年來，國內外學者針對傳統的社會力模型展開了各種的改進研究，從而更加準確地模擬行人的緊急疏散。傳統社會力模型對于單個行人的運移或者數量較少人群的疏散計算結果失真，針對這一缺陷Lakoba等[6]進行了改進；Parisi等[7]通過分析疏散試驗的結果，對社會力模型進行修正，引入行人的自動停止機制，仿真計算結果更加接近真實情況；隋杰等[8]和龍圣杰等[9]將社會力模型與高斯煙團擴散模型結合，對地鐵毒氣擴散事件中行人的疏散過程進行了研究；牟瑞芳等[10]拓展了社會力模型，模擬了行人在熟悉情況下的疏散行為；Han和Liu[11]基于學校學生的疏散演習，引入回避策略和行人間的信息交流模型，從而更加準確的模擬了行人的疏散過程，通過分析真實疏散試驗數據來改進計算模型，是1種行之有效的研究方法。離散模型中應用較為廣泛的為元胞自動機模型，該方法由Neumann[12]在1966年最先提出，后續眾多學者對該模型進行了改進和拓展[13-17]。元胞自動機模型雖然規則簡單，運算速度快，但是由于該模型劃分的網格是規則形狀，行人移動的方向受到約束，是不能在空間中自由移動的，難以真實表達人群的移動疏散過程。因此，針對井場作業人員的應急疏散問題，本文以壓裂作業為例，選用社會力模型進行仿真計算，計算結果對評估作業人員的疏散水平、分析作業井場的安全薄弱環節以及制定應急指揮方案具有一定的指導意義。

1 社會力模型

Helbing等[4-5]提出的社會力模型是最典型的連續模型之一。該模型將行人視為滿足力學定律的質點，如式(1)所示：

(1)

隨著行人所受外力的改變，行人的運動也隨之變化，行人受4種作用力的共同約束，如式(2)所示：

(2)

在社會力模型中驅動力是決定行人以期望速度向目的地運動的力，如式(3)所示：

(3)

行人運動過程中通常會遇到來自其他行人的干擾，為避免與其他行人發生碰撞，在社會力模型中用力的形式來表現這種行人之間的避讓行為。行人之間作用力分為2種：社會心理力和社會物理力，前者描述了由避讓心理導致的避讓行為，如式(4)所示；后者為接觸力，當行人相互接觸時產生，如式(5)所示。

(4)

(5)

行人與邊界或障礙物之間的作用力和行人之間的作用力類似，包括描述行人躲避障礙物的避讓作用力和與障礙物接觸時的擠壓作用力，如式(6)所示：

(6)

式中：角標B代表障礙物，其余參量的含義與單位與式(3)-(5)一致，描述了行人與障礙物之間的關系。

2 計算模型

壓裂是被廣泛采用的油氣井增產和水井增注的主要措施之一，是油氣田勘探和開發中不可缺少的重要技術手段。壓裂作業過程中所涉及的動力機械設備很多，這些設備能造成高壓條件，泵送高壓液體，快速均勻攪拌混砂液體。通常壓裂車組由壓裂車、混砂車、儀表車、起重機、射孔車、儲液罐、砂罐車等組成，本文中計算模型選用隴東PG49-51壓裂井場，根據現場測量，混砂車整車外形尺寸13.0 m×2.5 m、壓裂車整車外形尺寸11.0 m×2.5 m、射孔車整車外形尺寸8.5 m×2.5 m、儀表車整車外形尺寸9.5 m×2.5 m、儲液罐外形尺寸10.0 m×3.0 m、起重機整車外形尺寸15.0 m×3.0 m、彩鋼房外形尺寸5.5 m×3.5 m、砂罐車整車外形尺寸8.0 m×2.5 m，如圖1(a)所示。該井完鉆井身3 676.0 m，水平段長1 699.6 m，采用大通徑橋塞體積壓裂工藝，井控提示應做好一氧化碳和硫化氫等有害氣體的防范措施，防止有毒有害氣體溢出，為一級井控風險井[18]。井場尺寸為60 m×65 m，位于溝壑縱橫的黃土塬，井場周圍被深溝和臺階切割，連通井場與外界的道路寬4 m，如圖1(b)所示，根據井場設備布局和作業人員工作范圍將井場分為工具存放區域、高壓區域、低壓區域、儲液配液區域、射孔裝彈區域、混砂區域、生活區域和位于出口處的應急集中區域。

圖1 壓裂井場布置和作業人員分布示意Fig.1 Schematic diagram of fractured well field and distribution of workers

根據現場調查，壓裂井場作業人員一般包括5個部分：試油作業人員、壓裂作業人員、射孔作業人員、司機和其他人員，如圖1(c)所示。其中，試油作業人員的工作區域集中在儲液配液區和混砂區，在壓裂過程中負責按施工設計配置壓裂液和攜砂液，試油隊的人員通常分為兩班，其余人員在生活區域休息；壓裂作業人員主要包括操作每臺壓裂車的人員和壓裂儀表車上的2-3名壓裂技術人員，通常壓裂開始后壓裂車的操作人員會離開高壓區域，在低壓區域等待壓裂結束，儀表車上還有1名技術支撐人員和1名工程監督；射孔作業人員的工作區域集中在射孔裝彈區域，在壓裂開始后，射孔隊的作業人員一般是在進行下一次的壓裂的提前準備工作；砂罐車司機停車后，通常進入生活區域休息待命；其他人員中包括廚師和配送人員等，活動范圍集中在生活區域。

在仿真計算中，為了便于模擬人員的疏散過程，將儀表車和彩鋼房內工作和休息的作業人員位置調整在外部空間，簡化了人員下車和離開房間的過程，將儲液罐頂部的工作人員位置調整在儲液罐附近，簡化了人員從儲液罐頂部移動到地面的過程。同時針對社會力模型在反映疏散者個體特征差異方面并無多大優勢的缺陷，以作業人員的工作區域為小組，將壓裂井場的作業人員分為5組：第1組(儀表車附近)共4名，包括壓裂技術人員2名、監督1名和技術支撐人員1名；第2組(混砂車附近)共4名，包括混砂工人2名和砂罐車司機2名；第3組(射孔裝彈區域)為射孔隊的5名工作人員；第4組(儲液罐附近)共12名，包括壓裂車司機6名和試油隊配液人員6名；第5組(生活區域)共10名，包括試油隊休息人員6名、砂罐車司機3名和廚師1名，這樣在計算中可以對這5組作業人員的分別選擇計算參數，通過該方法考慮疏散者個體特征差異。

整個壓裂井場共有35名作業人員，采用社會力模型，通過編寫程序，模擬壓裂井場作業人員的應急疏散過程，初始時刻人員分布于各自的工作區域，當發生井噴、一氧化碳和硫化氫泄漏等突發事件，且防噴井口搶裝失敗后，導致井噴失控，并伴隨燃爆。此時井場內所有作業人員迅速撤離至指定的應急集中區域。

疏散速度是人員疏散仿真計算的基礎，李利敏和閆金鵬[19]通過實驗測定得到正常狀態下成年人在明亮和昏暗2種外界條件下的移動速度分別為1.26～1.48 m/s和1.22～1.42 m/s，緊急狀態時成年人在明亮和昏暗2種外界條件下的移動速度分別為1.55～2.07 m/s和1.52～2.07 m/s；井場作業人員為成年人，穿戴專業作業服裝和鞋帽，有一定的負重，Chen等[20]對不同負重行人移動速度測試的結果表明，當負重從0 kg增加至10 kg，移動速度平均降低27.05%；作業人員熟悉井場布置和線路，根據牟瑞芳等[10]對熟悉環境條件情況下人員疏散進行仿真計算，模擬結果中行人的平均移動速度為1.8 m/s；井噴失控后伴隨著火災爆炸，煙氣會導致能見度降低，根據Seike等[21](2017)對不同能見度下行人的應急疏散速度實驗研究發現，隨著消光系數的從0.30 m-1增高至0.98 m-1(能見度降低)，人員的移動速度從最初的1.83 m/s下降至1.46 m/s。綜合上述學者的研究成果，結合對現場作業人員的移動速度觀測，本文選取的行人最大期望速度為2.0 m/s，最小期望速度為1.5 m/s，其余計算參數選擇如表1所示[22-24]。

表1 社會力模型計算參數Table 1 Calculation parameters of the social force model

3 計算結果

在計算過程每秒輸出1次計算結果，這樣可以更好地分析井場作業人員的疏散過程，如圖2所示。t=0 s時刻為初始狀態，5組作業人員分別處于各自的工作區域(圖2(a))；隨著突發事件的發生，人員開始緊急向應急集中區域撤離，當t=5 s時刻(圖2(b))，砂罐車附近的4名作業人員因為離出口處最近，沿路無障礙，所以首先轉移至應急集中區域，其他各組人員也離開自己的工作區域，向著應急集中區域移動，其中射孔隊的作業人員在移動中受到了井場內停放的砂罐車一定程度的阻擋；當t=10 s時刻(圖2(c))，各組作業人員保持正常疏散，射孔隊和儀表車共9名作業人員也繞過砂罐車向著應急集中區域繼續移動；當t=17 s時刻(圖2(d))，射孔隊和部分生活區的作業人員安全抵達應急集中區域，其他各組保持正常疏散，唯有液罐的12名作業人員在疏散路徑中遇到了阻礙，由于混砂車旁卸砂的砂罐車與儲液罐之間的空間較小，所以在此處出現擁堵現象，并呈現出拱形分布；當t=25 s時刻(圖2(e))，各組人員正常疏散，液罐的作業人員也排隊離開狹窄區域，向著應急集中區域移動；當t=40 s時刻(圖2(f))，人員已基本安全疏散至應急集中區域。

根據計算結果，統計得到疏散人數隨時間的變化曲線，如圖3所示。可以看出，儀表車4人安全疏散用時共25 s(圖3(a))，射孔隊5人安全疏散用時共20 s(圖3(b))，砂罐車4人安全疏散用時最短，共10 s(圖3(c))，液罐12人安全疏散用時最長，共47 s(圖3(d))，生活區10人安全疏散用時共28 s(圖3(e))，整個井場35名作業人員安全疏散共用時為47 s(圖3(f))。2009年10月，中國石油在四川油氣田虛擬發生井噴失控著火事故，進行了一次全過程、全方位的井噴突發事件應急預案專項演練。分析演練數據，自發生溢流當班人員發出警報，至井隊的作業人員迅速跑向緊急集中區域完成集中，共用時178 s。與應急演練用時相比，仿真計算用時較短，這是由于在仿真計算中簡化了作業人員下車、下罐和離開房間的過程，同時沒有考慮路面條件(如擺放管線、路面不平)對疏散人員的阻礙效應。仿真計算結果雖然與應急演練結果有一定的差距，但是可以間接反映不同區域作業人員的疏散水平，可用于評估應急疏散效果、指導應急疏散。

圖2 壓裂井場作業人員疏散過程Fig.2 The evacuation process of the workers in the fractured well field

圖3 疏散人數隨時間的變化曲線Fig.3 The curve of the number of evacuation people with time

為了更好的指導實際應急疏散，本文進一步分析仿真計算結果，將每位疏散人員的運動軌跡進行跟蹤統計，繪制得到壓裂井場作業人員的疏散路徑，如圖4所示。儀表車和射孔隊的作業人員在疏散過程中，受到了a處砂罐車的阻礙，降低了疏散效率。同時井場布置時在c處設置了衛生間，使得該處道路封堵，導致儀表車和射孔隊的作業人員只能繞行至砂罐車的另一側移動至應急集中區域，增加了安全疏散時間。生活區和砂罐車的作業人員距離應急集中區域較近，且疏散路徑寬敞無障礙，所以疏散過程平穩，效率較高。突發事件發生時，高壓區域布滿了高壓管匯，不能作為疏散路徑，液罐的作業人員只能通過液罐附近的低壓區域移動至生活區，再移動至安全區域。井場布置時液罐前期已經擺放固定，b處的砂罐車停放位置有誤，使得液罐和砂罐車距離狹窄，導致了液罐人員在疏散至此處時發生擁堵現象，降低了疏散效率，增大了危險性。由于液罐人員離應急集中區域最遠，疏散路徑較長，在地形條件的允許下，可考慮增大d處蓄水池和壓裂車之間的空間，同時設置e區域為另一處的應急集中區域，這樣可使液罐人員安全迅速的抵達應急集中區域，提高整體的疏散效率。通過對疏散路徑的分析，可以明確作業人員的常規疏散路徑，在實際的工作中，要保證疏散路徑的路面平整，暢通無阻。同時計算結果可以指導井場布置，制定更為合理的應急方案，提高作業人員安全保障。社會力模型也可運用至石油鉆井作業和采油作業中，分析指導實際的應急指揮和方案制定。

圖4 壓裂井場作業人員疏散路徑Fig.4 Evacuation path of workers in fractured well filed

4 結論

1)利用社會力模型計算壓裂井場作業人員的疏散過程，其結果可以間接反映不同區域作業人員的疏散水平，可用于評估應急疏散效果。

2)基于仿真計算結果分析，可為井場設施擺放、臨時房屋建設，應急集中區域選擇等科學布置井場提供參考依據，同時可指導應急疏散方案的制訂。

3)為了更加真實地模擬和分析發生井噴失控等事故時現場作業人員的疏散過程，在本文工作的基礎上，可進一步改進社會力模型，例如考慮更加全面的行人個體特性、面臨突發事件時心理素質水平和道德水平，同時，開展實際場地的疏散實驗，利用實驗結果優化分析模型。

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