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1、石油钻井安全论文目 录1 绪论11.1 课题的背景及目的11.2 安全评价研究现状及应用状况21.3 国内外安全评价研究及应用现状21.4 研究内容及设计思路21.4.1 研究的内容31.4.2 设计的思路32 石油钻井过程及常见事故42.1 油气钻井作业的生产过程42.2 钻井工程常见事故及机理分析52.2.1 复杂情况及事故分类52.2.2 复杂情况与事故的原因52.2.3 井喷62.2.4 井漏62.2.5 卡钻72.2.6 钻具事故72.2.6 落物事故73 安全评价理论分析83.1 安全评价的概念83.1.1 安全评价的一般概念83.1.2 安全评价与传统安全管理模式的区别93.2
2、安全评价的目的、内容与程序93.2.1 安全评价的目的93.2.2 安全评价的内容103.2.3 安全评价的程序103.3 进行安全评价的要求103.4 安全评价数学方法的研究113.4.1 常用的安全评价方法113.4.2 钻井工程安全评价层次分析法的基本步骤123.5 层次分析法在钻井工程安全评价中的运用153.5.1 安全评价体系的建立163.5.2 指标权重的确定173.5.3 层次总排序183.5.4 隶属度函数的建立183.5.5 计算井漏风险概率204 安全评价系统软件的设计224.1 安全评价系统设计基本思想224.1.1 设计目标224.2.2 系统总体结构框架224.2 软
3、件系统的功能244.3 系统开发工具244.3.1 Visual Basic的特点244.3.2 Microsoft Access数据库254.3.3 关系型数据库的基本概念和类型274.4 创建数据库284.5 Visual Basic数据库开发功能概述324.6 钻井工程安全评价系统的运行实例335 结论与展望385.1 论文结论385.2 相关研究工作的展望38参考文献40致谢42附录A43附录B841 绪论1.1 课题的背景及目的石油是一种不可再生资源，其最基本的特征就是稀缺性。石油是现代经济的“血液”，是当今最重要的能源之一。它与人们的衣食住行密切相关，它是衡量一个国家综合实力的标准
4、。它能够影响一个国家或地区的发展，直接影响到国民经济的稳定，更能导致一个国家或地区政治经济的安定。正因为如此，石油引起了很多战争，给人们带来了诸多的不幸，由此可见，石油对全人类是多么的重要。近年来，据中石油对钻井事故统计分析得出的主要的事故类型有：重大人员伤亡事故、井下复杂事故、钻井中的环境污染事故。在上述事故中，人员伤害事故占相当大的比例，其原因主要有：人的不安全行为；严重违反操作规程，操作技能较低；在交叉作业时，配合不到位自身的站位不正确；设备工具本身存在的缺陷；现场工作环境差。井下事故发生的主要原因有：地层复杂造成井下垮塌、井漏、井喷；工程技术人员对井下的分析判断失误；在处理事故过程中，
5、操作者的失误导致事故更加复杂；地质资料不准确、钻井设计不合理等。机械伤人事故的主要原因有：设备本身的缺陷；违章操作；操作者不熟悉设备的技术性能；交叉作业的配合不当等。钻井作业中的环境污染事故的主要原因有：处理钻井废液的设备不齐；人为工作失误造成，重大井喷事故。在油气层钻井生产过程中存在的主要风险有井喷井喷失控井喷着火硫化氢中毒卡钻掉钻具顿钻机械伤害高空坠落物体打击触电高空落物井架倾倒等。含硫高产井工艺井区域探井等重点井，在油气层钻井作业时，除派驻井控安全监督外，还需派工作组驻井把关。驻井工作组包括领导钻井工程师泥浆技术人员装备管理人员等。钻进过程应严格按工程设计选择钻井液类型和密度值，当发现设
6、计与实际不相符合时，应按审批程序及时申报，经批准后才能修改。若遇紧急情况，钻井队可先处理，再及时上报。安全生产是世界性的永恒课题，是石油工业的主题，也是企业赖以生存和发展的基础和保障。石油、天然气的开采首先要做到安全生产。安全是一个永恒的话题，是我们追求的目标。我们需要对钻井作业中的每一个环节进行风险识别和安全评价，力争把风险降到最低。人们依靠各种钻井技术装备和施工工艺，结合不同领域丰富知识和经验，组织完成了一系列钻井工程项目，并且能对钻井过程时时判断和有效控制。然而，由于受到地质条件、装备能力、技术水平、管理规范、施工经验以及现场作业者熟练程度等因素的限制。加上钻井管理体制和钻井运行机制等因
7、素的制约，钻井过程中不可避免地会发生各种各样的事故，造成重大的人力、物力、财力损失，甚至导致全井报废，从而延缓勘探、开发进程。可见，钻井工程事故是钻井施工过程的大敌，减少或杜绝钻井工程事故的发生，始终是钻井科技工作者主要工作目标。由于陆上油气钻井作业系统是一个具有动态性、随机性、模糊性、相关性、环境依托性等特性的非线性动力学系统，因此，针对陆上油气钻井作业系统中的危险、危害因素以及可能发生的钻井工程事故的特征，采用层次分析法和非线形动力学方法，引入现代应用数学，建立适合陆上油气钻井作业特点的安全评价模型，进行科学、系统地安全评价，以减少或避免事故发生的可能性，是当前陆上油气钻井安全作业急需解决
8、的关键技术问题，也是石油工业安全管理走向规范化、科学化、信息化的一种全新的探索。1.2 安全评价研究现状及应用状况安全评价，也称为风险评价，是指对一个具有特定功能的工作系统中固有的或潜在的危险及其严重程度所进行的分析与评估，并以既定指数、等级或概率值作出定量的表示，最后根据定量值的大小决定采取预防或防护对策，其目的是实现人-机-环境系统的安全运作。安全评价作为预测、预防事故的重要手段，将传统安全管理方法的凭经验进行管理，转变为预先辨识系统的危险性，事先预测、预防的“事前过程”。因此，可以说安全评价是安全管理和决策科学化的基础，是依靠现代科学技术预防事故的具体体现。1.3 国内外安全评价研究及应
9、用现状安全评价技术起源于20世纪30年代，最早起源于保险业。20世纪50年代末发展起来的系统安全工程又大大推动了安全评价技术的发展。60年代以来，国际上发生过多起触目惊心的大型恶性事故，引起了广泛的关注。因此，一些国家和企业研究了对工艺过程和生产装置的危险程度的评价方法。并根据各自的特点，提出了不同的方法。20世纪80年代初期，安全系统工程引入我国，受到许多大中型企业和行业管理部门的高度重视，系统安全分析、评价方法得到了大量的应用7-12。通过吸收、消化国外安全检查表等安全分析方法，机械、冶金、化工、航空、航天等行业的有关企业开始应用安全分析评价方法，如安全检查表（SCL)、事故树分析（FTA
10、)故障类型和影响分析（FMEA)、事件树分析（ETA)、预先危险性分析（PHA)、危险可操作研究（HAZOP)、作业条件危险性评价（LEC)等。此外，一些石油、化工易燃、易爆危险性较大的企业，应用道化学公司开发的“火灾、爆炸危险指数评价法”进行了安全评价，许多行业和地方政府有关部门制定了安全检查表和安全评价标准。1.4 研究内容及设计思路1.4.1 研究的内容本次课题的主要任务是搜集、整理钻井常见事故的原因、征兆、预防措施以及处理方法；学习并最终确定安全评价的方法，通过计算机编程，开发一个界面友好，功能完备，运行可靠的钻井工程安全评价系统。具体内容如下：(1) 学习研究石油钻井的过程，分析整理
11、钻井工程中可能出现的各种事故及其处理方法；(2) 查阅论文及书籍，参阅煤矿及石化企业的安全评价方法，根据石油钻井的特点制定一套完整可靠地安全评价方法并最终确定；(3) 学习掌握Visual Basic 6.0，能进行软件界面设计及编程；(4) 设计一套基于案例的钻井工程安全评价系统，包括建立数据库，确定安全评价原理，进行钻井工程的安全评价以及事故的预防和处理；(5) 查阅资料整理近年来石油钻井发生的事故，并建立数据库，方便系统用户查询使用。1.4.2 设计的思路(1) 检索国内外相关的文献资料。(3) 对调研收集的资料进行整理、分析。(4) 模型构建。根据对油气钻井作业中钻井液参数和工程参数的
12、分析，采用层次分析法和模糊综合评判构建安全评价模型。(5) 模型求解。咨询多位相关专家对安全评价指标体系中各指标的相对重要性以“1-9标度法”给出合理的分值，采用层次分析法进行分析并求得安全指标相对权重；根据模糊隶属度函数的建立模型，对油气钻井作业安全评价体系中各指标进行量化；根据评价模型求解，合成油气钻井作业安全综合评价结果；建立油气钻井作业安全分级标准。(6) 实例分析。以一组现场传感器监测的实时数据为例，采用建立的模型进行分析评价。(7) 提出钻井作业安全对策措施。2 石油钻井过程及常见事故2.1 油气钻井作业的生产过程在石油钻井中，尽管钻井的目的不同，井的深浅各异，目前都是用旋转方法钻
13、井，包括转盘旋转钻、井下动力旋转钻及顶部驱动旋转钻。一口井的建井过程从确定井位到最后试油、投产，要完成许多作业，按其顺序可分为三个阶段，即钻前准备、钻进和完井，而每个阶段又包括许多具体工艺作业。图2.1描述了油气钻井作业的整个工艺流程。(1)钻前准备在确定井位、完成井的设计后，钻前工程是钻井施工中的第一道工序，它主要包括：修公路、井场及设备基础准备、钻井设备搬运及安装以及井口设备准备。(2)钻进钻进是以一定压力作用在钻头上，并带动钻头旋转使之破碎井底地层岩石，井底岩石被破碎后所产生的岩屑通过循环钻井液被携带到地面上来，这一过程称为洗井。加在钻头上的压力是利用部分钻柱(钻铤)的重力来完成的，钻头
14、的旋转是由转盘或顶驱动力水龙头带动钻柱及钻头旋转来实现的，在使用井下动力钻具时，钻柱不旋转。在钻进过程中，只要钻具在井内，就应不断循环钻井液以免造成井下事故。在钻进中，钻头不断破碎岩石，井眼逐渐加深，则钻柱也需要接长，因而需要不断加接钻杆(接单根)。由于钻头在井底破碎岩石，钻头会逐渐磨损，机械钻速下降，当磨损到一定程度则需要更换新钻头。为此，需将全部钻柱从井内起出(起钻)，更换新钻头后再将新钻头及全部钻柱下入井内(下钻)，这一过程称为起下钻。有时为了处理事故、测井等也需要进行起下钻作业。在钻井过程中，井眼不断加深，所形成井眼的井壁应当稳定，不发生复杂情况以保证继续钻进。在钻进中要钻穿各种地层，
15、而各地层的特点不同，其岩石强度有高有低，有的地层含高压水、油、气等流体，有的含有盐、石膏、芒硝等成分，这些对钻井液都有不良影响。强度低的地层会发生坍塌，或被密度大的钻井液压裂等复杂情况妨碍继续钻进，这需要下入套管并注入水泥予以封固，然后用较小的钻头继续钻出新的井段。每改变一次钻头尺寸(井眼尺寸)，开始钻新的井段的工艺叫开钻。一般情况下，一口井的钻进过程中应有几次开钻，井深和地层情况不同，则开钻次数也不同。其基本工艺过程有：第一次开钻(一开)：从地面钻出较大井眼，到一定设计深度后下表层套管。第二次开钻(二开)：从表层套管内用较小一些的钻头继续钻进，若地层不复杂，则可直接钻到目的层后下油层套管完井
16、。如果地层复杂，很难用钻井液控制时，则要下技术套管。第三次开钻(三开)：从技术套管内、再用小一点的钻头往下钻进。根据情况，或可一直钻达预定井深，或再下第二层、第三层技术套管。在进行第四次、第五次开钻，直到最后钻到目的地层深度，下油层套管，进行固井、完井作业。(3)固井和完井固井是在已钻成的井眼内下套管，然后在套管与井壁之间的环形空间内注入水泥浆将套管和地层固结在一起的工艺过程，它可以防止复杂情况以保证安全继续钻进下一段井眼或保证顺利开采生产层中的油、气。完井工程包括：钻开生产层，确定油、气层和井眼的连通方式即完井井底结构，确定完井的井口装置和有关技术措施。(4)其他作业在油气井的开发过程(建井
17、过程)中，还须根据实际情况进行岩屑录井、电测、气测等录井工作，必要时要取心。2.2 钻井工程常见事故及机理分析2.2.1 复杂情况及事故分类钻井中由于遇到特殊地层、钻井液的类型与性能选择不当、井身质量较差等原因，造成井下的遇阻遇卡、钻进时严重蹩跳、井漏、井涌等不能维持正常的钻井和其他作业的现象，均称为井下复杂情况。 由于操作失误、处理井下复杂情况的措施不当等都会造成钻具折断、顿钻、卡钻、井喷、失火等事故称为钻井事故。(1)井下复杂情况：井塌，砂桥，井涌(溢流)，泥包，缩径，键槽，钻具刺漏，钻头牙轮卡，钻头水眼刺，钻头水眼掉，钻头水眼堵，地层蠕变，地应力引起的井眼变形，钻井液污染，有害气体不溢出
18、。 (2)钻井事故：钻具断落，卡钻，井喷事故，严重井塌，钻头落井，井下落物事故，井下落物事故，钻出新井眼，丢失老井眼，测井类事故，套管事故。2.2.2 复杂情况与事故的原因造成井下事故与复杂情况有诸多因素，主要有地质因素和工程因素两大类。(1)地质因素 首先我们应该了解设计井的地层孔隙压力、地层破裂压力、地层坍塌应力及一些特殊地层(如盐膏、软泥岩、沥青)的蠕变应力，作为井身结构和钻井液设计的主要依据。其次，对一些特殊地层如在一定温度、压力下发生蠕变的盐岩层、膏盐层、沥青层、富含水的软泥岩层、吸水膨胀的泥岩层、裂缝发育容易坍塌剥落的泥岩层、煤层及某些火成岩侵入层都应有较详细的了解，因为这些地层是
19、造成井下复杂的主要源地。（2）工程因素由于钻井作业的隐蔽性、复杂性，所以“安全第一”应作为钻井作业的主导思想。但是由于有些人思想认识的模糊或者为某种片面的局部的利益所驱动，或明知故犯，或铤而走险，为钻井事故和复杂问题的发生创造了条件。加之由于地质资料掌握不全不准，或者虽有可靠地质资料而未严格地按科学优质方法进行井身结构设计，使同一段裸眼中喷、漏层并存，治喷则漏，治漏则喷。管理工作薄弱，有章不循，有表（指重表、泵压表、扭矩表）不看，遇事不思，盲目决断，但求省力，不顾后果。起钻猛提，下钻猛压，遇卡硬转，遇漏硬憋，这是造成井下事故的常见原因。2.2.3 井喷钻井中由于各种原因造成地层流体流入井筒，使
20、井内钻井液连续或间断喷出的现象叫井涌，失去控制的井涌则称为井喷。井喷失控可能会导致严重的后果，除了造成资源浪费、环境污染以外，还会造成设备毁坏、人员伤亡、油气井报废等后果；一旦井喷失火后果更为严重。因此在钻井设计与施工中应始终把防止井喷放在非常重要的位置上，尤其是新探区和高压油气构造上。（1）井喷的原因 一是地层压力掌握不准； 二是井内钻井液柱压力降低。具体的原因有以下几点： 地层压力掌握不准。 钻井液密度降低。 钻井液液柱高度降低。 起钻时的抽汲作用。（2）井喷失控的处理 地面灭火压井。 打定向救援井压井。2.2.4 井漏钻井过程中钻井液或水泥浆漏入地层中的现象即称为井漏。井漏是钻井中严重而
21、又常见的井下复杂情况之一。井漏往往使井内液柱压力降低，导致井壁坍塌或井喷，因此，一旦发现井漏，要及时采取有效措施处理，避免其进一步恶化。井漏的原因和现象：钻井过程中，井内钻井液液柱压力加大于地层破裂压力加便会发生井漏。 引起井漏的因素主要有两方面：一是井下地层破裂压力异常低，岩层孔隙度大、渗透性好，或有裂缝、溶洞等；另一方面是由于钻井工艺措施不当，如钻井液密度过大、压力过高，或开泵过猛以及下钻速度过快而造成井下压力激动等。井漏可能会发生在以下四种地层中： (1)松散的或高渗透率的地层； (2)天然裂缝性地层； (3)诱导的裂缝性地层； (4)洞穴性地层。井漏的现象: 井漏会造成钻井液池面下降，
22、返出的钻井液量减小，严重的井漏则会使钻井液失去循环，只进不出，进而会导致井壁坍塌或井喷。2.2.5 卡钻钻井过程中，由于各种原因造成的钻具陷在井内不能自由活动的现象，称为卡钻。地层原因、钻井液性能不良、操作不当等都可能造成卡钻，必须针对具体情况进行分析，以便有效地解卡。 卡钻事故的分类：砂桥卡钻（沉砂） ，井塌卡钻（坍塌） ，粘吸卡钻（压差） ，键槽卡钻 ，缩径卡钻 ，落物卡钻 ，泥包卡钻 ，干钻卡钻 ，水泥固井卡钻2.2.6 钻具事故钻具事故在钻井过程中，特别是在转盘钻井中，是较常见的事故。钻具事故一般有钻杆和钻铤折断、滑扣、脱扣和粘扣几种，掉落井内的钻具俗称“落鱼”。打捞落鱼是一件十分细致
23、的工作，需要对井下情况作周密的分析，采用适当的工具和措施，及时进行处理，处理不当或落鱼在井内时间过长会引起事故进一步恶化，使事故处理更加困难，甚至使井眼报废。常见的钻具事故：（1）钻杆、钻铤折断 （2）钻杆滑扣、脱扣 2.2.6 落物事故在钻进或起下钻过程中，由于所使用的钻具、工具的质量不过关，检查不严或操作不当、措施不力等原因都可能引起落物事故。常见的落物事故主要有：掉牙轮(包括牙轮、牙轮轴、断巴掌、掉弹子)，断刀片(刮刀钻头)，测斜仪落井，钻台工具如榔头、搬手、吊钳销于、电缆等掉落井下。3 安全评价理论分析生产过程中总会有事故发生，并且可能造成人员伤亡和经济损失，这是因为生产系统中客观上总
24、存在着危险性。在一定条件下，若对危险性失去控制或防范不周，便会导致事故的发生。为了减少事故发生的几率，人们就要掌握事故发生的规律，采取积极措施来消除系统中潜在的危险。人们在充分揭示危险性的存在和它发生的可能性的基础上，对危险性进行分析评价，看看危险背后会有什么样的后果，需要什么技术措施，采取这些措施后危险性得到怎样的抑制或消除，这些都需要进行反复的评价。这种评价称为安全评价。油气钻井作业是多专业多工种配合的野外作业，它经常是在高山、丘陵、森林、草原、农田、沙漠、沼泽、海滩、湖泊、海洋等地面条件差的地区进行，钻井工作条件差，技术要求高，生活艰苦，加之交通、通讯等工作的限制，增加了作业难度；钻井工
25、程又是一项隐蔽的地下工程，地下有含有高压油、气、水的地层、漏失层、岩盐层、膨胀层、坍塌层等复杂情况，这些都给钻井工程造成困难；钻井工程还是一项耗资巨大的工程，一般工程费用占整个石油工业勘探开发基建投资40%以上。由于上述特点，钻井作业隐藏着多种不安全因素，如不切实防范，容易发生各类事故，会危害人身安全，也给国家财产造成巨大的损失。几十年来，中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司以及中国海洋石油总公司下属的各石油管理局（勘探局)为了钻井安全生产制定了各类管理制度、操作规程、规定等。积累了丰富的经验。实践证明，这些制度、规程、规定为钻井安全生产创造了条件，提供了保证。同时证明，在钻井生产中实
26、行的“安全为了生产，生产必须安全”、“安全第一、预防为主”的方针，是行之有效的。3.1 安全评价的概念3.1.1 安全评价的一般概念一般所说的评价是指“按照明确目标测定对象的属性，并把它变成主观效用的行为，即明确值的过程”。在对系统进行评价时，要从明确评价目标开始，通过目标来规定评价对象，并对其功能、特性和效果等属性进行科学的测定，最后由测定者根据给定的评价标准和主观判断，把测定结果变成价值，作为决策的参考。安全评价，在国外也叫“风险评价”(Risk Assessment)，简称RA，是以实际系统安全为目的，应用安全系统工程原理和工程技术方法，对系统中固有或潜在的危险性进行定性和定量分析，掌握
27、系统发生危险的可能性及其危害程度，从而为制定防灾措施和管理决策提供科学依据。安全评价定义有三层意义：(1)对系统中固有的或潜在的危险性进行定性和定量分析，这是安全评价的核心。系统分析是以预测和防止事故为前提，全面地对评价对象的功能及潜在危险进行分析、测定，是评价工作必不可少的手段。(2)掌握企业发生危险的可能性及其危害程度之后，就要用指标来衡量企业安全工作，即从数量上说明分析对象安全性的程度。为了达到准确评价的目的，要有说明情况的可靠数据、资料和评价指标。评价指标可以是指数、概率或等级。(3)安全评价的目的是寻求企业发生的事故率最低，损失最小，安全投资效益最优。也就是说，安全评价是以提高生产安
28、全管理的效率和经济效益为目的的，油气钻井作业安全评价研究即是确保安全生产，尽可能少受损失。为了达到此目的，必须采取预防和控制危险的措施，优选措施方案，提高安全水平，确保系统安全。3.1.2 安全评价与传统安全管理模式的区别传统的安全管理模式，如常用的安全检查或安全评比等，与科学的安全评价方法相比，存在一定的不足。传统的安全检查或评比，基本采用定性指标，其指标内容一般不够明确，无法定量，检查者或评比者的主观随意性直接影响评比结果，因而不易真实反映一个系统的安全状态。而安全性评价则有详细的评价标准，评价人员掌握了标准，基本上可以得出正确的结论。再者，传统的安全评比着重于过去，不能衡量未来的系统安全
29、及危险程度，传统的评比不具有预测性，往往以重大事故的发生与否作为决定性指标，而事故的概率有一个允许值及随机性，没有出过事故并不一定能够表示该单位的系统安全有足够的稳定性，同时，传统的评比不能起到系统安全性优化的作用。但是传统的安全检查和评比也有一定的优点，如方法简单、容易为安全及管理人员掌握、评比或检查速度快等。石油统的传统的安全管理经验比较丰富，科学的安全管理经验尚有不足。所以，引进安全性评价这种科学的管理方法，将会在很大程度上提高石油系统安全管理水平。3.2 安全评价的目的、内容与程序3.2.1 安全评价的目的开展安全评价工作，其目的是为了改善系统的安全状况，最大限度地降低事故率，减少经济
30、损失，即取得最优的安全投资效益。具体可以概括为：(1)提高企业安全管理水平，实现本质安全。安全管理水平的提高，从生产观点上讲，表示着职工安全素质的提高和生产的发展；从管理工作讲，能带动整个企业管理水平的提高和明确管理工作的改进方向；从经济意义上讲，可减少经济损失。(2)对系统中不能排除的危险，要控制到不至于严重危及人民生命财产安全的程度，对各种潜在的危险，在时间、技术、投资等各种条件限制下，减少到允许范围。(3)对生产性建设项目，从可行性研究、初步设计、施工图设计、直至竣工验收试生产的全过程进行评价控制。(4)安全评价可以起到防止同类事故发生的作用。3.2.2 安全评价的内容安全评价的具体内容
31、可根据评价对象的不同而不同，但就实质而言，其内容可用图3-1表示。由图3-1可见，安全评价包含危险性确认和危险性评价两个部分。对于危险性的辨识，应全面、透彻的找出系统中所存在的危险源，并尽可能有量的概念，同时还要对危险性反复校核，看看还有什么新的危险，在系统运转过程中，危险会有什么变化。对于危险性评价，则根据危险的影响范围与社会公认的安全指标进行比较，对危险性进行具体评价，安全指标值以内的即认为是安全的，安全值以外的则采取措施消除或降低危险性，使其达到允许的范围。最后还要确认一下，危险性是否排除或减少。图3-1 安全评价内容3.2.3 安全评价的程序(1)确定安全评价对象(系统)；(2)做好评
32、价前的准备：如确定评价方法、人员组织、制定评价工作计划等；(3)熟悉评价系统与资料收集：熟悉评价的对象和范围，收集国内外相关法规标准，了解同类设备、设计或工艺的生产和事故情况，评价对象的地理、气象条件及社会环境状况等；(4)对系统的危险源进行辨识：根据所评价的设备、设施或场所的地理、气象条件、工程建设方案、工艺流程、装置的布置、主要设备和仪表、原材料、中间体、产品的理化性质等，辨识和分析可能发生的事故。3.3 进行安全评价的要求(1)系统危险性的参数必须包括物的因素、人的因素和社会因素等；(2)应用的评价参数，必须是能用数值反映危险性的参数；(3)安全评价的结果应采用综合性的单一数字表达，为此
33、，必须弄清各个参数之间的相互关系，并能用数学模型表示他们的综合作用；(4)在安全评价过程中，应条理清楚，以便用不同的参数进行替换； (5)计算方法应力求简单，避免过于复杂，加大评价成本。还要强调的是：传统的安全观点认为安全和危险是两个互不相容的绝对概念，系统安全的观点则认为不存在绝对的安全，安全是一个模糊的概念，只能把危险减少到社会允许接受的程度，努力使严重事故发生的概率尽量降低。3.4 安全评价数学方法的研究3.4.1 常用的安全评价方法1、安全检查表法安全检查表法(Safety Check List)出现于20世纪20年代，是目前应用最广泛的风险评价方法。可以对现有的设备、设施或系统等评价
34、对象进行评价，并可获得定性的评价结果 他将被评价系统剖析，分成若干个单元或层次，列出各单元或各层次的危险因素，然后确定检查项目，把检查项目按单元或层次的组成顺序编制成表格，以提问或现场观察方式确定各检查项目的状况并填写到表格对应的项目上，从而对系统的安全状态进行评价。该方法有充分的时间组织有经验的人员来编写，不会漏掉能导致危险的关键因素；同时该方法简单易懂。但该方法只能作定性的评价，只能对已经存在的对象进行评价，对拟建或在建的对象进行评价，需找到相似或类似的对象。2、故障类型及影响分析法故障类型及影响分析(FMEA)是风险分析的重要方法之一，在设计阶段，主要是对各系统的各个主要组成部分进行分析
35、，找出它们所能产生的故障及其类型，查明每种类型对系统安全所带来的影响，判明故障的严重程度，从而采取防止或消除措施。一般步骤：(1)将系统分割成子系统；(2)分析每个子系统可能发生的失效模式；(3)根据失效模式对系统或子系统影响程度的不同，定性地或半定量地划分成不同的等级。该方法可以搞清系统和设备的所有故障形式及其对系统、功能和人员的影响；对有可能发生的故障类型，提出实际可行的检测方法和手段，为系统和设备的维修提供完善的资料等。由于FMEA通常受到时间、可用资源以及可用必要数据的限制，因此，最好用于早期的危险度分析，它经常与故障树分析相结合一起使用。3、模糊综合评价法模糊综合评价法是将专家打分的
36、模糊性转换成确定性，而且从最大程度上避免专家的主观性和偏好性的一种全面的定性的评价系统安全的方法。模糊综合评价方法的一般步骤 ：(1)确定影响安全的主要因素；(2)确定各影响因素的权重；(3)建立模糊综合评价；(4)根据不同情况采用不同运算算子作出评价。定性处理，使看似模糊不定的因素，变的容易掌握和评价。但是该方法主要是建立隶属函数，而模糊隶属度的确定带有很强的主观性和随意性，操作难度较大，有时根据人的经验不同，建立的隶属度函数就不同，这有可能影响评价的准确性和客观性，因此，在实际评价中应尽可能的多的征求专家的意见，建立合理的隶属度函数，从而提高模糊综合评价的准确性。4、安全事故树法事故树分析
37、(Fault Tree Analysis)是分析系统安全另一种最有效的逻辑方法， 目的是分析消防系统中事故产生的原因和评价消防系统潜在的危险。根据事故树可求出事故的最小割集和最小径集，在求最小割集时常采用“上行法”(Semanderes)和 “下行法”(FussellVasely)，依次找出事故发生的原因及控制点，根据控制要点进而进行多因素之间的安全关联分析。事故树分析一般分为以下几个阶段：(1)合理选择顶端事件，对于石化企业来说，一般选择“燃烧爆炸”作为顶端事件；(2)建造事故树，这是FTA的核心部分，通过对已有资料的分析，在系统设计和运营人员的帮助下，建造事故树；(3)建立事故树的数学模型
38、，对事故树进行简化或模块化；(4)进行可靠性定性和定量分析。故障树能清晰地用图说明系统是怎样失效的；故障树把系统的故障与组成系统部件的故障有机地联系在一起，通过故障树可以找出系统的全部可能的失效状态。但故障树分析需要花费大量的人力、物力和时间，有时也会发生遗漏和逻辑推理的缺点和错误，故障树分析由于受到统计数据的不确定性的影响，在定量分析中有很大困难。5、层次分析法层次分析法(AHPThe Analytic Hierarchy Process)是由美国著名数学家TL.Satty教授在70年代初提出的，是一种将定性分析和定量分析相结合的决策分析法。它可以使人们的思维过程层次化，逐层比较多种关联因素
39、，为分析、决策预测或控制事物的发展提供定量的依据。层次分析法力图模拟人在决策思维过中的三个基本特征(即分解、判断和综合)对复杂的问题进行分层次的、拟定量的规范化的处理，同时还在整个处理过程加入统计检验。层次分析法的基本思想是:把一个复杂的问题分解成各个组成因素，并按总标、子目标、评价标准直至具体措施的顺序分组形成递阶层次结构，通过两两较的方式确定层次中诸因素的相对重要性。然后利用求判断矩阵特征向量的方法求出每一层次各元素对上一层次某元素的权重，最后利用加权和的方法递阶归并求出方案对总目标的权重。由此可见，AHP主要包括两方面内容，一是建立层模型，二是确定各元素在单一准则下的相对权重及对目标层的
40、合成权重。3.4.2 钻井工程安全评价层次分析法的基本步骤油气钻井是一个多工种、多工序、立体交叉、连续作业的系统工程，也是隐蔽性很强的地下工程。由于油气钻井作业安全的影响因素众多，因素相互作用关系复杂，且存在非线性特征。本论文采用模糊层次分析法建立油气钻井作业安全评价指标体系结构，用模糊数学的方法给出每个指标相应的隶属函数以将其量化当同一层次的指标数量较少时，采用专家意见法确定权系数；当同一层次指标数量较多时，采用层次分析法确定权系数。然后采用模糊综合评判对油气钻井作业进行系统的安全评价。（1）分析问题，确定系统中各元素之间的关系，建立系统的递阶层次结构，即确定目标和评价因素集：将问题所包含的
41、因素分层，并按属性形成不同层次，即最高层、中间层和最底层。最高层也叫目标层，是问题的预定目标或理想结果；中间层也叫准则层，包括了为实现目标所涉及的中间环节，所需要考虑的准则，可由若干层次组成；最底层也称为措施层或方案层，包括为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等。递阶层次结构中的层数一般可不受限制，但每一层次中各元素所支配的元素一般的不要超过9个。这是因为支配的元素过多会给两两比较判断带来困难。例如，图3-2为一个三层递阶结构示意图。A为目标层，C为准则层，P为子准则层。图3-2 层次分析结构模型（2）构造两两比较判断矩阵：以A表示目标，所支配的下一层元素为u1,u2,un,aij表示元素u
42、i与uj相对于目标的重要性的比例标度，采用“19尺度”对其进行赋值。表3-1列出了19标度的含义。表3-1 19标度法标度含义1表示两个元素相比，具有同样重要性3表示两个元素相比，前者比后者稍重要5表示两个元素相比，前者比后者明显重要7表示两个元素相比，前者比后者强烈重要9表示两个元素相比，前者比后者极端重要2，4，6，8表示上述相邻判断的中间值倒数若元素ui与uj的重要性之比为aij，那么元素uj与ui重要性之比为aij=1/aji（3）计算单一准则下元素的相对权重。根据元素，对于某一准则的判断矩阵A求出它们对于该准则的相对权重向量。求权值的方法主要有和法、根法、特征根法(特征向量法)、对数
43、最小二乘法、最小二乘法等。其中最具代表性的是特征根法，即通过求解判断矩阵A的最大特征根，得到相应的特征向量W,，这时，W的分量(就是相应于n个因素的重要性，即权重。（4）一致性检验。为了评价层次排序的有效性，还必须对判断矩阵的评定结果进行一致性检验。所谓一致性是对计分合理与否的一个评价指标。计分明显不合理，则排序结果自然无效。但是，由于判断矩阵是由专家凭借经验模糊量化的，做到完全一致性是不可能的，为此，T.L.Saaty提出随机一致性比值概念，记分CR。且当CR0.1时，则认为一致性得到满足。当CR.0.1时，应对判断矩阵作适当修正，直到取得满意的一致性为止。CR的计算公式如下：式中，RI为比
44、例系数，与判断矩阵的阶数n有关，通过查表3-2得到。CI为一致性指标，其计算公式为：式中，为判断矩阵的最大特征根。表3-2 平均随机一致性指标RI矩阵阶数12345678RI000.520.891.121.261.361.41矩阵阶数9101112131415RI1.461.491.521.541.561.581.59（5）计算各层元素对目标层的合成权重，并进行总排序。合成权重的计算要自上而下，将各单准则下的权重进行合成，直至最低层的方案层。假定己求出第k-1层上n个元素相对于总目标的权重向量：第k层上l个元素对第k-l层上各元素的相对权重向量：（这是一个ln的矩阵）则第k层上元素对总目标的合
45、成权重向量w(k)为:由此可得，递推合成权重表达式：。3.5 层次分析法在钻井工程安全评价中的运用在之前钻井工程中并没有可以借鉴的安全评价方法，但是在煤矿生产和石化企业的安全评价中最常见的就是使用基于模糊数学的层次分析法。 安全评价的目的是得出系统状态的危险程度。由于指标的意义和表现形式各不相同，指标间不具有可比性和综合性，因此必须对定量指标进行无量纲化处理，即把性质、量纲各异的指标转化为可以综合的一个相对数量化值。模糊数学中指标的无量纲化处理实质上就是求解在一定区间内的模糊隶属度函数。基于模糊数学的层次分析法所构建的安全评价模型如下： （1）模型中为各项指标的模糊隶属度函数，为最底层知道相对
46、于最高层的权重，由层次分析法获得。由于钻井工程是一项隐蔽性很强的地下工程，诱导钻井事故发生的因素有很多也很复杂，再加上设计安全评价系统的过程中资料和数据的有限，本论文只能选择较为容易获得的数据作为评价参数，此次设计选取的定量风险概率评价参数包括钻井液参数和工程参数，这两项数据均由钻井施工现场传感器直接测得，在数据的搜集中也较为容易。这里就以井漏事故为例，介绍基于模糊数学的层次分析法在钻井工程安全评价系统中的计算过程。安全评价系统的界面功能主要包括：获取现场传感器的数据存入数据库；对数据进行求解，计算出各个评价指标的权重；根据钻井现场参数完成隶属度参数的输入；计算得出事故的风险概率，由此确定钻井
47、工程安全评价系统的开发方案，如图3-3所示。数据1数据2数据n数据库存储权重计算隶属度参数输入得出事故风险概率图3-3 安全评价系统流程图3.5.1 安全评价体系的建立根据安全评价系统中选取的引发井漏的各因素建立井漏的安全评价体系如图3-4所示：井漏安全评价指标体系A钻井液参数B1工程参数B2钻井液体积C1钻井液入口密度C2钻井液出口密度C3转盘扭矩C4泵压C5大钩负荷C6出口流量C7流量入口流量C8硫化氢含量C9立管压力C10钻速C11图3-4 井漏安全评价体系图3-2表示，影响井漏发生概率的因素有钻井液参数和工程参数。其中钻井液参数有钻井液体积、钻井液出口密度、钻井液入口密度；工程参数有转盘扭矩、泵压、大钩负荷、出口流量、入口流量、硫化氢
