深水鉆井防噴器系統(tǒng)失效定量風(fēng)險分析

黨志剛， 金業(yè)權(quán)， 金經(jīng)洋， 李 成， 紀(jì)永強(qiáng)， 廖華林

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院， 青島 266580)

深水防噴器系統(tǒng)是深水油氣鉆井安全的重要保障，在出現(xiàn)井筒壓力異常時必須及時可靠地對井筒壓力進(jìn)行控制，避免人身傷亡和財產(chǎn)損失等重大事故的發(fā)生[1]。2010年英國石油公司(BP)“深水地平線”事故造成11人失蹤17人受傷，經(jīng)濟(jì)損失超480億美元，事故發(fā)生很大程度歸因于深水防噴器系統(tǒng)的失效[2]。

中外對深水防噴器系統(tǒng)的安全評價主要集中在兩方面。一是從防噴器的配置方面研究：曹式敬[3]從深水防噴器組的配置方面研究了防噴器系統(tǒng)的可靠性，Enjema等[4]提出了環(huán)形防噴器的冗余配置可以提高防噴器系統(tǒng)的整體可靠性；二是基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行研究：雷軍等[5]基于數(shù)理統(tǒng)計方法對深水防噴器系統(tǒng)進(jìn)行了安全關(guān)鍵性失效分析，薛魯寧等[6]研究了關(guān)井期間發(fā)生的井控關(guān)鍵失效對防噴器可靠性的影響，曹樹杰等[7]基于信息公理(AD)與風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(RPN)評價方法，結(jié)合失效模式及后果分析(FMEA)找出了深水防噴器系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，Holand[8-9]和Awan[9]收集整理了外國深水防噴器系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，并建立了水下防噴器系統(tǒng)失效的故障樹。從以上研究中發(fā)現(xiàn)目前對深水防噴器系統(tǒng)安全評價的研究眾多，但缺乏針對具體井防噴器系統(tǒng)進(jìn)行綜合風(fēng)險識別與定量評價的研究，大量學(xué)者是對系統(tǒng)中某一或者幾個組件的失效進(jìn)行評價，缺乏整體性與系統(tǒng)性。

現(xiàn)將屏障和可操作性風(fēng)險分析(barrier and operational risk analysis, BORA)[10-11]方法引入深水防噴器系統(tǒng)風(fēng)險評價領(lǐng)域，綜合考慮多種風(fēng)險因素，建立較為系統(tǒng)和全面的深水防噴器系統(tǒng)風(fēng)險評價方法。

1 指標(biāo)體系和評價模型建立

1.1 BORA評價方法

BORA風(fēng)險評價方法來源于挪威的BORA工程，最初用來分析海洋生產(chǎn)設(shè)施安全屏障的可靠性。BORA方法基本原理是，初始事件發(fā)生后如果所有安全子屏障功能均正常，初始事件就不會發(fā)展至事故，事故發(fā)生的原因是初始事件與安全屏障功能失效同時發(fā)生。目前該方法主要被應(yīng)用在碳?xì)浠衔镄孤对u價方面[11]，在鉆井工程領(lǐng)域，尤其是深水防噴器系統(tǒng)的綜合風(fēng)險評價中尚未得到應(yīng)用。

(1)

當(dāng)IR>0時，待評價系統(tǒng)失效風(fēng)險高于行業(yè)平均水平，且值越大風(fēng)險越高；當(dāng)IR=0時，待評價系統(tǒng)失效風(fēng)險與行業(yè)平均水平持平；當(dāng)IR<0時，待評價系統(tǒng)失效風(fēng)險低于行業(yè)平均水平。待評價系統(tǒng)失效的實際概率和平均概率分別為

(2)

(3)

1.2 深水防噴屏障識別

建立以井涌為初始事件的安全屏障框圖識別深水防噴器系統(tǒng)中各安全子屏障，并從中確定井涌—防噴器系統(tǒng)失效的事件序列。其中，各步驟事件就是深水防噴器系統(tǒng)的子屏障[10-11]。把功能相近或同一功能模塊的組件作為深水防噴器系統(tǒng)的子系統(tǒng)，則深水防噴器系統(tǒng)就由多個子系統(tǒng)串聯(lián)而成[9,12]。深水防噴器系統(tǒng)安全屏障框圖如圖1所示，各子屏障名稱和包含的組件見表1。

Y表示屏障功能成功，N表示屏障功能失效圖1 深水防噴器系統(tǒng)安全屏障框圖Fig.1 Barrier block diagram of deepwater BOP system

表1 深水防噴器系統(tǒng)的各級屏障

井涌發(fā)生后，深水防噴器系統(tǒng)的各子屏障按順序發(fā)揮各自的功能。根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)[13]規(guī)則，只有當(dāng)5個子屏障全部都正常發(fā)揮各自功能的時候，深水防噴器系統(tǒng)才不會失效，如圖1所示。

1.3 評價指標(biāo)體系

在遵循系統(tǒng)性與綜合性原則的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和《鉆井作業(yè)用防噴設(shè)備系統(tǒng)推薦作法》《海上鉆井作業(yè)井控規(guī)范》等行業(yè)規(guī)范，從人員、設(shè)備、技術(shù)三個角度對影響深水防噴器系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行分析[14]，建立了包含15個因素的風(fēng)險評價指標(biāo)體系[15-17]。根據(jù)專家建議和行業(yè)水平將風(fēng)險等級從低到高分為A、B、C、D、E5個等級。指標(biāo)體系中影響因素權(quán)重由專家打分和熵權(quán)法綜合計算確定，利用該體系可以確定各風(fēng)險影響的風(fēng)險狀態(tài)等級si。各影響因素和指標(biāo)定義見表2，指標(biāo)體系見表3。

表2 深水防噴器系統(tǒng)風(fēng)險因素及權(quán)重

表3 深水防噴器系統(tǒng)風(fēng)險評價指標(biāo)體系

指標(biāo)體系建立之后并不是固定不變的，會因區(qū)塊的不同而有一定的差異性，也會因為鉆井技術(shù)水平的提高而有一些變化，應(yīng)該根據(jù)實際情況建立適用于目標(biāo)區(qū)塊的指標(biāo)評價體系，使2.2節(jié)中建立的定量評價標(biāo)準(zhǔn)更加符合評價區(qū)塊的實際情況。

1.4 防噴器系統(tǒng)失效BORA模型

根據(jù)1.3節(jié)中各安全子屏障的影響因素和風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并結(jié)合圖1識別出的5個深水防噴器系統(tǒng)失效的事件序列，建立深水防噴器系統(tǒng)失效BORA分析模型，如圖2所示。

利用1.1節(jié)中BORA風(fēng)險評價方法和上述深水防噴器系統(tǒng)失效BORA分析模型，結(jié)合深水防噴器系統(tǒng)失效平均數(shù)據(jù)和待評價防噴器系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，可定量計算待評價井防噴器系統(tǒng)失效風(fēng)險。

2 防噴器系統(tǒng)失效風(fēng)險計算

若要計算IR，需要計算出深水防噴器系統(tǒng)失效的行業(yè)平均概率和待評價系統(tǒng)失效的實際概率。

2.1 防噴器系統(tǒng)失效概率計算

2.1.1 平均概率計算

(1)初始事件井涌發(fā)生的平均概率。選取一段防噴器組工作時間，在這段時間內(nèi)井涌發(fā)生次數(shù)x與時間t(天數(shù))的比值即為井涌發(fā)生平均概率[10]：

圖2 深水防噴器系統(tǒng)失效BORA模型Fig.2 BORA model of deepwater BOP system failure

(4)

同時，基于文獻(xiàn)[9]中統(tǒng)計的墨西哥灣342口井的資料來計算井涌平均概率，具體數(shù)據(jù)如表4所示。則深水鉆井井涌平均概率pIE=(81+48)/(15 056+4 009)=0.006 8。

(2)屏障功能失效的平均概率。深水防噴器系統(tǒng)安全屏障框圖中包含5個防噴器系統(tǒng)失效事件序列，屏障功能失效的概率是這5個事件序列概率之和。結(jié)合圖1和圖2，確定各事件序列的屏障功能組合，見表5。

表4 墨西哥灣深水鉆井井涌情況統(tǒng)計表

表5 深水防噴器系統(tǒng)失效屏障功能組合

注：I表示初始事件,Y表示屏障功能成功，N表示屏障功能失效，—表示未用到該屏障功能。

(5)

2.1.2 實際概率計算

井涌事件或任意一個子屏障失效事件的實際概率由影響該事件各因素所占的權(quán)重、狀態(tài)等級以及該事件失效的平均概率決定[10]：

(6)

Q(si)的值與事件發(fā)生概率k的上下限khigh和klow有關(guān)：

(7)

2.1.3 BORA風(fēng)險評價方法的改進(jìn)

BORA方法中，確定事件發(fā)生概率的上下限是由專家根據(jù)經(jīng)驗賦值，這種方法主觀性較強(qiáng)，并且由于中國深水鉆井起步較晚，深水鉆井方面累積的經(jīng)驗并不是太豐富，專家給出的經(jīng)驗更難令人信服。基于此，利用事件發(fā)生的平均概率結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法對確定khigh和klow的部分進(jìn)行改進(jìn)，具體如下。

如果在累計工作時間t內(nèi)某故障共發(fā)生了m次，則該故障發(fā)生的平均概率[18]為

(8)

(9)

由式(6)～式(9)和2.1.1節(jié)中的平均失效數(shù)據(jù)，結(jié)合卡方分布表可計算出井涌發(fā)生和各子屏障失效的實際概率，再結(jié)合式(1)、式(2)、式(5)最終可以計算出待評價深水鉆井防噴器系統(tǒng)失效的實際概率P和風(fēng)險增幅IR，得到待評價對象的風(fēng)險狀況。

2.2 防噴器系統(tǒng)失效評價標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)深水防噴器系統(tǒng)所有影響因素的狀態(tài)等級同時處于A、B、C、D或者E等級時，利用式(6)～式(9)計算系統(tǒng)的失效概率，然后根據(jù)式(1)～式(3)計算系統(tǒng)失效的風(fēng)險增幅IR。計算結(jié)果見表6，利用該結(jié)果來劃分風(fēng)險等級范圍。

表6 影響因素不同狀態(tài)等級對應(yīng)的系統(tǒng)失效概率

根據(jù)表6 IR建立防噴器系統(tǒng)失效風(fēng)險4級標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級(低風(fēng)險)：-69.5%～-39.2%；Ⅱ級(較低風(fēng)險)：-39.2%～0；Ⅲ級(較高風(fēng)險)：0～85.6%；Ⅳ級(高風(fēng)險)：85.6%～193.5%。

3 實例計算分析

3.1 實例計算

為驗證本文建立的深水防噴器系統(tǒng)失效定量評價模型的可靠性和科學(xué)性，將2007年墨西哥灣一口已鉆深水井block47-1井作為實例研究。根據(jù)所建立的評價指標(biāo)體系，收集該井歷史數(shù)據(jù)，并判斷各因素所屬的狀態(tài)等級，具體見表7。

應(yīng)用式(7)～式(9)將風(fēng)險等級轉(zhuǎn)化為量化值，并根據(jù)表2中的影響因素權(quán)重，由式(6)計算該井井涌的發(fā)生概率pIE和深水防噴器系統(tǒng)各子屏障功能失效的實際概率ki(i=1,2,3,4,5)，計算結(jié)果分別為8.043×10-3、2.156×10-3、2.804×10-3、1.223×10-3、1.291×10-3、3.804×10-3，則系統(tǒng)屏障功能失效的實際概率為

表7 Block47-1井防噴器系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)

pBF=1-(1-k1)(1-k2)(1-k3)(1-k4)×

(1-k5)=7.835×10-3

(10)

由式(2)和式(1)可以分別計算出該井防噴器系統(tǒng)失效實際概率P和風(fēng)險增幅IR分別為

P=pIEpBF=6.302×10-5

(11)

(12)

由計算結(jié)果可知，該防噴器系統(tǒng)失效風(fēng)險為Ⅲ級，屬于較高風(fēng)險等級，符合事故調(diào)查報告中該深水防噴器系統(tǒng)當(dāng)時的風(fēng)險狀況。

3.2 敏感性分析

要降低系統(tǒng)的失效風(fēng)險，需要針對系統(tǒng)中影響因素狀態(tài)等級大于C(行業(yè)平均水平)的風(fēng)險因素采取控制措施。目前該系統(tǒng)所有風(fēng)險因素中，狀態(tài)等級大于C的有5個，分別為A14、A31、A42、A51、A62。

為了解因素狀態(tài)等級大于行業(yè)平均水平的這5個影響因素對風(fēng)險增幅IR的影響程度，對這5個因素進(jìn)行敏感性分析。首先將唯一的E等級因素(A42)提升至D等級，其他因素狀態(tài)等級保持不變，計算發(fā)現(xiàn)IR降為24.9%，降低幅度僅為0.6%，說明A42因素對IR的影響并不明顯；然后按照A14、A31、A42、A51、A62的順序，將5個D等級因素依次調(diào)整至C等級，調(diào)整過程中仍然保持每次只改變一個因素的狀態(tài)等級，IR降低幅度如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)風(fēng)險影響因素敏感性程度Fig.3 The sensitivity degree of system risk influencing factors

研究發(fā)現(xiàn)，A14因素的狀態(tài)等級由D調(diào)整為C，IR就由25.5%降至-7.4%，降低幅度為32.9%，這直接使得該井防噴器系統(tǒng)失效風(fēng)險由較高風(fēng)險降為較低風(fēng)險。由此可見，對于初始事件井涌的防控工作是至關(guān)重要的。這5個因素對系統(tǒng)可靠性影響程度按從大到小的順序為A14、A31、A51、A62、A42，要降低系統(tǒng)風(fēng)險，應(yīng)按照順序從這幾方面進(jìn)行控制。

4 結(jié)論

(1)利用齊次泊松過程參數(shù)模型對經(jīng)典BORA方法中事件發(fā)生概率的專家賦值法進(jìn)行改進(jìn)后，引入深水防噴器系統(tǒng)失效評價，建立了深水防噴器系統(tǒng)失效BORA理論模型。模型解決了評價系統(tǒng)中定量因素定性因素交錯不易處理的難題；有效避免用傳統(tǒng)評價方法產(chǎn)生的經(jīng)驗主義，評價結(jié)果更具客觀性和科學(xué)性。

(2)研究發(fā)現(xiàn)，“安全密度窗口”因素狀態(tài)等級由D調(diào)整為C，IR就由25.5%降至-7.4%，直接使得防噴器系統(tǒng)失效風(fēng)險由較高風(fēng)險降為較低風(fēng)險，因此在實際工作中，應(yīng)該特別防范窄密度窗口對深水防噴器系統(tǒng)可靠性帶來的影響。

(3)15個失效影響因素的五等級風(fēng)險評價指標(biāo)體系的具體數(shù)值會因各地區(qū)的實際情況而有一些差異，也會隨著鉆井技術(shù)水平的提高而有一定變化，因而深水防噴器系統(tǒng)失效風(fēng)險定量評價標(biāo)準(zhǔn)值也會隨之發(fā)生變化，利用建立的評價模型和方法可以對任意特定防噴器系統(tǒng)進(jìn)行失效風(fēng)險定量評價。