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基于化工安全分析的页岩气开采过程风险评估

2025-05-09 61 上传者：管理员

摘要：为了识别和量化页岩气开采过程中的关键风险因素，为安全管理提供科学依据，通过化工安全分析方法构建页岩气开采过程的风险评估体系和方法。首先识别了页岩气开采的主要风险因素，包括井喷、压裂液泄漏、设备故障、气体泄漏及地质风险等，并探讨了其潜在影响。其次，综合应用故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）及层次分析法（AHP）等模型，构建了涵盖危险源识别、风险概率与影响评估、风险矩阵动态调整的完整风险评估流程。通过某页岩气田的案例分析，验证了方法的有效性：井喷与地震诱发事件综合风险值最高（6000），需优先管控；压裂液泄漏和井壁坍塌次之（4500和5250），设备故障等风险相对可控（2000）。研究结果表明，该方法能科学量化风险，为制定安全管理措施提供依据，有助于降低事故率并推动页岩气行业可持续发展。

关键词：
化工安全分析
天然气资源
能源供应
页岩气开采
风险评估
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随着全球能源结构的不断调整与优化,页岩气作为一种重要的非常规天然气资源,已经成为许多国家能源供应体系中的关键组成部分｡然而,页岩气的开采过程涉及复杂的技术工艺与设备运行,同时伴随着一系列潜在的安全风险,尤其是在化学品使用､井下操作､压力控制及环境保护等方面,若未得到有效识别与管理,将可能引发严重的安全事故､环境污染及资源浪费｡因此,科学且系统的风险评估已成为页岩气开采过程中不可或缺的环节,它能够帮助相关企业及时识别潜在风险､优化生产流程,并为应急预案的制定与安全管理措施的完善提供理论依据｡薛彦明[1]研究了页岩气开采过程中的腐蚀问题,发现高温､高压及酸性气体环境是主要腐蚀源,提出了多种防护措施,为提高开采设备的安全性提供了理论依据｡卢志炜等人[2]探讨了页岩气开采中的压力变化与气液传质规律,研究表明压力波动会影响气液传输效率,优化此过程有助于提升资源回采率｡赵鹏等人[3]通过三维数值模拟分析了CO2增强页岩气开采及地质埋存,发现CO2注入不仅提升了开采效率,还能有效地进行温室气体埋存,对绿色开采具有重要意义｡黄明华等人[4]总结了页岩气开采的关键技术,强调了分层压裂技术的应用,能够显著提高产气率和开采效益｡马亮等人[5]研究了页岩气井口装置的泄漏风险,提出了加强安全设计和监测的防护措施,有效降低了隐患｡文章主要讨论基于化工安全分析的页岩气开采过程中的风险评估,并选择了合适的风评评价模型｡通过对页岩气开采的各个环节进行详细分析,展示应用风评模型来识别和量化潜在的风险｡研究表明化工安全分析方法能够有效识别和区分不同类型的风险,进一步为页岩气开采过程中潜在的危险提供科学依据｡此外强调环保和资源管理的重要性,提出通过加强环境污染控制､气体排放减少等措施来优化开采流程｡

1、页岩气开采过程中的主要风险因素

页岩气开采过程中,主要风险因素涵盖了多个环节,涉及物理､化学及环境等方面的复杂交织,井下作业中的井喷､井壁坍塌､设备故障､气体泄漏等风险是最为常见且具有高危性的事件,任何一个环节的失控都可能导致严重的安全事故｡特别是在水力压裂过程中,压裂液的高压注入和井下裂缝的扩展增加了作业过程中的潜在风险,如井筒破裂､管道失效等,这些风险不仅可能导致资源损失,还可能引发环境污染事故｡与此同时,化学品的使用也是页岩气开采过程中的重大风险源,压裂液中包含的有毒有害化学物质若泄漏或未妥善处理,将对水源､土壤及空气造成长期影响｡另一类主要风险因素则体现在开采过程中由于压力管理不当而导致的气体泄漏,尤其是在高压环境下,天然气泄漏的发生可能引起爆炸或火灾等灾难性后果｡此外,钻井作业中常见的钻头卡滞､机械设备故障､钻井液漏失等问题,也会对作业安全构成威胁｡与此相关的还有地质风险,如地震诱发､地层压力异常等,这些地质因素直接影响开采过程的顺利进行,且一旦发生地质灾害,往往会造成不可预见的严重后果[1]｡

2、基于化工安全分析的风险评估方法

2.1风险评估模型选择

在化工生产过程的风险评估中,常见的风险评估模型包括故障树分析(FTA)､事件树分析(ETA)､层次分析法(AHP)､模糊综合评判法等,每种方法在适用性､分析深度与复杂度上各有特点｡在页岩气开采过程中,故障树分析属于一种自顶向下的风险评估方法,能够通过对潜在故障模式进行逐层分析,揭示系统中的关键风险点,尤其适用于识别设备失效､操作失误等直接导致安全事故的因素｡事件树分析则采用自底向上的方法,侧重于分析单一事件发生后可能导致的一系列连锁反应,能够评估事故发生后的发展过程及最终后果,适合于评估复杂系统中的多因素交互效应｡层次分析法则通过构建层次结构模型,将复杂的风险评估问题分解为多个层级,结合专家判断与定量分析,能够为多维度的风险决策提供综合评估,适用于具有高度不确定性的系统｡模糊综合评判法则弥补了传统定量分析方法在处理不确定性和模糊信息时的不足,特别适用于在数据不足或信息不完全的情况下进行风险评估｡在页岩气开采的风险评估中,往往采用多模型集成的方法,结合FTA与ETA对故障模式和事件后果进行双重分析,同时运用AHP对专家评判进行量化,以确保评估结果的全面性与科学性[2]｡

2.2危险源识别

在页岩气开采过程中,危险源识别的核心任务是系统地识别出所有可能对人员安全､设备稳定性､环境保护等方面造成威胁的潜在危险因素,包括物理风险源,如井喷､地层破裂､设备故障等,还涵盖化学风险源､环境风险源及人为操作失误等多重因素｡通过对开采过程中各个环节的详细剖析,包括钻井作业､压裂液注入､天然气抽采､设备运维等,识别潜在的危险源,能够为后续的风险评估提供数据支持和理论依据｡在实际应用中,危险源识别通常采用层次分析法(AHP)与故障树分析(FTA)相结合的方式,通过对各类危险源进行层次化分类,从系统的各个角度展开识别,确保不遗漏任何潜在的风险点｡通过构建一个详细的危险源数据库,可以结合历史事故数据与专家评判,量化各类危险源的发生概率和影响程度,从而为风险矩阵的构建提供必要的数据基础｡页岩气开采过程中常见危险源类别见表1｡

表1常见危险源类别

在页岩气开采风险评估体系中,风险矩阵的构建以量化化工过程中的潜在危险性为核心,主要依托事故发生的可能性P与后果严重性S两个维度进行评判,并以二维矩阵形式表达不同风险等级区域｡为了提高风险识别的实时性和评价的科学性,首先需要对风险值进行数值化处理,定义基本风险值RRR为:

其中,R表示单一风险事件的风险等级数值化结果;P∈[1,5]表示该事件在规定时间或作业周期内发生的相对可能性等级,其中1表示极低,5表示极高;S∈[1,5]为该事件一旦发生所带来的后果严重性等级,1表示影响极小,5表示致命性后果或重大财产损失｡该公式在风险矩阵构建中的具体应用表现为将所有可能的风险事件以P−S对应构建矩阵表格,其中每一单元格表示具体组合的风险水平,进而据此划分为可接受风险区､需监控风险区与需立即干预区等,构成风险等级区块的划分依据｡

为增强风险矩阵与实时监测数据的联动性,引入改进型加权动态归一化算法以对不同监测参数进行量化标准化,进而映射入矩阵模型｡设现场某一连续监测变量(如井口压力或甲烷浓度)为xi,历史均值为μ,标准差为σ,则该参数的标准风险因子RiR_iRi定义为:

其中,Ri表示该参数相对于历史统计特征的标准化偏差程度,反映其在当前状态下的异常程度;ix为当前测得值,μ为历史同类作业或工况下的均值,σ为标准差,该公式用于衡量实时数据波动幅度与历史风险边界的偏离程度,数值越大表示风险越高｡最终将该Ri结果映射至初始风险值R,通过设置动态调整系数形成复合风险等级模型,用以实时更新矩阵中的每一风险单元格,保障矩阵的动态可视性与作业现场的快速预警响应能力｡

3、页岩气开采过程风险评估案例分析

3.1案例分析

以某页岩气田开发项目为例,在该页岩气田开发项目中,为精确评估井喷事故的风险水平,项目团队首先对井下压力控制系统故障､压裂液配比不当以及井筒稳定性差等关键危险源进行了系统辨识,并采用定量化风险评估方法对各危险源的发生概率及其造成后果的严重程度进行逐项测算｡在初始阶段,通过统计历史作业数据与现场作业参数,评估出井下压力控制系统故障的静态发生概率为0.8%,而一旦发生该类故障,基于历史事故的经济损失数据及设备恢复成本估算,其直接经济损失预期值约为人民币5000万元｡在此基础上,研究团队引入贝叶斯网络模型以构建风险因果关系图谱,并将其作为动态风险预测框架的核心,通过节点间的条件概率传播机制实现多风险因素间的依赖建模与推演,进一步将现场实时采集的井底压力､套压､泥浆密度､流量突变等多维监测数据融合输入该贝叶斯模型,动态修正节点的边缘概率分布,从而实现事故发生概率的实时更新,最终得出在当前作业条件下井喷事故的动态风险值为0.7%｡在损失评估方面,利用期望损失函数1()niiiELPC==⋅Σ对多类后果事件进行综合量化,其中Pi为第i类后果的概率,Ci为相应后果的经济损失或非经济损失价值等效折算值,分析表明该类事故除造成直接经济损失外,亦存在引发地下水污染､地表生态破坏及人员伤亡等重大后果,综合损失期望值显著提升｡结合上述结果构建二维风险矩阵,依据风险等级划分标准,事故被判定为“高可能性-高后果”类高风险事件,并纳入重大隐患治理目录｡项目方据此对原作业流程进行系统性优化,重点强化了井下压力监控系统的多冗余设计与智能预警能力,提升风险响应速度,并在应急响应体系中增加井喷专项演练频率与应急物资配置规模,实现对重大事故隐患的前瞻性防控与动态风险闭环管理[5]｡

3.2评估结果与讨论

在对页岩气开采过程中各类典型风险事件进行系统性评估时,首先基于化工过程安全分析体系构建评估模型,选取故障树分析(FTA)与事件树分析(ETA)作为双重风险识别与逻辑推演工具,明确各类风险事件的诱因路径及后果链条,随后通过引入定量化风险评估方法,对每一风险事件的发生概率､影响等级､潜在经济损失､环境影响程度及可能导致的人员伤亡进行分项指标的综合评估｡表2中的各项数据来源于现场监测记录､历史事故资料､专家打分法及模拟仿真结果的联合建模,其中发生概率通过基于贝叶斯更新机制的动态概率推算获得;影响等级采用五级打分法,经专家组评估并统一换算为标准风险等级;经济损失依据事故模拟所造成的直接损害､修复费用及间接损失进行估算;环境影响与人员伤亡则通过事故树后果路径中各节点的权重分配与典型案例归纳分析进行定量转化｡综合风险值的计算公式如下:

其中,Ri表示第i个风险事件的综合风险值,Pi为其发生概率,Cei,为其经济损失估算值,envi,I与humi,I分别代表环境与人员伤害的影响等级量化值,w1与w2分别为环境与人员因素的权重系数,依据项目对环境保护与人员安全的敏感度设定为0.6与0.4｡在上述模型基础上,通过对所有事件的风险值进行排序与归类,形成风险优先级划分｡评估结果显示,井喷与地震诱发事件尽管发生概率较低,但因其影响等级极高且损失巨大,导致其综合风险值高达6000,位列优先级第一;而压裂液泄漏与井壁坍塌因发生频率适中且伴随较强的环境与结构影响,使其综合风险值分别达到4500与5250,属高风险范畴;设备故障与钻井液漏失尽管频率偏高,但其影响等级和损失均相对较小,因此综合风险值处于中等水平｡具体数据如表2所示

表2评估结果

通过对上述数据的分析,能够清晰地看到井喷与地震诱发事件在综合风险值上的显著优势,强调了其在风险管理中的优先级｡此外,压裂液泄漏和井壁坍塌虽然发生概率较低,但其高影响等级使其综合风险值居于中高水平,需重点监控与防范｡设备故障与钻井液漏失的综合风险值相对较低,属于可控风险,但仍需通过定期维护和监测来降低其发生概率｡

4、结语

综上所述,基于化工安全分析的页岩气开采过程风险评估不仅系统识别并量化了关键危险源及其潜在后果,而且通过构建科学的风险矩阵模型,有效提升了风险控制的精度与效率｡通过案例分析验证,该方法能够准确识别高风险环节,为实施分级管理和优化安全资源配置提供了决策支持,体现出高度的实用性与可操作性｡研究所采用的风险评估框架在理论逻辑与实践流程上均具备较强的适应性,能够为页岩气行业实现“安全高效开发”提供坚实保障,亦为相关领域开展安全管理工作提供了可靠的技术路径与评价依据｡

参考文献:

[1]薛彦明.页岩气开采与集输过程中腐蚀问题与现状[J].中国石油和化工标准与质量,2024,44(21):14-16.

[2]卢志炜,李熙喆,赵圣贤,等.页岩气开采中的压力变化与气液传质规律[J].力学与实践,2024,46(5):1004-1014.

[3]赵鹏,朱海燕,张丰收.CO2增强页岩气开采及地质埋存的三维数值模拟[J].天然气工业,2024,44(4):104-114.

[4]黄明华,郑文,郑辉.页岩气开采过程中的关键技术及应用[J].当代化工研究,2024,24(8):83-85.

[5]马亮,雷月鑫,陆海宁.基于页岩气井口装置泄漏风险分析及安全防护探究[J].中国设备工程,2020,36(5):136-137.

文章来源:徐欢欢,李乐乐,朱梦茹.基于化工安全分析的页岩气开采过程风险评估[J].化工安全与环境,2025,38(05):22-25.