页岩气井工厂 DVR风险分析模型研究

胡祝华 1 周璟 2 吴晓霞 1 胡伟航 1 周莎莎 1

1.重庆科技学院，安全工程（应急管理）学院 重庆， 401331 2. 中国石油西南油气田分公司川西北气矿

摘要：为了对页岩气井工厂进行风险分析评价，基于公共安全三角形模型，将以突发事件发生可能性系数和事故后果危险性系数表征危险源破坏性系数D；将承灾载体被破坏的难易程度引入目标的脆弱性，用人和物有关指标表征目标脆弱性系数V；安全韧性管理体现为应急处置可恢复性，建立应急管理能力评估指标体系，计算得出应急处置可恢复性系数R；将各系数加以整合得到安全整合系数SIC半定量表征页岩气井工厂的安全状况。案例应用表明，DVR风险分析模型在页岩气井工厂的风险评价中具备实用性。

关键词：井工厂；三角形模型；破坏性；脆弱性；可恢复性；风险分析

引言

与常规天然气相比，页岩气储层具有纳米级特低孔、特低渗等特点，气井单井产能低，传统的钻完井工艺技术不能满足其高效开发需求，因此，能够有效缩短建井周期的多井集中完井生产的井工厂模式已经广泛应用于页岩气开发^[1]。但是页岩气井工厂作业模式具有作业现场设备多、规模大、多工种交叉作业的特点，如川南某页岩气田某井区1平台共实施5口井（1口直井、4口水平井），该井区页岩气为高纯度甲烷气体（重量约为0.71kg/m³ ），井口高压区页岩气产量为10.37万方/天，井口压力为4.21MPa，井场平面布置情况如图1所示。因此，页岩气井工厂作业模式不同作业及交叉作业的风险因素十分复杂，且相互影响，导致页岩气井工厂的安全风险更高，管理难度更大。然而，目前，国内外针对页岩气井工厂风险分析与评价的研究较少，而加强页岩气工厂化钻完井工程作业过程中的安全管理势在必行^[2]。

图1 井场平面布置示意图（86m×43m）

范维澄^[3]等人提出的公共安全三角形模型，主要包括突发事件、承灾载体和应急管理三条边。钟鸣宇^[4]等人建立了基于公共安全三角形模型的化工厂DVR模型，将突发事件发生可能性系数和事故后果危险性系数表征危险源破坏性系数D；将承灾载体被破坏的难易程度引入目标的脆弱性，用人和物有关指标表征目标脆弱性系数V；安全韧性管理体现为应急处置可恢复性，建立应急管理能力评估指标体系，计算得出应急处置可恢复性系数R。

本文基于公共安全三角形模型，从危险源破坏性、目标脆弱性和应急处置可恢复性三个方面分析井工厂风险，建立井工厂DVR风险分析模型，为页岩气井工厂的安全管理提供技术支持。

1危险源破坏性分析

页岩气井工厂中，危险源破坏性可表征为事故发生可能性乘以事故后果危险性^[4]，如式（1）所示。

式中：D为危险源破坏性系数；p为事故发生可能性系数；d为事故后果危险性系数。

1.1事故发生可能性

企业安全管理水平可以侧面反映出事故发生的可能性，安全管理水平越高，事故发生可能性越小。依据《页岩气工厂化作业安全管理规范第1部分：钻井作业》^[5]、《页岩气工厂化作业安全管理规范第2部分：试油压裂作业》^[6]建立页岩气井工厂安全管理指标体系，页岩气井工厂安全管理指标及权重详见表1。

表1 页岩气井工厂安全管理指标及权重

事故发生可能性系数的计算方法^[5]如式（2）所示。

式中：m为安全管理水平系数；M为安全管理水平考核总得分；K_i为各指标权重；M_i为各指标专家打分分值；i为指标序号。

对选取的井区平台进行安全管理水平评估，根据式（2）计算出事故发生可能性系数p=0.16。

1.2事故后果危险性

页岩气井工厂钻井、压裂作业过程中多种作业交叉复杂，不同于常规天然气，页岩气在钻遇目的层时，不会发生溢流井喷，但是在钻遇其他层位时仍有溢流井喷的风险，且在压裂试气等各个阶段存在气体泄漏的可能性^[7]，故页岩气井工厂仍考虑井喷为最大的风险。我国页岩气中存在少量氮（N₂）、二氧化碳（CO₂)等非烃气体，不含硫化氢或极少有硫化氢（H₂S）等有毒气体^[8]，页岩气井工厂事故后果危险性主要考虑井喷可能产生的超压、热辐射带来的伤害。以井喷发生后人员伤亡和财产损失范围与井工厂总面积相比分别表征人和物的危险性系数，利用层次分析法确定页岩气井工厂事故后果危险性指标权重，详见表2。

表2 危险性评估指标及权重

事故后果危险性系数的计算方法如式（3）~（4）所示。

式中： d_p为人的危险性系数；d_m为物的危险性系数；d_p-hr 为热辐射死亡半径内面积与井工厂总面积比值；d_p-op为超压死亡半径内面积与井工厂总面积比值 ；d_m-hr为热辐射财产损失半径内面积与井工厂总面积比值； d_m-op为超压财产损失半径内面积与井工厂总面积比值；R_p-hr 为热辐射死亡半径；R_p-op为超压死亡半径；R_m-hr为热辐射财产损失半径； R_m-op为超压财产损失半径；S为页岩气井工厂总面积。

（1）热辐射伤害半径

参考热辐射通量造成伤害举例表^[9]，页岩气井工厂人员和设备设施受热辐射伤害的入射通量取12.5KW/m²和25KW/m²。井口高压区井喷时泄漏质量流量为0.852kg/s，根据点热源计算公式^[9]计算出热辐射财产损失半径R_m-hr=3.25m，热辐射死亡半径R_p-hr=4.60m。

（2）超压伤害半径

泄漏气体发生蒸气云爆炸可能会产生多种破坏效应，其中最危险、破坏力最强的是冲击波。选取井喷时甲烷气体持续泄漏时间为10分钟，根据TNT当量法计算公式^[10]计算出超压死亡半径R_p-op=33.65m，超压财产损失半径R_m-op=12.50m。

（3）事故后果危险性系数

根据式（4）计算出事故后果危险性系数d=0.28。

1.3危险源破坏性

根据式（1）计算出危险源破坏性系数D=0.045。

2目标脆弱性分析

页岩气井工厂中，承灾的目标主要是人员和设备设施，承灾载体的脆弱性即人员和设备设施被破坏的难易程度。其中，人员的易损性指标考虑人员年龄结构（身心状况）和接受教育培训程度。利用层次分析法确定页岩气井工厂目标脆弱性指标权重，详见表3。

表3 脆弱性评估指标及权重

目标脆弱性系数V的计算方法如式（5）所示。

式中： V_p为人的脆弱性系数；V_f为物的脆弱性系数；V_p-a为年龄结构（身心状况）脆弱性系数；V_p-e为接受教育培训程度脆弱性系数。

2.1人的脆弱性

（1）年龄结构（身心状况）

年龄为20~59岁的青壮年身体心理素质最好，身体的自我恢复能力最快^[11]。考虑年龄在20~59区间外的人员以及其他身心状况差、存在明显缺陷的人员比例作为人的脆弱性指标。人员年龄结构（身心状况）脆弱性系数的计算如式（6）所示。

式中： N_>59为区间外的人数；N_all人员总数。

（2）接受教育培训程度

页岩气井工厂中接受教育培训人员比例越高，现场脆弱性越低。人员接受教育培训程度脆弱性系数的计算如式（7）所示。

式中：N_edu为接受教育培训的人数。

2.2设备设施的脆弱性

设备设施的脆弱性主要考虑其暴露程度。事故爆炸瞬间所产生的冲击波能量对周围设施会产生各种破坏效应，其中框架结构的建筑对冲击波的承载能力最强，耐火等级为一、二级的建筑构件对热辐射的承受能力相对较强^[12]。定义设备设施的脆弱性系数计算方法如式（8）所示。

式中： S_all-f为所有设备设施面积；S_f-sf为所有框架结构及一、二级耐火等级建筑面积。

2.3目标脆弱性

结合井区平台人员及设备设施实际状况，根据式（5）~（8），可确定各目标脆弱性系数值，详见表4。

表4 页岩气井工厂各目标脆弱性系数值

3应急处置可恢复性分析

应急管理包含事故预防、处置与总结，页岩气井工厂的应急管理做得越好，其安全性越高。依据《安全生产技术规范第4部分：油气开采企业》中附录D《安全生产标准化等级评定细则》1.13应急管理与1.14事故管理两部分^[13]建立应急管理指标体系并确定各指标权重，详见表5。

表5 页岩气井工厂应急管理指标及权重

应急处置可恢复性系数R的计算方法^[4]如式（9）所示。

式中： E为应急管理水平考核总得分；E_i为各指标专家打分分值。

对选取的井区平台进行应急管理能力评估，根据式（9）计算出应急处置可恢复性系数R=0.883。

4页岩气井工厂DVR风险分析

根据风险=强度×脆弱性×概率，结合三角形模型中各影响因素的协同作用，建立了基于危险源破坏性D、目标脆弱性V和应急处置可恢复性R风险分析模型，以安全整合系数SIC(Safety integration factor)半定量表征页岩气井工厂的安全状况。安全整合系数SIC的计算方法如式（10）所示：

参考陈雪^[14]对化工企业系统安全等级的划分，根据安全整合系数SIC对页岩气井工厂安全状况进行等级划分，详见表6。

表6 页岩气井工厂安全状况等级划分

将计算出的页岩气井工厂各系数值代入风险分析模型，根据式（10）可得安全整合系数SIC=0.001037 ，各系数值详见表7。

表7页岩气井工厂DVR风险分析模型各系数值

将计算所得的安全整合系数值同安全状况的等级划分表相比较可判断该页岩气井工厂的安全状况为安全。根据各系数分值情况，该页岩气井工厂应急管理能力较强，能较好的应对突发状况，但其发生事故后的危险性较大，需要加强安全管理，降低事故发生可能性。其次，应加强设备设施的安全防护和管理，调整上岗人员的年龄结构并调节人员的身心状态，加强安全教育和培训。

5结论

（1）建立基于公共安全三角形模型的风险分析指标体系，确定危险源破坏性系数D、目标脆弱性系数V、应急处置可恢复性系数R的计算方法，并结合风险的定义，建立页岩气井工厂DVR风险分析模型，以安全整合系数半定量表征页岩气井工厂安全状况并进行安全等级划分。

（2）将页岩气井工厂DVR风险分析模型进行案例应用，计算出案例井工厂各系数值，得出安全整合系数值，对其进行风险评估并验证模型的可行性，针对性的提出问题和建议。

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基金课题：重庆科技学院硕士研究生科技创新计划项目-页岩气井工厂DVR风险综合分析模型研究（项目批准号：YKJCX2020724）

作者简介：胡祝华，女，1998.11，汉族，重庆，重庆科技学院在读研究生，资源与环境

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