基于系统动力学的井喷事故仿真研究.pdf

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1、第 2 1 卷 第 1 0 期2 0 1 1 年 1 0 月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol 21No 10Oct 2 0 1 1基于系统动力学的井喷事故仿真研究*吉安民1何沙2教授(1西南石油大学 研究生部，四川 成都 6105002 西南石油大学 发展规划处，四川 成都 610500)学科分类与代码:6202740(安全模拟与安全仿真学)中图分类号:X931.4文献标志码:A基金项目:四川石油与天然气发展研究中心 2010 年基金资助(SKB1006)。【摘要】为动态预测井喷事故发展过程，在分析导致井喷事故主要因素的基础上，结合系统动力学的相关原理，

2、构建井喷事故系统仿真流图，并运用系统动力学仿真软件 Vensim 对井喷事故的整体流程进行仿真，实现了对油气井安全水平的动态监测和预警。结果表明:井喷事故的发生是由人为因素、管理因素、环境因素、设备因素和法律法规因素四大子系统的交叉耦合作用而导致整个油气井系统的安全水平低于井喷事故的安全临界点所造成的。【关键词】井喷事故;安全水平;系统动力学;致因因素;仿真模拟Study on Simulation of Blowout Accidents Based on System DynamicsJI An-min1HE Sha2(1 Graduate Department，Southwest Pet

3、roleum University，Chengdu Sichuan 610500，China2 Development Planning Department，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China)Abstract:In order to forecast the development process of blowout accident dynamically，a system simu-lation flow chart for blowout accident was built combined wi

4、th the relevant principles of System Dynamicand based on the analysis of blowout accident main influential factors The System Dynamic simulationsoftware Vensim was used to simulate the overall process of blowout accident Monitoring and early warningof oil and gas wells dynamically were achieved The

5、research results indicate that the blowout accident iscaused by the cross-coupling functions of human factors，management factors，environmental factors，equipment factors，and laws and regulations factorsKey words:blowout accident;safety level;system dynamics;causation factor;simulation0引言井喷事故是指由于井喷的爆发

6、所造成的人员伤亡和财产损失，它是石油天然气行业比较常见、影响范围最为广泛、事故后果最为严重的安全事故之一。在石油天然气的勘探开发以及其他作业过程的任何一个环节，都可能发生井喷事故1。特别是随着我国石油天然气产业的迅速发展，井喷事故的发生率一直居高不下，对人民生命财产构成了巨大的威胁，也严重阻碍着我国石油天然气产业持续健康的发展。就目前而言，国内外对于井喷事故的预测及预警研究的主要的思路是2 4:通过事故致因理论对井喷事故的致因机理进行分析，找出致因因素，接着建立预警指标体系，并设定相应的预警等级，再运用相应的算法(模糊综合算法、遗传算法、BP 神经网络算法、基于向量机的预警方法等)对各指标进行

7、预测，最终达到对整个油气井系统预警的效果。但这些研究普遍存在的弊端是考虑的影响因素较少，没有从系统的角度研究井喷事故发生的动态变化过程，只对影响井喷事故的各个致因因素单独进行监测，忽略了各因素及各因素之间的动态相干作用对*文章编号:1003 3033(2011)10 0037 06;收稿日期:2011 07 10;修稿日期:2011 08 20于整个油气井系统安全水平的影响，最终可能导致预测的结果缺乏一定的科学性和有效性。为了能够从动态、时变的角度揭示井喷事故发生的实质，笔者将从系统的角度出发，对井喷事故进行系统动力学的研究，找出影响井喷事故发生的各因素。通过系统动力学仿真软件 Vensim，

8、运用测试函数表示影响井喷事故发生的各致因因素的变化，实现对油气井安全水平的动态评价和预测，最终确定井喷事故发生的关键影响因素和关键时刻，从而为抑制井喷事故的发生与发展提供最佳的处理时机。1井喷事故的系统动力学分析系统动力学(System Dynamics)是由美国麻省理工学院的 J W Forrester 教授5 于 20 世纪 50 年代创立的系统仿真方法，它是根据系统论、控制论、信息论以及大系统论等有关理论和方法建立起来的一种数学模型，是研究高度非线性、多变量、多重反馈复杂系统的一种定量的方法。系统动力学可以同时表示和分析多个系统控制变量，描述多个不安全行为的耦合作用，用动态的观点来描述事

9、故的发生机理，在事故突变机理中有无可比拟的优势。系统动力学中规定:如果系统中的一个因素的变化会引起另外一个因素变化，则这 2 个因素之间存在着因果关系，若变化方向一致，那么这 2 个因素间的因果关系的极性为正，反之为负;系统中若干变量之间的因果关系形成一个闭合的环，这些因素和闭合的因果关系成为一条反馈环，称为系统动力学的反馈原理。油气井系统是一个人 机 物 法 环相互依存、相互制约的复杂的非线性动态社会技术支持系统，由相互联系和相互作用的社会要素以及技术要素组成。依据系统动力学反馈原理，油气井系统的安全水平主要受到人员因素水平、管理因素水平、设备因素水平、环境因素水平和法律法规因素水平的影响6

10、，这 5 个因素构成了油气井的整个安全系统的子系统，形成了一个有机的统一体。它们之间也存在着一定的联系。任何一个因素发生变化，都会对整个系统产生影响，导致油气井系统的安全水平发生变化。根据上面分析的因素和系统动力学反馈原理，运用 Vensim 软件构建了井喷事故因果关系回路图，如图 1 所示。图 1井喷事故因果关系回路图Fig 1Causal loop chart of blowout accident运用系统动力学对井喷事故进行分析，共有5 条因果关系回路:1)不安全行为或不安全状态人员因素水平油气井系统的安全水平不安全行为或不安全状态2)不安全行为或不安全状态管理因素水平油气井系统的安全水

11、平不安全行为或不安全状态3)不安全行为或不安全状态设备因素水平油气井系统的安全水平不安全行为或不安全状态4)不安全行为或不安全状态环境因素水平油气井系统的安全水平不安全行为或不安全状态5)不安全行为或不安全状态法律法规因素水平油气井系统的安全水平不安全行为或不安全状态这 5 条反馈回路表示，随着油气井安全系统出现的不安全行为或不安全状态的增多，各影响因素的安全水平就会降低，从而降低了油气井系统的安全水平。当油气井系统的安全水平下降到一定程度时，这个信息就会反馈给系统，使得油气井系统的不安全行为和不安全状态减少。2井喷事故仿真模型构建2 1变量的选择系统动力学中的变量主要包括状态变量、速率变量、

12、辅助变量7。笔者所建立的井喷事故的系统动力学突变模型的变量共有 35 个，其中，状态变量有 10 个，速率变量有 11 个，辅助变量有 14 个。状态变量包括油气井安全水平、员工安全意识水平、员工安全技术投入水平、法律法规建设水平、安全管理水平、安全防护水平、地质勘探投入、环境危险因素水平、地层实时压力、井内实时压力。83中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第21卷2011年速率变量包括安全意识变化率、法律法规建设水平变化率、管理变化率、安全投入变化率、安全技术水平变化率、勘探投入变化率、安全流失率、安全生产率、危险变化率、地层压力变化率、井内压力变化率。辅助变化

13、包括法律法规因素、法律法规因素表、管理因素、管理因素表、惩罚因素、惩罚因素表、员工违章因素、安全检查强度、安全检查因素表、环境危险因素、环境危险因素表、安全水平初始值、预警监控设备故障因素、预警监控设备故障因素表。2 2仿真模型模型构建确定了上述各个变量后，依据系统动力学反馈原理，在深入分析了各个主要状态变量、速率变量、辅助变量的相互作用关系的基础上，采用系统动力学流率基本入树建模法8，运用系统动力学 Vensim仿真软件构建了井喷事故系统动力学仿真模型，如图 2 所示。图 2井喷事故仿真流图Fig 2Simulation flow chart of blowout accident2 3模型

14、分析利用系统动力学可以深入研究突变机理模型的信息反馈系统，以时变、动态的观点分析油气井井喷事故的机理，进而有助于揭示油气井安全系统各要素之间的作用和反馈关系，帮助认识油气井井喷事故的突变机理。分析上述仿真模型可知，该油气井安全系统中的直接变量为安全生产率、安全流失率、油气井安全初始水平 3 个变量;间接变量为管理因子、惩罚因子、员工违章因子、环境危险因子、预警监控设备故障因子 5 个变量。由系统动力学的不安全行为耦合理论9 可知:井喷事故的发生是由整个油气井系统中的现场作业层、管理决策层、监督规范层及安全保障层四个层次结构中的直接变量和间接变量间交叉耦合作用产生了不安全行为(状态)，这些不安全

15、行(状态)会造成油气井系统的安全流失率不断增大，当整个油气井系统的安全水平值低于井喷预警警戒值的时，便会导致井喷事故的爆发，如图 3 所示。图 3不安全行为耦合论Fig 3Coupling theory of unsafe behavior运用不安全行为耦合理论结合系统中相关的变量，对整个油气井安全系统进一步的分析，可以找出导致井喷事故发生的根本原因。1)现场作业层中的不安全行为。例如:钻井工人产生违章作业，违章因素造成油气井安全流失率增大，最终导致油气井安全度的下降，如果不及时采取有效的控制措施，便会导致井喷事故的最终发生。2)管理决策层中的不安全行为。例如:违章指挥、地质勘探投入不足、强令

16、工人在不适应的作业环境下作业等都会造成安全管理水平的下降，造成安93第 10 期吉安 民 等:基 于 系 统 动 力 学 的 井 喷 事 故 仿 真 研 究全生产率降低，从而降低了油气井安全水平。随着时间的推移，油气井的安全度会进一步的降低，当降低到油气井发生井喷的阈值(突变点)时，将会导致井喷事故的发生。3)监督规范层中的相关监察、监理部门的不安全行为会引起油气井安全水平的变化。在正常的勘探开发过程中，如果相应的监察、监理部门没有严格地按照相应的法律法规进行执法，就会导致安全执法的监督检查强度低下、惩罚因素效果缺乏、员工容易出现各种违章行为、员工的安全意识水平降低等后果。这些结果一方面会使得

17、安全生产率下降，另一方面也会加大安全流失率，最终整个油气井系统的安全水平下降，当量变达到质变的时刻，便导致井喷事故的发生。4)安全保障层中的不安全行为。通过员工安全技能水平、安全防护投入、环境影响因素安全水平直接影响油气井初始安全水平，其中环境影响因素安全水平是造成井喷事故发生的首要因素。随着钻井作业不断推进，就可能出现对地层压力掌握不准、泥浆密度偏低、钻井液密度因地层流体的侵入而下降、井筒中钻井液液柱下降、起下钻具时抽吸压力或激动压力过高、钻遇特高压油(气、水)层、固井质量不好而导致气串以及其他不当措施等，这些就会降低操作环境安全水平。如果安全保障层前期没有进行安全保障方面的投入，最终就会引

18、起井喷事故的发生。3井喷事故仿真模拟3 1井喷事故仿真实验311系统仿真概念所谓系统仿真10(System Simulation)，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。312仿真初始值设定对油气井井喷事故突变机理模型的仿真研究，笔者根据已建立的井喷事故的突变机理模型，假设油气井起始安全水平数值为 100(无量纲)，此时整个油气井安全系统在现场作业层、管理决策层、监督规范层及安全保障层这 4 个层级上无不安全行为，整个系统运行良好，没有发生任

19、何量变，因此不会出现井喷事故。但随着钻井作业的不断推进，可能出现多个变量依次或同时发生突变而造成其他要素的突然增加或是减少，引起了不安全行为，可能一次出现或同时出现多种不安全行为，不安全行为就会直接或者间接地影响油气井的安全度，当量变积累到一定的程度就会质变，会导致油气井安全水平等于或者低于临界值，油气井在特定的条件之下就导致了井喷事故的发生。根据油气井安全度最初的安全水平，将油气井安全系统划分为 3 个状态11，见表 1。表 1油气井系统安全状态分类Table 1Classification of oil and gas Wells system safety states状态安全水平值范围

20、发生井喷事故的可能性安全状态 100，90不会发生安全临界状态(90，80可能发生危险状态(80，0极有可能发生313仿真方程建立由于系统仿真过程的所有变量必须要建立相应的方程关系，而油气井安全系统中的不安全行为和不安全状态是一种定性的描述，不能直接进行仿真函数关系及相应参数的确立。因此，为了把不安全行为和状态引入到仿真模型中来，笔者试图选用测试函数来代表相应的不安全行为及不安全状态对油气井安全系统的冲击效应，将各变量从定性向定量进行转化。对于一些在一段时间内变化速率比较稳定，而到达一定时间后基本保持不变的系统变量，可以用斜坡函数 RAMP(slop，start，finish)表示，其中，sl

21、op 是斜坡斜率;start 是斜坡起始时间;finish 为斜坡结束时间。该函数的功能是从规定的起始时间开始，按照预先设定的斜率进行线性的变化，到规定的结束时间终止。由于油气井安全系统的致因因素对于整个安全系统的作用和斜坡函数所起到的作用相似，故在此项研究中选用斜坡函数RAMP(slop，start，finish)作为致因因素，来表示各子系统的不安全行为(状态)对油气井安全系统的作用。314仿真实验选用系统动力学仿真软件 Vensim 对井喷事故进行仿真实验，其动态的仿真过程如图 4 所示。其中仿真参数为:开始时间为 0;结束时间为 500;仿真步长为 0.25;单位为 min。为了系统地研

22、究不同的致因因素的耦合作用对油气井系统安全水平的影响作用，笔者在此设定了4 个不同的仿真情景:Factor0 表示在没有任何不安全行为(状态)情形下，油气井系统安全水平的动态变化趋势;Factor1 表示只有一个不安全行为04中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第21卷2011年(状态)情形下，油气井系统安全水平的动态变化趋势;，Factor2 表示有 2 个不安全行为(状态)交叉耦合作用情形下，油气井系统安全水平的动态变化趋势;Factor3 表示在 3 个不安全行为(状态)交叉耦合作用情形下，油气井系统安全水平的动态变化趋势。图 4井喷事故模拟仿真图Fig 4

23、Simulation graph of blowout accident3 2仿真结果分析对仿真结果进行分析:1)如 Factor0 所示:油气井的初始安全水平值为 97，这表示整个油气井系统中的现场作业层、管理决策层、监督规范层及安全保障层不存在不安全的行为，油气井的安全水平始终没有发生变化，处于安全状态下，不会发生井喷事故。2)如 Factor1 所示:随着钻井作业的不断推进，在第 50 min 发生了一个不安全行为(状态)，如:员工的违章作业、井筒内的实时压力减小、钻井液密度不满足要求等。用测试函数 RAMP(1，50，60)表示这个不安全行为(状态)对整个油气井安全系统的作用，在第 6

24、0 min 时油气井安全水平的数值下降到 94，但整个系统还处于安全状态下，不会发生井喷事故。3)如 Factor2 所示:100 min 时刻在 Factor1 的基础上又发生了一个不安全行为(状态)，如:钻遇未预测的高压层、起钻具时抽吸压力过大、预警监控设备发生障碍等加大了安全流失率，此时油气井的安 全 度 进 一 步 降 低。用 测 试 函 数RAMP(0.055，100，500)表示这 2 个不安全行为(状态)的耦合作用，在第 150 min 时油气井的安全水平开始小于 90，处于临界安全状态，如果不采取相应的措施，发展下去就可能发生井喷事故。4)如 Factor3 所示:随着时间的推

25、移，200 min时刻 在 Factor2 的基础上又发生了一个不安全行为(状态)，如井内的液柱压力小于地层的液体压力。用测试函数 RAMP(0.11，200，500)表示这 3 个不安全行为(状态)的耦合作用，在时刻第 300 min油气井的安全度已开始小于 80，油气井就会处于安全状态，此时只要出现钻井液池液面升高、钻速变快、井口返出钻井流体速度增大、立管压力下降、钻井液的气泡增多等不安全状态12，都可能引发井喷事故的发生。井喷事故的发生主要分为以下 4 个阶段13:1)在第325 min 由于上述3 个不安全行为的耦合作用，导致此时的地层孔隙压力大于井底压力，从而导致地层孔隙中的流体(油

26、、气、水)侵入到井内，引发井侵，整个油气井安全水平下降到 75，此时该系统处于一级预警状态。2)由于没有及时的采取相应的井控措施，在第375 min 井口返出的钻井液的量大于泵入的量，且停泵后井口仍有钻井液自动外溢，此时已发生溢流，整个油气井安全水平下降到 70，此时该系统进入二级预警状态。3)随着溢流进一步的发展，在第 400 min 钻井液涌出井口，引起井涌，整个油气井安全水平下降到65，此时该系统处于三级预警状态，如若再不及时采取必要的措施，整个系统就会向着井喷的状态发展。4)在第 450 min 井底的压力远小于地层压力，导致了地层流体(油、气、水)大量地涌入井筒，并喷出地面，此时发生

27、了井喷事故，整个油气井安全水平下降到 60，此时该系统处于四级预警状态。此时应及时启动应急预案，分析井喷产生的具体原因，采取压井和关井措施，力求控制井喷事故，防止井喷事故向失控的状态发展。经过上述分析可知，油气井发生井喷事故的突变机理为:油气井安全系统的 4 个结构层产生的不安全行为及不安全状态的耦合效应是导致油气井安全度下降的直接原因，当油气井安全度低于安全阈值时就会最终导致井喷事故的发生。14第 10 期吉安 民 等:基 于 系 统 动 力 学 的 井 喷 事 故 仿 真 研 究4结论从系统动力学的角度出发，探讨了影响井喷事故发生致因因素，并运用 Vensim 对井喷事故的突变过程进行了系

28、统仿真研究，得到以下结论:1)井喷事故是由于影响油气井安全水平的各种不安全行为发生交叉耦合的作用，导致油气井安全水平下降至安全预警值而引起的。2)影响井喷事故发生的各因素对于油气井安全水平的影响是非线性的，通过 Vensim 软件有效地解决了这个难点，使得仿真结果更加科学合理。3)井喷事故的发生不是一触即发的，是一个渐变的过程。它从潜伏期开始，先后经过井侵、溢流、井涌 3 个阶段，最后才突变为井喷事故，这也为及时的控制井喷事故提供足够的时间。4)系统动力学可以同时表示和分析多个系统变量，用事变动态的观点来描述井喷事故发生机理，在安全致因理论中有着无可比拟的优势。参 考 文 献 1王忠生，林安村

29、 重温事故吸取教训提高井控技术水平 J 钻采工艺，2009，32(3):1 4WANG Zhong-sheng，LIN An-cun Some suggestions of improving well control technology leval J Drilling ProductionTechnology，2009，32(3):1 4 2Xiali Haer，Midori Inaba，Kenji Tanaka A study on human error in a blowout accident in well operationA Memoir ofSICE Annual Con

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