（机械制造及其自动化专业论文）钻井工程安全动态评价方法研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 钻井工程安全动态评价方法研究 机械制造及其自动化 王潇( 签名) 王江萍( 签名) 要 钻井工程是一个极为复杂的多因素、多变量、多层次的动态过程和系统工程。针对 钻井过程中的危害特点和可能发生的危险，实现安全动态评价，是落实“安全第一，预 防为主”基本方针的具体体现，是实现钻井作业安全生产的基本前提。 本论文依托于中国石油化工行业h s e 管理体系标准，在参考大量安全评价资料的基 础上，综合国内外安全评价理论和技术研究现状，针对目前钻井工程安全评价存在的普 遍问题，提出并建立了钻井工程安全动态评价模型；论文将钻井工程和计算机科学与技 术紧密结合起来，编制了钻井工程安全动态评价系统软件。 论文通过对相关文献的研究及钻井现场数据采集，提出钻井工程动态安全评价的总 体方案和技术路线；同时通过对钻井常见事故产生原因及钻井工程事故参数特征的分析， 选取了安全评价指标，建立了钻井工程动态安全评价体系，并根据各指标特点，选取不 同隶属函数；针对目前安全评价方法的缺陷，为了避免评价结果不准确，安全评价指标 的权重被分解为两部分，并运用最小信息熵原理把这两部分综合为组合权重，实现钻井 工程安全的动态评价；分析处理异常数据，对出现异常的钻井参数，用模糊p i d 方法进 行控制调节，以消除和降低其危险程度，保证系统处于安全状态。 最后，本论文采用v i s u a lb a s i c 语言、m a t l a b 语言及a c c e s s 语言相结合的方法， 研究丌发钻井工程安全动态评价系统，实现钻井工程的监测、评价及控制模拟。本文所 采用的方法对钻井工程安全动态评价有理论指导意义，对于其他工程的安全评价也有一 定的借鉴作用。 关键词：钻井工程；安全评价；隶属度：模糊p i d 控制 论文类型：应用研究 h s u b j e c t ：s t u d yo nd y n a m i cs a f e t ye v a l u a t i o no fd r i l l i n ge n g i n e e r 、 a b s t r a c t d r i l l i n ge n g i n e e r i n gi sa l le x t r e m e l yc o m p l e xm u l t i f a c t o r , m u l t i v a r i a b l e ，m u l t i l e v e l d y n a m i cp r o c e s sa n ds y s t e me n g i n e e r i n g a i m e da tt h ed a m a g ed u r i n gt h ed r i l l i n gp r o c e s s ， s t u d i e so ns a f e t ye v a l u a t i o na r ec a r d e do u tt oi m p l e m e n tt h eb a s i cp r i n c i p l e s “s a f e t ya n d p r e v e n t i o nf i r s t ，a n dt h eb a s i cp r e m i s eo f t h ep r o d u c t i o ni nd r i l l i n gp r o c e s s b a s e do nt 1 1 ec h i n ap e t r o l e u ma n dc h e m i c a li n d u s t r yh s em a n a g e m e n ts y s t e m s t a i l d a r d t h e s a f e t ye v a l u a t i o nf o rd r i l l i n gp r o c e s sh a sb e e n s t u d i e di nt h i st h e s i s b y a 1 1 a j v 西t a gt h ee v a l u a t i o nt e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a d , t h em o d e lo fd y n a m i cs a f e t y e v a l u a t i o ni sd r o p o s e d t h ed r i l l i n gd y n a m i cs e c u r i t ya s s e s s m e n ts y s t e mi sf o u n d e dw i t ht h e m e t h o dw h i c hi n t e g r a t e st h ed r i l l i n ga n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y n l ew h o l em e t h o da n dt h et e c h n o l o g yc o u r s eo fd r i l l i n gd y n a m i cs e c u r i t ya s s e s s m e n t a l e d e v e l o p e db ys t u d y i n gl i t e r a t u r er e s e a r c ha n dc o l l e c t i n gd r i l l i n gf i e l dd a t a a tt h es a m et i m e ， t h er e a s o no fa c c i d e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd r i l l i n gp a r a m e t e r sa l es t u d i e d ，s e l e c t i n gt h e s a f e t ye v a l u a t i o n ，t h ed r i l l i n gd y n a m i cs e c u r i t ya s s e s s m e n ts y s t e m i sf o u n d e d ，a n dad i f f e r e n t m e m b e r s h i pf u n c t i o n sa r es e l e c t e db ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e a c hi n d e x ，v i e w i n go f t h ec u r r e n ts a f e t ya s s e s s m e n to ft h ed e f e c ta n da c h i e v i n gd y n a m i ce v a l u a t i o no f t h es a f e t yo f d r i l l i n ge n g i n e e r i n g 。t h ew e i g h to ft h ef a c t i sv a r i a b l e ，a n di ti n c l u d e st h ea t t r i b u t i v ew e i g h t a n dt l l er a i 墩w e i g h t t h e ya r eb o t hc a l c u l a t e dt h r o u g ht h em i n i m u mi n f o r m a t i o ne n t r o p yt o a v o i de n _ o re v a l u a t i o nr e s u l t s i no r d e rt oe n s u r et h es y s t e m i ss a f ea n dr e d u c er i s k ，t h ef u z z y p i dc o n t r o lm e t h o di su s e dt oa d j u s ta b n o r m a ld r i l l i n gp a r a m e t e r s f i n a l l v t 1 1 ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h es y s t e mo ft h ed r i l l i n gd y n a m i cs e c u r i t ya s s e s s m e n t t om o m t o r i n 舀d i a 星皿o s ea n dc o n t r o ls i m u l a t i o nb yi n t e g r a t i n gt h ed e v e l o p m e n tt o o l sv i s u a l b a s i c m a t l a b 谢也a c c e s s t h em e t h o du s e di nt h ed i s s e r t a t i o nh a st h ef u n c t i o no ft h e o r y i 1 1 s t r u c tt ot h ed r i l l i n gd y n a m i cs e c u r i t ya s s e s s m e n ta n d h a ss o m ef u n c t i o no fu s ef o rr e f e r e n c e t os e c u r i t ya s s e s s m e n to fo t h e r sw o r kc o n d i t i o n k e y w o r d s ：d r i l l i n g ；s a f e t ya s s e s s m e n t ；m e m b e r s h i p ；f u z z yp i d c o n t r o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 王逝 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：圣】盈l 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 安全生产是世界性的永恒课题，是我们追求的目标，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。因此，我们需要对钻井作业中的 每一个环节进行安全评价，力争把危险降到最低。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，并且能对钻井事 故判断和有效控制【l 】。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。加上受钻井管理体制和钻井运行机制等 因素的制约，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，甚至可能会导致全井报废，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，对钻井工程实施安全评价， 始终是钻井工程技术人员的主要工作目标。 1 2 安全评价技术现状研究 安全评价，也称危险评价、风险评价，是以实现工程、系统安全为目的，应用安 全系统工程原理，对生产系统中存在的隐患进行可靠确认并对其危险进行定性、定量 分析，进而提出安全对策、建议，以消除和降低系统危险程度，保证其处于安全状态 的一种方法，目前己获得了广泛的应用 2 1 。安全评价的目的就是消除导致系统危险的隐 患，以寻求最低的事故发生概率、最少的经济损失和最优的投资效益。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。 安全评价起源于三十年代美国的保险业，全面、系统地研究则始于六十年代，随着 航空航天、核工业、石油化工、煤炭等技术领域的发展，相继提出了一些评价方法，如 美国道化学公司提出的化工生产危险度评价法、英国帝国( i c d ) 化学公司蒙德分部提出的 “m o n d 评价法、日本劳动省提出的“六阶段评价法”和俄罗斯提出的化工过程危险 性评价法、以概率风险评价( p r a ) 为代表的系统安全评价法以及综合安全评价法等f 3 嘲。 目前，安全评价工作作为一种产业在国内外己出现，英国t e c h n i c a 有限公司、荷兰应用 科学研究院、欧共体l s p r a 联合研究中心，意大利s t a 公司等对安全评价做了深入研究 并开发了相应的安全评价软件 7 1 。 我国于八十年代初期开始安全评价的研究工作，在化工、冶金、机电、航空、交通、 煤炭等行业开始在企业中试行安全评价，1 9 8 8 年机械电子工业部颁布的机械工厂安全 评价标准；1 9 9 2 年化工部制订的化工厂危险程度分级方法；劳动部、北京理工大学 完成的易燃、易爆、有毒重大危险源的安全评价技术；石油化工行业也推出了安全、 环境与健康( h s e ) 管理体系等。与此同时，一些科研院校和科研单位、企业也相继开 西安石油大学硕+ 学位论文 展了安全评价技术的研究工作，如北方交大、西南交大、苏州工学院、东北大学等也开 相关研究【8 - 1 3 1 。 目前，安全评价与现代数学方法和计算机技术相结合，开拓了一个更为广阔的应用 前景，如以模糊数学为基础的模糊故障树分析法、模糊概率法、模糊综合评价法等；以 计算机专家系统、知识决策系统、人工神经网络技术和计算机网络等为基础的信息管理 与评价系统以及实时动态安全评价等；此外，组合评价方法也得到了应用。这些方法已 在核工业、石油化工、煤炭等领域得到了应用【1 4 - 】。要进行安全评价，必须要有合理的 安全评价方法，本文就是对此进行的研究。 1 3 常见安全评价方法分析 按照安全评价结果的量化程度，安全评价方法可分为定性评价法和定量安全评价方 法： ( 1 ) 定性安全评价方法 定性安全评价方法主要是依据以往的经验和直观判断对生产系统的工艺、设备、设 施环境、人员和管理等方面的状况进行的定性分析，安全评价的结果是一些定性的指标， 如是否达到了某项安全指标，是否属于某种事故类别和导致事故发生的因素等。属于定 性的安全评价方法有：安全检查表法，专家评议法，因素图分析法，预先危险分析法， 故障假设分析法法，故障类型和影响性分析，危险与可操作性研究等。 ( 2 ) 定量安全评价方法 定量安全评价是运用基于大量试验结果和广泛的事故资料统计分析获得的指标的规 律，对生产的工艺、设备、外在环境、人员和管理等方面的状况进行定量的计算，安全 评价结果是一些定量的指标，如事故发生的概率，事故的伤害范围，定量的危险性，事 故致因因素及事故关联度或重要度等。按照安全评价给出的定量结果的类别不同，定量 安全评价方法还可分为概率风险评价法、伤害范围评价法、多指标综合评价和危险指数 评价法等。 1 3 1 安全检查表法 安全检查表1 8 】( s a f e t yc h e c k l i s ta n a l y s i s ，缩写s c a ) 是依据相关的行业标准、实 施规范，对工程、系统中已知的危险因素、设计缺陷以及与操作设备、技术、管理有关 的潜在危险性和有害性进行判别检查，可以说是第一个安全评价方法。一般为了避免检 查项目遗漏，事先把检查对象分割成若干部分，以提问或打分的形式，将检查项目列表， 这种表就称为安全检查表。它是系统安全工程的一种最基础、最简便、广泛应用的系统 危险性评价方法。目前，安全检查表在我国不仅用于查找系统中各种潜在的事故隐患， 还可以对各检查项目给予量化，用于系统的安全评价。 ( 1 ) 安全检查表主要有以下优点 2 第一章绪论 检查项目的系统性、完整性，可以做到不遗漏任何能导致危险的因素， 的安全检查中的易发生疏忽、遗漏等弊端，因而能保证安全检查的质量。 可以根据现在已有的规章制度、行业标准、规程等，检查其执行情况， 的评价。 避免传统 得出准确 由于安全检查表采用提问的方式，中间有问有答，这样能给人以深刻的印象，可 以使参与的人员知道如何做才是正确的，从而可起到安全教育的作用。此外对于编制安 全检查表的人员来说，编制检查表的过程本身就是一个系统安全分析的过程，因此可以 使编制及检查人员对系统的认识更加深刻，也更便于发现危险因素。 对不同的检查对象、检查目的可以有不同的检查表，安全检查表法应用范围广。 ( 2 ) 安全检查表缺点 由于针对不同的需要，需要事先编制大量的检查表，这样做不仅工作量大而且安全 检查表的质量也要受编制人员的知识水平和经验影响。 1 3 2 专家评议法 专家评议法1 1 9 】是一种吸收领域专家参与，根据所评价对象的过去、现在及发展趋势， 结合专家经验，对被评价对象的进行分析、预测的方法。 相对于其它安全评价方法而言，专家评议法简单易行，由于要包含专业、安全、评 价等方面的专家参加，而且所邀请的专家在专业理论上都有着较深的造诣及丰富的实践 经验，比较客观，最后将专家的意见采用逻辑推理的方法进行综合、归纳，这样所得出 的结论一般是比较全面、正确的。特别是通过专家质疑及事物正反两方面的讨论，会使 提出的问题更深入、更全面，最后所形成的结论性建议会更科学、合理。但是，由于要 求参加评价的专家有较高的水平，因此并不是所有的工程项目都适用本方法。 专家评议法适用于需要比较的工程项目、系统和装置的安全评价，它可以充分发挥 专家丰富的实践经验和理论知识。此外，专项安全评价也经常采用这种评价方法，运用 该方法，可以将问题研究的更深入、更透彻，同时可以得出具体执行意见和结论，便于 操作者进行科学决策。 1 3 3 预先危险分析法 预先危险分析( p r e l i m i n a r yh a z a r da n a l y s i s ，缩写p h a ) 又叫初步危险分析【2 0 】，是 一种起源于美国用标准安全计划要求方法。我们可运用它对运行系统的最初安全状态进 行检查，是系统的第一次危险分析。通过这种分析我们就可以找出系统中的主要危险， 同时对这些危险要作估算，或者要求安全工程师控制它们，从而达到可接受的系统安全 状态。最初时采用p h a 的目的不是为了控制危险，而是为了了解与系统有关的所有状态。 p h a 的另一作用是确定在系统安全分析的最后阶段采用怎样的故障树。另外，预先危险 分析还是建立其他危险分析的基础，是基本的一种分析。 3 两安石油大学硕士学位论文 在预先危险分析中，分析人员应该充分考虑系统的特点，列出系统中的危险状态。 使用p h a 有以下优点： 方法简单易行、有效； 能为系统分析和设计提供指南； 能识别可能的危险。 但它也有一定的适用范围，该法一般在项目的发展初期使用。同时对于那些只希望 对危险进行粗略的判断和事故情况分析时，也可以用p h a 。 1 3 4 故障假设分析法 故障假设分析( w h a t i f a n a l y s i s ) 方法是对某一生产过程或工艺过程的创造性分 析方法【2 。由于要通过提出一系列“如果怎么办? 的问题，来发现可能和潜在的 事故隐患从而对系统进行彻底检查，因此使用该方法时，要求参与人员应对工艺熟悉。 故障假设分析通常对工艺过程进行审查，一般要求评价人员用“w h a t i f 作为开 头对有关问题进行考虑。故障假设分析结果将找出暗含在分析组所提出的问题和争论中 的可能事故情况。这些问题和争论常常指出了故障发生的原因。通常要将所有的问题记 录下来，然后进行分类。 该方法要求要检查包括设计、安装、技改及操作过程中可能产生的偏差。需要评价 人员对工艺规程熟知，并对可能导致事故的设计偏差进行整合。 故障假设分析方法较为灵活，适用范围很广，它可以用于工程、系统安全评价的任 何阶段。 故障假设分析方法鼓励参与者思考潜在的事故和后果，它弥补了基于经验的安全检 查表编制时受编制人水平制约的不足，相反，检查表可以把故障假设分析方法更系统化。 因此我们在对系统进行安全评价时可以采用将安全检查表法与故障假设分析法在一起使 用的分析方法，这样就可以发挥各自的优点，互相取长补短。 1 3 5 危险与可操作性研究 危险与可操作性研究( h a z a r da n do p e r a b i l i t y a n a l y s i s ，简称h a z o p ) 【2 2 1 是英国帝 国化学工业公司( i c i ) 于1 9 7 4 年开发的，是以系统工程为基础，主要针对化工设备、 装置而开发的危险性安全评价方法。该方法研究的基本过程是以关键词为引导，寻找系 统过程中工艺状态的变化( 即偏差) ，然后再进一步分析造成该变化的原因、可能的后果， 并提出有针对的提出必要的预防对策措施。 采用这种安全评价方法，可以查处系统中存在的危险、有害因素，并能从危险、有 害因素可能导致的事故后果的角度来分析、确定设备、装置中的主要危险、有害因素。 该方法优点是简便易行，它使背景各异的专家们在一起工作，这样就可以充分发挥各领 域专家们的创造性思维，并且相互之间互相影响和启发，就能够发现和检查出更多的问 4 第一章绪论 题，要比他们独立工作并分别提供工作结果更为有效。其缺点是分析结果受评价人员主 观因素的影响。 危险与可操作性研究方法适用于设计阶段并对现有的生产装置的评价。危险和可操 作性评价方法的本质，就是通过一系列专家讨论，对生产流程和操作规范进行分析，由 各种专业人员按照要求的方法对偏离设计的工艺条件进行过程危险和可操作性研究，是 帝国化学工业公司最早确定要由一个多方面专家组成的专业小组执行危险和可操作性评 价工作的。因此，虽然单个专家也可以直接使用危险与可操作性分析方法，但其评价结 果就要大打折扣。所以，危险和可操作性分析技术与其它安全评价方法的明显不同之处 是：其它方法可由单个人独自去做，而危险和可操作性分析则必须由一个多方面领域专 家、技术人员组成的小组来完成。 1 3 6 故障树分析法 故障树分析法( f a u l tt r e ea n a l y s i s ，缩写f t a ) 是6 0 年代以来迅速发展的系统可靠 性分析方法，它采用逻辑方法，将事故因果关系形象的描述为一种有方向的“树 ：把 系统可能发生或已发生的事故( 称为顶事件) 作为分析起点，将导致事故原因的事件按 因果逻辑关系逐层列出，用树性图表示出来，构成一种逻辑模型，然后定性或定量的分 析事件发生的各种可能途径及发生的概率，找出避免事故发生的各种方案并优选出最佳 安全对策。f t a 法形象、清晰，逻辑性强，它能对各种系统的危险性进行识别评价，既 适用于定性分析，又能进行定量分析【2 3 】。 顶事件通常是由故障假设、h a z o p 等安全评价分析方法识别出来的，也可以算成 一种组合评价方法。故障树模型是原因事件( 既故障) 的组合( 称为故障模式或失效模 式) ，这种组合导致顶上事件。而这些故障模式称为割集，最小割集是原因事件的最小组 合。若要使顶事件发生，则要求最小割集中的所有事件必须全部发生。 我国在1 9 7 8 年由天津东方化工厂首先将该方法用于高氯酸生产过程中的危险性分 析，对减少和预防事故的发生取得了明显的效果。之后又在化工、冶金、机械、航空等 工业部门得到普遍的推广和应用。它具有以下几个特点： ( 1 ) 故障树分析法可以分析所评价对象之间的因果关系，能详细找出各系统各种固 有的潜在危险因素，为技术设计、制定相关措施和管理方面要点提供了安全依据。 ( 2 ) 能简洁形象地表示出事故和个原因之间的因果关系及逻辑关系。 ( 3 ) 在事故分析中，顶上事件可以是已发生的事故，也可以是假设的事故。评价人 员通过分析评价对象找出产生危害的原因，并采取相应的控制策略，从而起到预测、预 防事故的作用。 ( 4 ) 故障树分析法不仅用于定性分析，即求出危险因素对评价对象影响的大小：也 可以用于定量分析，即通过各危险因素发生的概率来计算出评价对象发生事故的概率， 从数字上说明被评价对象是否能满足预定的要求，从而可以确定采取措施的重点和轻、 西安石油大学硕+ 学位论文 重、缓、急顺序。 ( 5 ) 可选择任何的事件作为顶上事件进行分析。 ( 6 ) 分析人员必须非常熟悉所评价对象，要求其要具有丰富的实践经验，能准确和 熟悉地应用分析方法。因此受评价人员水平不同的影响，往往会出现不同分析人员编制 的事故树和分析结果不同的现象。 ( 7 ) 复杂系统的事故树往往很庞大，使得后期分析、计算的工作量大。 ( 8 ) 进行定量分析时，必须知道事故树中各事件的故障数据；如果这些数据不准确， 定量分析就不可能进行。 1 3 7 多指标综合评价方法 多指标综合评价的方法很多，如层次分析法、灰色关联度评价方法、模糊综合评价 方法以及多元统计的综合评价法。简单介绍如下 2 4 - 2 8 】： ( 1 ) 层次分析法 层次分析法是建立在系统理论基础上的一种解决实际问题的方法。用层次分析法作 安全评价，首先要把问题层次化。根据问题的性质和达到的总目标，将问题分解为不同 的组成因素，并按照因素间的相互关系、影响将所评价因素按不同层次聚集组合，形成 一个多层次的分析结构模型，并最终把系统分析归结为最底层相对于最高层的相对重要 性权值的确定。层次分析法把非常复杂的系统分析简化为各种因素之间的成对比较判断 和简单的排序计算，从而使很多难以用参数型数学模型方法解决的复杂系统的分析成为 可能。 ( 2 ) 模糊综合评价法 模糊综合评价法是应用模糊关系合成的原理，从多个冈素对评判枣物隶属等级状况 进行综合性评价的一种方法。模糊综合评价作模糊数学的一种具体应用方法，最早是由 我国学者汪培庄提出的。该方法实用性较强，既可用于主观指标的综合评判，又可用于 客观指标的综合评判。该方法的应用范围较广泛，特别是在主观指标的综合评判中，模 糊综合评判可以发挥模糊数学方法的独特作用，评价效果优于其他方法。 ( 3 ) 多元统计综合评价法 多元统计方法主要有主成分分析法，因子分析法等。主成分分析是通过适当的数学 变换，使新变量成为原变量的组合，并寻求主成分量来分析事物的一种评价方式，它是 一种统计分析方法，即把多个评价指标化为少数几个典型指标，然后再简化层次结构， 消除指标间相关性，主成分分析法在选择指标子集合等方面有着重要的作用和显著的效 果。因子分析也是一种较为实用的多元统计方法，它是在主成份的基础上发展起来的， 因子分析的重点就是要从与有关变量相关的数据中找出起决定作用的若干基本因子，从 而得到对事物更深刻的认识。 ( 4 ) 灰色关联度分析法 6 第一章绪论 灰色关联度分析法是从发展的态势考察不同的比较被评价数列对参考数列的影响， 并以量化结果的大小来客观地反映比较因素对参考因素的影响程度，为多因素系统分析 提供了行之有效的手段。 1 3 8 石油天然气企业安全管理体系 石油天然气企业也有自己的安全评价方法，即健康、安全与环境( h s e ) 管理体系。 这一体系的提出是由于随着现代石油石化生产技术的发展，火灾、爆炸、中毒等重大事 故的频频发生，不仅给企业带来了高额的经济损失，也使石油石化产业长期处于高能耗、 高污染、高破坏的境地。例如：如1 9 8 7 年的瑞士s a n d e z 大火，1 9 8 8 年英国北海油田 的帕玻尔阿尔法平台事故，以及1 9 8 9 年的e x x o n 公司v a l d e z 泄油等，这些重大事 故引起了国际工业界的普遍关注。1 9 9 1 年，在荷兰海牙召开了第一届油气勘探、开发的 健康、安全、环保国际会议，h s e 这一概念逐步为大家所接受。h s e 管理体系将健康、 安全、环境融为一体，将企业追求最大利润的天性逐步变为保全生命质量、保护环境的 持续利用与追逐利润并重，使企业的管理目标特别突出了人的健康、安全和环境保护 2 9 - 3 h o 许多大石油公司非常关注h s e 管理体系的建立。如壳牌公司，1 9 8 5 年，首次在石 油勘探开发领域提出了强化安全管理( e n h a n c es a f e t ym a n a g e m e n t ) 的构想和方法。1 9 8 6 年，在强化安全管理的基础上，形成安全管理手册，h s e 管理体系初现端倪。在一1 9 9 0 年制定了自己的安全管理体系( s m s ) ；1 9 9 1 年，颁布了健康、安全与环境( h s e ) 方 针指南；1 9 9 2 年，正式出版安全管理体系标准e p 9 2 - - 0 1 1 0 0 ；1 9 9 4 年，正式颁布健康、 安全与环境管理体系导则。 中国石油天然气行业为在安全、环境和健康管理体系方面既符合中国石油天然气行 业的特色，又逐步实现与国际的接轨，作了大量的调研、宣贯、起草试行标准及试点等 工作。经过数年的努力，中石化集团公司于2 0 0 1 年2 月8 日发布了集团公司h s e 管理 体系标准，共1 0 个标准，包括1 个体系、4 个规范和5 个指南。 1 个体系是指中国石化集团公司安全、环境与健康( h s e ) 管理体系； 4 个规范是指油田企业h s e 管理规范、炼化企业h s e 管理规范、施工企业 h s e 管理规范、销售企业h s e 管理规范； 5 个指南是指油田企业基层队h s e 实施程序编制指南、炼油化工企业生产车 间( 装置) h s e 实施程序编制指南、销售企业油库、加油站h s e 实施程序编制指南、 施工企业工程项目h s e 实施程序编制指南和职能部门h s e 职责实施计划编制指 南。 中国石化集团公司安全、环境与健康( h s e ) 管理体系规定了安全、环境与健 康管理体系的基本要求，适用于中国石油化工集团公司及直属企业的h s e 管理工作。而 4 个h s e 管理规范是石化集团公司h s e 管理体系的支持性文件，是集团公司直属企业 7 西安石油大学硕士学位论文 实施h s e 管理的具体要求和规定，描述企业的安全、环境与健康管理的承诺、方针和目 标以及企业对安全、环境与健康管理的主要控制环节和程序。 中国石化集团公司安全、环境与健康( h s e ) 管理体系中也提出了一套完整的 安全评价程序，其主要包括：准备阶段，危险、有害因素识别与分析，定性定量评价， 提出安全对策措施，形成安全评价结论及建议，编制安全报告3 2 1 等，它是一个对安全管 理具有指导意义的标准文件。 1 4 本论文研究的主要工作内容 钻井作业系统是非线性动力学系统，其结构关系不完全清晰，内涵无法用特定的数 学函数表示，是一个典型的灰色系统，对此方面的研究困难很大。 针对钻井作业，国内外关于其安全评价理论、方法和应用的研究存在着如下问题： ( 1 ) 在钻井风险评价中，目前采用的一般是定性分析的方法，只能对系统安全性做出 大致性评价。 ( 2 ) 由于风险的复杂性和随机性，度量其风险确实存在很大的困难，所以，在国内外 刊物上偶尔有单因素钻井风险评价的介绍，而对多因素钻井风险综合评价，鲜少 报道。 ( 3 ) 在确定钻井风险因素指标权重的时候，往往很大程度上取决于评价人员的个人经 验，不同经历的人员会评价出不同结果，有时评价结果甚至会大相径庭。 ( 4 ) 石油天然气企业h s e 管理体系更多的是针对整个石油天然气行业的动态管理评 价，并不完全适用于钻井工程安全动态评价。 ( 5 ) 目前的安全评价更多的只是评价一个系统当前的安全状况，而并未对这个状况提 出相应的安全对策措施。 针对以上问题，提出具体的研究内容如下： ( 1 ) 现场实习，收集资料，确定钻井工程的重大的危险源及其影响因素； ( 2 ) 根据对钻井工程中自然因素、地质因素、管理因素、工程因素等各方面的分析， 采用模糊综合评判构建安全评价模型；对于以往权重确定过于依赖专家经验的不足，采 用基于信息熵的层次分析法，将专家经验与现场实际相结合，实现系统的动态评价； ( 3 ) 针对评价指标的模糊性，采用模糊数学的方法来实现钻井事故安全评价指标量 化； ( 4 ) 对出现异常的钻井参数，用模糊p i d 方法进行控制调节，以确保其波动在正常 值范围内； ( 5 ) 开发了钻井工程安全动态评价系统的各种数据库，及钻井工程安全动态评价软 件。 “钻井工程安全动态评价方法研究 参考中国石化集团公司安全、环境与健康 ( h s e ) 管理体系，在吸收国内外先进技术的基础上，结合钻井工程实际，把钻井工程、 8 第一章绪论 安全评价技术和计算机科学与技术紧密结合起来，开发一种具有动态监测的智能安全评 价系统，提高钻井安全评价的可视性、可控制性，降低事故发生率，提高效率，节约成 本，实现数字化、智能化、网络化钻井安全评价系统。 本文研究来自于陕西省自然科学基金项目“石油钻井过程安全预警与多源信息融合 智能监控技术研究( 编号：2 0 0 6 e 1 2 ) ；陕西省教育厅专项科研计划项目“基于信息融合 的钻井过程事故智能监控与预警技术( 编号：0 7 j k 3 6 5 ) 的资助。 9 西安石油大学硕+ 学位论文 第二章安全评价指标体系构建 由于钻井的隐蔽性、复杂性，所以安全是整个钻井过程的主导思想。有些时候，因 为人们对钻井事故产生原因了解的不够透彻，难免会发生人们所预料不到的结果。所以 我们有必要对钻井事故产生原因进行分析，以便能更好的选取安全评价指标。 2 1 常见钻井工程复杂情况与事故 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。其中包括井塌，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，有害气体不溢出等【3 3 。3 5 1 。 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。主要事故有钻具断落，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 管事故等事故【3 6 。羽。 2 1 1 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，主要可分为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、压力下发生蠕变的赫岩层、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 1 2 卡钻 卡钻就足钻具失去了活动的自由，既不能转动又不能上下活动，这是钻并过程中常 1 0 第二章安全评价指标体系构建 见的井下事故。卡钻可以由各种原因造成，如粘吸卡钻、坍塌卡钻、砂桥卡钻、缩径卡 钻、键槽卡钻、泥包卡钻、落物卡钻、水泥固结卡钻等。各种卡钻产生的机理不同，处 理的方法也各异。所以当卡钻事故发生后，首先耍弄清卡钻的性质，通过各种现象及可 能获得的各种信息查出病因，才能对症下药。 据统计陕北油田常见卡钻事故有粘吸卡钻，占事故总数的5 0 ；坍塌卡钻，占事故 总数的1 5 ；沉砂卡钻，占事故总数的2 0 ；小井眼卡钻，占事故总数的5 。下面分析 几种常见卡钻事故产生的原因： 一、粘吸卡钻 粘吸卡钻，又叫压差卡钻，是钻井过程中常见的钻井事故。井壁上有滤饼的存在是 造成粘吸卡钻的内在原因，因为大多数钻井液是含有固相的流体，其中固相颗粒吸附在 井壁上就形成了滤饼。而地层孔隙压力和钻井液液柱压力的压差存在，是形成粘吸卡钻 的外在原因。粘吸卡钻的征兆有： ( 1 ) 粘吸卡钻是在钻柱静止的状态下发生的。因此，卡钻前钻具上下活动、转动均 不会有阻力，这和钻井液体系、性能、钻具结构等有密切关系。 ( 2 ) 粘吸卡钻前后，钻井液循环正常，进出口流量平衡。 二、坍塌卡钻 坍塌卡钻是井壁失稳造成的，是卡钻中性质最为恶劣的一种。而造成井壁失稳的原 因有地质方面的因素和工艺方面因素等。 其中，地层方面的原因有地层压力的存在、地层的构造状态、岩石本身性质等；工 艺方面的原因主要有钻井液液柱不能平衡地层压力，这和钻井液密度有关、钻井液体系 河流变性能与地层特性不相适应，如果钻井液流量大很容易引起井塌、井斜与方位的影 响、钻具组合影响等，此外，井喷也容易引起井塌。井塌的征兆有以下两个方面： ( 1 ) 在钻进过程中发生井塌 如果是轻微的坍塌，则钻井液性能不稳定，密度，黏度都要升高，返出钻屑增多， 如果坍塌层是正钻地层，则钻进困难，扭矩增大，钻头放不到井底。 ( 2 ) 起钻时发生井塌 正常情况下，起钻时不会发生井塌。但在发生井漏后，或在起钻过程中未灌满钻井 液或少灌钻井液，则有发生井塌的危险。井塌发生后，钻具可以转动，但扭矩增大。 ( 3 ) 下钻前发生井塌 井塌发生后，如果塌落的碎屑不集中，则井口不返钻井液。如果塌落的钻屑集中， 则下钻遇阻，泵压升高，悬重下降，井口返出流量减少或者不返。 三、沉砂卡钻 沉砂卡钻又叫砂桥卡钻，性质和坍塌卡钻差不多。其发生的主要原因有地层因素、 钻机机械钻速快、钻井液性能改变等。其主要征兆为下钻时井口不返钻井液，随着钻具 的继续深入，阻力逐渐增加，当未完全形成砂桥时，钻具下入而悬重并不增加，当钻具 1 1 西安石油人学硕士学位论文 进入砂桥后悬重下降。 四、缩径卡钻 缩径卡钻又称小井陉卡钻，其发生的原因主要与地质因素和钻井液性能变化有关。 在卡钻事故中，粘吸卡钻算是最简单的一种。但在一种卡钻事故发生之后，往作又 会诱发另一种卡钻。如在缩径卡钻、键槽卡钻、落物卡钻发生之后，由于钻柱失去了自 由活动的动力，又会发生粘吸卡钻。粘吸卡钻发生之后，由子处理不当，又会诱发坍塌 卡钻。所以在一种卡钻发生之后，要采取适当的措施防止另一种卡钻的发生。致使其形 成复合式卡钻，这样处理起来就增加了难度。 2 1 3 井喷 钻井中由于各种原因造成地层流体流入井筒，使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 造成井喷的原因有三个基本条件：连通性好的地层；有流体( 油、气、水) 存在；有 一定的地层压力。一般如果地层压力大于井底压力就会产生溢流，随着溢流的加重，势 必会导致井涌甚至井喷。而井底压力小于地层压力的原因主要有以下几种： 一是地层压力掌握不准，设计的钻井液密度过低； 二是井内钻井液柱压力降低； 三是起钻时的抽吸压力。抽吸压力是指在起钻过程中，由于钻具在井内向上运动， 引起井内液压降低，而所降低的压力就叫抽吸压力。抽吸压力和钻井液性能、钻具结构、 起钻速度有直接关系。 ( 2 ) 井喷征兆 一般当钻速加快时就要注意观察是否发生溢流，此时会有钻井液返出量增大，钻井 液池液面上升钻进时悬重增加或减少，返出的钻井液密度下降，颜色变暗，在井底有硫 化氢溢出等征兆。 2 1 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。 1 2 第二章安全评价指标体系构建 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，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 1 5 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 1 6 落物