页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法及装置，其中方法包括：为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周期中的安全措施；确定每条安全措施的主客观影响因素；将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的方向和大小；运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的合力；将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值，与风险评估警报线进行比对，根据比对结果发出风险预警。本发明基于安全管理力学，提供了针对压裂全过程的、系统性的安全风险预警技术，可以确保页岩气开采所带来的危险因素能以精确、平衡、透明和可追踪的方式进行有效地管理，促进风险的转移、减少和消除。
【专利说明】
页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及风险预警技术领域，尤其涉及页岩气压裂作业过程全生命周期风险预 警方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着水平钻井和大型水力压裂技术在页岩气压裂中的应用，全球掀起了页岩气开 发的热潮;然而，页岩气压裂作业存在设备多、环节多，技术含量高、施工难度大、作业环境 恶劣、救援及逃生困难等问题，安全管理工作难度大，极易造成重大人员伤亡和财产损失事 故。
[0003] 对此，许多国内外的公司或机构已开展相关安全分析评价工作，其中最具代表性 的就是挪威船级社(DNV)于2012年10月发布的"基于风险管理原则的页岩气开采过程推荐 操作规程"。同时，哈里伯顿、斯伦贝谢等油服公司开展了压裂过程中的设备失效、风险预 测、动态建模等方面的研究，目前正在研发测试相应的软硬件系统。
[0004] 但页岩气开发的全生命周期内，压裂作业风险的动态性、耦合性显著；目前缺乏针 对压裂全过程的、系统性的安全风险预警技术，易导致压裂事故的发生，且后果严重。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例提供一种页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法，用以提供 针对压裂全过程的、系统性的安全风险预警技术，避免压裂事故的发生，该方法包括：
[0006] 为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周期中的安全措施；
[0007] 确定每条安全措施的主客观影响因素；
[0008] 将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的方向和大小；
[0009] 运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的合力；
[0010] 将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值，与风险评估警报线进行比 对，根据比对结果发出风险预警。
[0011] -个实施例中，所述压裂设备包括压裂车、混砂车、及管汇车其中之一或任意组 合。
[0012] -个实施例中，所述确定每条安全措施的主客观影响因素，包括:采用鱼骨图对每 条安全措施进行分析，确定每条安全措施的主客观影响因素。
[0013] 一个实施例中，所述将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力 的方向和大小，包括：
[0014] 将各因素分解为多种子因素，各因素之间互为垂直平面内的纵向力和横向力，每 一因素的多种子因素之间互为同一平面内的纵向力或横向力；
[0015] 将各子因素分解为前向力或逆向力，其中与提高压裂设备安全风险一致的力为前 向力，相反的力为逆向力，同一平面内的前向力和逆向力为纵向力，不同平面内的前向力和 逆向力为横向力。
[0016] 一个实施例中，所述运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施 的合力，包括：
[0017] 运用力学的平行四边形定理，按如下公式确定纵向力的合力：
[0018] F3 = Fi+F2;
[0019] 其中FjPF2为两个纵向力，F3为FjPF2的合力；
[0020]运用力学的乘法定理，按如下公式确定横向力与纵向力的合力：
[0022] 其中Fr和Ff分别为同一平面内的前向力和逆向力，F」为与Fr和F f垂直平面内的各纵 向力或横向力，Fm*Fr、Ff和Fj的合力。
[0023] 本发明实施例还提供一种页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警装置，用以提 供针对压裂全过程的、系统性的安全风险预警技术，避免压裂事故的发生，该装置包括：
[0024] 安全措施选取模块，用于为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周期中 的安全措施；
[0025] 影响因素确定模块，用于确定每条安全措施的主客观影响因素；
[0026]力分解模块，用于将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的 方向和大小；
[0027]力运算模块，用于运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的 合力；
[0028] 风险预警处理模块，用于将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值，与 风险评估警报线进行比对，根据比对结果发出风险预警。
[0029] -个实施例中，所述压裂设备包括压裂车、混砂车、及管汇车其中之一或任意组 合。
[0030] -个实施例中，所述影响因素确定模块具体用于:采用鱼骨图对每条安全措施进 行分析，确定每条安全措施的主客观影响因素。
[0031] 一个实施例中，所述力分解模块具体用于：
[0032] 将各因素分解为多种子因素，各因素之间互为垂直平面内的纵向力和横向力，每 一因素的多种子因素之间互为同一平面内的纵向力或横向力；
[0033]将各子因素分解为前向力或逆向力，其中与提高压裂设备安全风险一致的力为前 向力，相反的力为逆向力，同一平面内的前向力和逆向力为纵向力，不同平面内的前向力和 逆向力为横向力。
[0034] 一个实施例中，所述力运算模块具体用于：
[0035]运用力学的平行四边形定理，按如下公式确定纵向力的合力：
[0036] F3 = Fi+F2；
[0037] 其中FjPF2为两个纵向力，F3为FjPF2的合力；
[0038]运用力学的乘法定理，按如下公式确定横向力与纵向力的合力：
[0040]其中Fr和Ff分别为同一平面内的前向力和逆向力，Fj为与Fr和Ff垂直平面内的各纵 向力或横向力，Fm*Fr、Ff和Fj的合力。
[0041] 本发明实施例中，针对压裂设备全生命周期中的每条安全措施确定主客观影响因 素;将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的方向和大小;运用力学的 平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的合力;将每条安全措施的合力作为每条 安全措施的评估值，与风险评估警报线进行比对，根据比对结果发出风险预警;从而基于安 全管理力学，提供了针对压裂全过程的、系统性的安全风险预警技术，确保页岩气开采所带 来的危险因素能以精确、平衡、透明和可追踪的方式进行有效地管理，促进风险的转移、减 少和消除，避免压裂事故的发生，具有切实可行的操作指导意义。
【附图说明】
[0042] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0043] 图1为本发明实施例中页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法的示意图；
[0044] 图2为本发明实施例中压裂车鱼骨图的示例图；
[0045] 图3为本发明实施例中力学平行四边形定理的示意图；
[0046] 图4为本发明实施例中页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警装置的示意图。
【具体实施方式】
[0047] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发 明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并 不作为对本发明的限定。
[0048] 针对"多工种、多工序、大规模"等页岩气开发方式，结合压裂设备数量多、劳动强 度大、安全风险高等特点，本发明实施例提供一种页岩气压裂作业过程全生命周期风险预 警方法，对页岩气压裂施工作业的安全性进行评估和指导，促进风险的转移、减少和消除。
[0049] 图1为本发明实施例中页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法的示意图， 如图1所示，该方法可以包括：
[0050] 步骤101、为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周期中的安全措施； [0051 ]步骤102、确定每条安全措施的主客观影响因素；
[0052]步骤103、将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的方向和大 小；
[0053]步骤104、运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的合力；
[0054] 步骤105、将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值，与风险评估警报线 进行比对，根据比对结果发出风险预警。
[0055] 由图1所示流程可以得知，本发明实施例的页岩气压裂作业过程全生命周期风险 预警方法基于安全管理力学，针对页岩气压裂作业过程中的压裂设备，从安全措施入手，通 过衡量安全措施的执行情况，实现压裂设备在整个作业周期内的风险评估和预警，涵盖了 页岩气开采的整个生命周期，能够确保页岩气开采所带来的危险因素能以精确、平衡、透明 和可追踪的方式进行有效地管理。
[0056] 具体实施时，先为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周期中的安全措 施。其中的压裂设备可以包括页岩气压裂过程的主要设备，如压裂车、混砂车、及管汇车等 其中之一或任意组合。实施例中可以从操作手册的安全措施入手，选取页岩气开发现场的 主要压裂设备的操作手册中的安全措施。选取时全生命周期包括压裂前、压裂中和压裂后 等整个生命周期。
[0057] 在选取安全措施之后，要确定每条安全措施的主客观影响因素。实施例中可以采 用鱼骨图（fishbone diagram)对每条安全措施进行分析，确定每条安全措施的主客观影响 因素。鱼骨图又称因果图、石川图、特性因素图等，是由日本教授Kaoru Ishikawa在1960年 左右提出的，最初用于川崎重工造船厂的过程质量管理。鱼骨图法得名于其外形，因其形象 直观的特点，现已广泛应用于过程安全分析，成为因果分析的重要方法之一。该方法最中心 是一个指向事故或其他某种结果的箭头，箭头的上下部分将造成事故的各种原因分类进行 图解，从大到小、从粗到细的深入挖掘事故原因，最终形成一副状似鱼骨的原因后果分析 图。
[0058]为获取每条安全措施的评估值，可以采用鱼骨图，从"人-机_环-管理"的四维角 度、考虑对"物"的主观和客观影响。图2给出了本发明实施例中压裂车鱼骨图的一种示例， 其中示出了压裂车安全措施的主客观影响因素。
[0059] 在确定了每条安全措施的主客观影响因素后，将每条安全措施的主客观影响因素 进行力的分解，并设置力的方向和大小。实施例中，可以将各因素分解为多种子因素，各因 素之间互为垂直平面内的纵向力和横向力，每一因素的多种子因素之间互为同一平面内的 纵向力或横向力；将各子因素分解为前向力或逆向力，其中与提高压裂设备安全风险一致 的力为前向力，相反的力为逆向力，同一平面内的前向力和逆向力为纵向力，不同平面内的 前向力和逆向力为横向力。
[0060] 以图2所示压裂车鱼骨图为例，在进行力的分解时，人、机、环、管理各个因素之间 互为垂直平面内的纵向力和横向力；各个因素又可分为多种子因素，子因素之间互为同一 平面内的纵向力或横向力;子因素需分解成前向力(+ )或逆向力(_)，为方便，力的方向设置 为同向或反向。另外，针对各安全措施设定各个力的大小。安全管理力学中的力和物理学中 一样，也是矢量，即具有方向和大小。压裂设备的安全性和可靠性是力的方向的指南，与提 高压裂设备安全风险一致的力为前向力、相反的力为逆向力。同时，同一平面内前向力和逆 向力统称为纵向力，不同平面内的统称为横向力。
[0061] 在进行力的分解并设置力的方向和大小后，运用力学的平行四边形定理、乘法定 理等，确定每条安全措施的合力，将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值，综合 评估安全措施的执行和操作情况。
[0062] 其中对于平行四边形定理，安全管理力学中各纵向力具有可加性，依纵向力方向 和大小不同，纵向力的合力是以两个纵向力为边构成的平行四边形的对角线，具体如图3所 示。因此，实施例中可以运用力学的平行四边形定理，按如下公式确定纵向力的合力：
[0063] F3 = Fi+F2；
[0064] 其中FjPF2为两个纵向力，F3为FjPF2的合力。
[0065]对于乘法定理，横向力与纵向力是数乘关系。因此可以运用力学的乘法定理，按如 下公式确定横向力与纵向力的合力：
[0067]其中Fr和Ff分别为同一平面内的前向力和逆向力，Fj为与Fr和Ff垂直平面内的各纵 向力或横向力，Fm*Fr、Ff和Fj的合力。
[0068]在确定了每条安全措施的合力后，将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评 估值，与风险评估警报线进行比对，根据比对结果发出风险预警。实施例中可以根据现场操 作的实际情况，划分风险评估警报线，以实现压裂过程全生命周期的风险预警功能。
[0069] 下面举一具体实例说明上述页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法的实 施过程。在本例中，以压裂车在压裂前作业为例，选取其操作手册中的安全措施，如表1所 示：
[0070] 表 1
[0072]然后，为获取每条安全措施的评估值，采用鱼骨图，从"人-机-环-管理"的四维角 度、考虑对"物"的主观和客观影响，确定每条安全措施的主客观影响因素，如图2所示。 [0073]再将上述主客观因素进行力的分解。其中人、机、环、管理各个因素之间互为垂直 平面内的纵向力和横向力；各个因素又可分为多种子因素，子因素之间互为同一平面内的 纵向力或横向力;子因素需分解成前向力(+ )或逆向力(_)，为方便，力的方向设置为同向或 反向。针对各安全措施设定各个力的大小，分别如表2所示：
[0074]表 2
[0075]
[0076]再运用力学的平行四边形定理、乘法定理等，综合评估安全措施的执行和操作情 况。以"安全措施1 一一检查栗动力端润滑油箱油面，油面应位于油池的中部"为例，具体计 算过程如表3所示：
[0077]表 3
[0080] 按照上述步骤，获取"安全措施1一一检查栗动力端润滑油箱油面，油面应位于油 池的中部"、"安全措施2-一检查栗液力端润滑油箱油面，油面应位于油池的中部"、"安全 措施3-一确认所有栗的支架是安全的，检查支架是否松动"和"安全措施4一一液力端是否 在施工前已经经过检查并更换了损坏的易损件"等评估值，分别为20.571、8.125、1.125、 13.125〇
[0081] 根据现场操作的实际情况，划分风险评估结果的警报线，如表4所示，实现压裂过 程全生命周期的风险预警功能。
[0082] 表 4
[0084]因此，安全措施1-4的风险等级分别为一级、二级、三级和一级，8卩"安全措施3-一 确认所有栗的支架是安全的，检查支架是否松动"的风险最高，需严格进行排查和监测。
[0085] 基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种页岩气压裂作业过程全生命周 期风险预警装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与页岩气压裂作业过 程全生命周期风险预警方法相似，因此该装置的实施可以参见页岩气压裂作业过程全生命 周期风险预警方法的实施，重复之处不再赘述。
[0086] 图4为本发明实施例中页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警装置的示意图， 如图4所示，该装置可以包括：
[0087]安全措施选取模块401，用于为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周 期中的安全措施；
[0088]影响因素确定模块402,用于确定每条安全措施的主客观影响因素；
[0089]力分解模块403,用于将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力 的方向和大小；
[0090] 力运算模块404,用于运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施 的合力；
[0091] 风险预警处理模块405,用于将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值， 与风险评估警报线进行比对，根据比对结果发出风险预警。
[0092] 具体实施时，压裂设备包括压裂车、混砂车、及管汇车其中之一或任意组合。
[0093] 具体实施时，影响因素确定模块402具体可以用于:采用鱼骨图对每条安全措施进 行分析，确定每条安全措施的主客观影响因素。
[0094]具体实施时，力分解模块403具体可以用于：
[0095]将各因素分解为多种子因素，各因素之间互为垂直平面内的纵向力和横向力，每 一因素的多种子因素之间互为同一平面内的纵向力或横向力；
[0096]将各子因素分解为前向力或逆向力，其中与提高压裂设备安全风险一致的力为前 向力，相反的力为逆向力，同一平面内的前向力和逆向力为纵向力，不同平面内的前向力和 逆向力为横向力。
[0097]具体实施时，力运算模块404具体可以用于：
[0098]运用力学的平行四边形定理，按如下公式确定纵向力的合力：
[0099] F3 = Fi+F2；
[0100] 其中FjPF2为两个纵向力，F3为FjPF2的合力；
[0101 ]运用力学的乘法定理，按如下公式确定横向力与纵向力的合力：
[0103]其中Fr和Ff分别为同一平面内的前向力和逆向力，Fj为与Fr和Ff垂直平面内的各纵 向力或横向力，Fm*Fr、Ff和Fj的合力。
[0104]综上所述，本发明实施例中，针对压裂设备全生命周期中的每条安全措施确定主 客观影响因素;将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的方向和大小； 运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的合力;将每条安全措施的合 力作为每条安全措施的评估值，与风险评估警报线进行比对，根据比对结果发出风险预警； 从而基于安全管理力学，提供了针对压裂全过程的、系统性的安全风险预警技术，确保页岩 气开采所带来的危险因素能以精确、平衡、透明和可追踪的方式进行有效地管理，促进风险 的转移、减少和消除，避免压裂事故的发生，且实施时简单方便，易于为现场作业人员所理 解，具有切实可行的操作指导意义。
[0105] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序 产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实 施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机 可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产 品的形式。
[0106] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程 图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流 程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序 指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产 生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实 现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0107] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特 定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指 令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或 多个方框中指定的功能。
[0108]这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计 算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或 其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一 个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0109]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保 护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警方法，其特征在于，包括： 为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周期中的安全措施； 确定每条安全措施的主客观影响因素； 将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的方向和大小； 运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的合力； 将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值，与风险评估警报线进行比对，根 据比对结果发出风险预警。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压裂设备包括压裂车、混砂车、及管汇车 其中之一或任意组合。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定每条安全措施的主客观影响因素， 包括:采用鱼骨图对每条安全措施进行分析，确定每条安全措施的主客观影响因素。4. 如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述将每条安全措施的主客观影 响因素进行力的分解，并设置力的方向和大小，包括： 将各因素分解为多种子因素，各因素之间互为垂直平面内的纵向力和横向力，每一因 素的多种子因素之间互为同一平面内的纵向力或横向力； 将各子因素分解为前向力或逆向力，其中与提高压裂设备安全风险一致的力为前向 力，相反的力为逆向力，同一平面内的前向力和逆向力为纵向力，不同平面内的前向力和逆 向力为横向力。5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述运用力学的平行四边形定理和乘法定 理，确定每条安全措施的合力，包括： 运用力学的平行四边形定理，按如下公式确定纵向力的合力： F3 = Fl+F2; 其中FjPF^两个纵向力，F3为FjPF:^合力； 运用力学的乘法定理，按如下公式确定横向力与纵向力的合力：其中Fr和Ff分别为同一平面内的前向力和逆向力，Fj为与Fr和Ff垂直平面内的各纵向力 或横向力，Fm*Fr、Ff和Fj的合力。6. -种页岩气压裂作业过程全生命周期风险预警装置，其特征在于，包括： 安全措施选取模块，用于为页岩气压裂作业过程中的压裂设备选取全生命周期中的安 全措施； 影响因素确定模块，用于确定每条安全措施的主客观影响因素； 力分解模块，用于将每条安全措施的主客观影响因素进行力的分解，并设置力的方向 和大小； 力运算模块，用于运用力学的平行四边形定理和乘法定理，确定每条安全措施的合力； 风险预警处理模块，用于将每条安全措施的合力作为每条安全措施的评估值，与风险 评估警报线进行比对，根据比对结果发出风险预警。7. 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述压裂设备包括压裂车、混砂车、及管汇车 其中之一或任意组合。8. 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述影响因素确定模块具体用于:采用鱼骨 图对每条安全措施进行分析，确定每条安全措施的主客观影响因素。9. 如权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，所述力分解模块具体用于： 将各因素分解为多种子因素，各因素之间互为垂直平面内的纵向力和横向力，每一因 素的多种子因素之间互为同一平面内的纵向力或横向力； 将各子因素分解为前向力或逆向力，其中与提高压裂设备安全风险一致的力为前向 力，相反的力为逆向力，同一平面内的前向力和逆向力为纵向力，不同平面内的前向力和逆 向力为横向力。10. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述力运算模块具体用于： 运用力学的平行四边形定理，按如下公式确定纵向力的合力： F3 = Fl+F2; 其中FjPF^两个纵向力，F3为FjPF:^合力； 运用力学的乘法定理，按如下公式确定横向力与纵向力的合力：其中Fr和Ff分别为同一平面内的前向力和逆向力，Fj为与Fr和Ff垂直平面内的各纵向力 或横向力，Fm*Fr、Ff和Fj的合力。
【文档编号】G06Q50/02GK105894211SQ201610258346
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】胡瑾秋, 张来斌, 王倩琳
【申请人】中国石油大学(北京)