淺水水下采油樹風險評估方法適應性分析

王名春，幸雪松，閆 晴，曹波波，陳 幸，尹建喜

(1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100029；2.中國石油化工股份有限公司 上海海洋油氣分公司 石油工程技術研究院，上海 200120；3.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067；4.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院，北京 102200)

0 引 言

渤海屬于淺海海域，油氣資源儲藏量巨大，由于受到軍事、航線和生態(tài)資源開發(fā)等因素限制，有些區(qū)域無法采用常規(guī)導管架平臺等形式進行油氣開采[1]，若在淺海海域中應用常規(guī)深水開發(fā)模式，會增加開發(fā)難度和成本，因此開發(fā)適用于渤海海域的淺水油田生產(chǎn)新模式已成為必然趨勢。淺水水下采油樹作為淺水油田開發(fā)的重要組成裝備，位于水下井口之上，連接井口與跨接管，是油氣自井下進入水下生產(chǎn)系統(tǒng)后隔離油氣與海洋環(huán)境的第一道屏障，用于油氣井生產(chǎn)控制、監(jiān)測以及為修井作業(yè)提供條件等，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成裝備。淺水水下采油樹所處海域水深較淺，只需潛水員在海況及風浪流條件允許的情況下進行潛水作業(yè)，不需要用遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)進行水下操作，在某種程度上降低了操作難度。

由于淺海海面流速和風浪的影響較大，淺水水下采油樹相較于深水采油樹受到的環(huán)境載荷更為復雜，在下放安裝等危險工況和正常生產(chǎn)工況下更易發(fā)生失效，一旦發(fā)生失效，必將引起其他相關設備和整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的連鎖反應，最終可能導致整個生產(chǎn)系統(tǒng)失效，造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的環(huán)境污染。隨著近些年海洋油氣生產(chǎn)安全事故的頻發(fā)，國內外對水下生產(chǎn)裝備的可靠性安全分析和風險管理要求越來越高。

本文介紹幾種針對淺水水下采油樹的典型風險評估方法如事故樹分析(Fault Tree Analysis,FTA)、失效模式和后果分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)和Monte-Carlo模擬等，并建立淺水水下采油樹事故樹模型，得出結構重要度，針對薄弱結構在人員、機構和環(huán)境方面等提出建議，從而降低風險。

1 水下采油樹風險分析和可靠性研究現(xiàn)狀

1.1 國外采油樹設計標準研究進展

國外早在20世紀60年代就已進行水下采油樹研發(fā)，美國聯(lián)邦海事委員會(FMC)、卡麥隆集團(Cameron)、美國通用電氣公司(GE)和美國特拉華州公司(Dril-Quip)等已經(jīng)掌握了較為成熟的設計制造技術[2]，其研究成果向外公布較少，在相關刊物上發(fā)表的關于水下采油樹可靠性的文章也較少，但出版了相關規(guī)范標準對其進行規(guī)范和引導。

1995年，挪威船級社(DNV)針對海洋平臺結構撰寫《海洋結構可靠度分析指南》，為平臺結構設計提供結構可靠性分析方法[3]。2009年，美國石油協(xié)會(API)針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性發(fā)布API-RP-17N標準，推薦使用故障模式、FMEA、FTA和可靠性框圖(Reliability Block Diagram，RBD)等方法為水下采油樹設計、制造生產(chǎn)和測試等一系列流程提供依據(jù)[4]。2001年，國際石油和天然氣工業(yè)委員會制定ISO 19902，規(guī)定以鋼結構為標準的可靠性建模分析方法，并基于概率統(tǒng)計校核鋼結構強度與疲勞失效[5]。英國石油公司(BP)等國外石油公司在2009年聯(lián)合出版《海洋工程可靠性數(shù)據(jù)手冊》(OREDA)，采集水下井口和水下采油樹等水下設備在作業(yè)過程中的失效數(shù)據(jù)，失效數(shù)據(jù)主要來源于墨西哥灣、幾內亞灣等地區(qū)的不同海洋平臺作業(yè)場所[6]。

綜上所述，國外對水下采油樹可靠性的研究較為成熟。經(jīng)過多年的可靠性理論發(fā)展和相關標準的完善，有超過500份的相關設計標準協(xié)議在美國石油和天然氣行業(yè)推廣使用[7]，這些標準和推薦方法都經(jīng)過大量現(xiàn)場測試和驗證，具有很高的參考價值。

1.2 國內采油樹可靠性研究進展

國內對水下采油樹的研究起步較晚，我國南海已使用的水下采油樹大部分依靠國外進口，國內廠商近年來也對此加大研究投入，對可靠性等相關研究還不夠成熟，特別是對淺水油田還沒有建立一套完整的可靠性分析體系。

國內學者也利用了多種可靠性分析方法對采油樹的部分結構進行研究。PANG等[8]采用Monte-Carlo模擬水下采油樹油管懸掛器結構可靠性，得出其結構可靠度及各參數(shù)對結構可靠性的影響。劉超等[9]提出一種基于 Markov 的水下采油樹系統(tǒng)可靠性評估方法，研究水下采油樹系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障機制，建立水下采油樹系統(tǒng)的 Markov 模型并給出相應的解析方程。王濤[10]對油管懸掛器的下放安裝過程進行風險評價，以油管掛下放失效為頂事件，定位失敗和鎖緊解鎖失效為中間事件構建事故樹，得出油管懸掛器下放失效主要受海流力、下放工具和作業(yè)平臺等相關因素影響。朱元坤等[11]考慮到油管懸掛器在加工過程中的誤差以及在實際工作過程中其材料參數(shù)和載荷存在隨機性或模糊性，建立油管懸掛器參數(shù)化模型，將其結構尺寸、工作載荷、材料性質等隨機變量設置為服從正態(tài)分布，運用拉丁超立方抽樣(Latin Hypercube Sampling method,LHS)對其進行抽樣和有限元分析，得到油管懸掛器掛可靠度結果。

由此看來，目前國內對水下采油樹的風險評估主要為針對水下采油樹關鍵部件的結構分析，而針對水下采油樹整個系統(tǒng)的可靠性研究較少，與整個系統(tǒng)相關的重要失效模式的研究也同樣較少。

1.3 國內可靠性研究中存在的不足

(1) 缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理。國外通常按照不同的作業(yè)海域工況建立失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，如WORD、OREDA和NPD，而國內在失效統(tǒng)計方面缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理。

(2) 標準規(guī)范不夠明確。我國目前頒布的GB/T國家標準基本參照API、ISO等標準，具體還需結合我國四海海域油田環(huán)境特點，形成適用于我國海域的可靠性標準體系。

(3) 水下生產(chǎn)裝備可靠性分析體系不夠完整。大多數(shù)針對某設備的具體結構如油管懸掛器、采油樹本體等進行單獨分析，對整體水下采油樹系統(tǒng)未進行整體可靠性分析，建立適用于我國海域的水下采油樹系統(tǒng)整體可靠性風險評價體系，不僅能提高水下采油樹等裝備的使用壽命，而且能盡可能地提高其在結構生命期內的安全性。

2 典型風險評估方法對淺水水下采油樹的適應性分析

水下采油樹風險分析是對采油樹關鍵部件或過程選用合適的定性或定量分析方法，得到對應部件的風險因素、失效概率和風險影響，結合相應的措施建議以提高可靠性。根據(jù)不同部件在采油樹中的位置、結構特點、安裝方式等以及采油樹的不同階段選用合適的分析方法。

2.1 FTA法

FTA根據(jù)一個母系統(tǒng)失效，進而判斷出導致母系統(tǒng)失效的子系統(tǒng)發(fā)生失效的各種直接或間接因素，通過建立邏輯關系，從而確定母系統(tǒng)失效的失效概率或子系統(tǒng)與母系統(tǒng)的關系，是一種定量或定性的風險評價方法[12]。

確定底事件概率。用模糊數(shù)學理論將專家語言轉換成隸屬度函數(shù)。

用平均算法和α截集對隸屬度函數(shù)進行處理，求出平均模糊數(shù)W。

將平均模糊數(shù)W轉化為模糊可能性值SFP，再由式(1)得到模糊失效率RFF，即為底事件的概率。

(1)

求解頂事件的失效概率。采用近似求解公式求解頂事件的發(fā)生概率P(T)：

(2)

式中：R為最小割集劃分個數(shù);Ki為第i個最小割集；P(Ki)為第i個最小割集的發(fā)生概率。

基本事件敏感度分析。敏感度分析一般用概率(臨界)重要度和關鍵重要度進行表示：

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Ig(i)為第i個基本事件的概率重要度；i為第i個基本事件，i=1，2，…，n；qi為第i個基本事件發(fā)生概率；Ig,c(i)為第i個基本事件的關鍵(臨界)重要度。

根據(jù)敏感度分析可判斷各個底事件對頂事件發(fā)生所產(chǎn)生的影響，根據(jù)影響因素、影響程度和影響環(huán)節(jié)，有針對性地提出相應的預防措施和建議以降低風險。

油管懸掛器在安裝下放過程中伴隨著海流力、下放工具振動和入水砰擊等影響，有隨機性和較大的不確定性。建立以油管懸掛器安裝失效為頂事件的事故樹[13]，如圖1所示。以定位失效、鎖緊失效、密封失效和安裝工具失效為中間事件，求解基本事件發(fā)生概率，得到基本事件重要度變化情況，如圖2所示。油管懸掛器安裝過程中高風險環(huán)節(jié)主要是定位失效和鎖緊失效，可采取提升定位導向系統(tǒng)、提供良好對中定位、采用高彈性密封和加強定位套筒的強度校核等措施進行改善。

FTA法可有效識別潛在風險因素，從多方面獲取事件發(fā)生概率，準確性較好，但分析周期長、計算量大、成本高、難度大，在一定程度上存在局限性。

圖1 油管懸掛器安裝失效事故樹

圖2 失效事故樹重要度分析

2.2 Monte-Carlo有限元模擬

Monte-Carlo是一種較為普遍的可靠度模擬方法，適用于失效概率未知的結構設計可靠性分析，如圖3所示。ANSYS有限元分析中的概率設計(Plant Design System,PDS)模塊實現(xiàn)Monte-Carlo模擬與有限元的結合，其主要利用隨機變量服從一定概率形式的隨機分布，經(jīng)過大量抽樣，模擬得出各變量對可靠度影響的靈敏度。

對水下采油樹關鍵部件水下連接器進行受力分析，結合Monte-Carlo抽樣方法，將驅動環(huán)、VX鋼圈和鎖塊的材料參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等設置為隨機變量，得到在位狀態(tài)下最大應力的敏感性參數(shù)如內部壓力、海水壓力和鎖塊被壓縮量等，并根據(jù)敏感性參數(shù)和PDS計算數(shù)據(jù)計算出各部件的可靠度，為水下采油樹結構優(yōu)化和安全評估提供參考依據(jù)。

Monte-Carlo可靠性設計可更全面地考慮在實際工程中出現(xiàn)的不確定性因素，定量化地提供改進設計依據(jù)。但此方法在進行變量分析時只考慮單一形式的概率分布，與實際概率情況有較大的誤差，因此需要大量的初始數(shù)據(jù)做鋪墊。

圖3 Monte Carlo模擬分析流程

2.3 FMEA法

FMEA主要通過對與母系統(tǒng)相關聯(lián)的各子系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障模式及嚴重度進行評價，有針對性地提出有效預防措施和建議，以降低故障發(fā)生概率。FMEA一般包括過程風險因素識別、故障原因分析和故障影響分析，其流程如圖4所示。

水下采油樹下放安裝為低概率高風險事件，F(xiàn)MEA可對安裝過程中眾多潛在不確定因素進行過程風險分析，找到水下采油樹安裝操作過程中的潛在風險和故障，詳細地分析過程風險因素和影響，有利于更好地提出防控措施。

圖4 FMEA流程

在油管懸掛器分析中，結合油管掛安裝作業(yè)和服役流程對其進行風險因素識別，將油管懸掛器中的推動環(huán)、鎖塊、密封圈等部件依次編號，對油管掛各部件在安裝過程中有可能產(chǎn)生的失效模式和失效原因進行分析，進而識別油管懸掛器安裝和在役過程中的故障影響和嚴重度評價，如表1所示。由表1可直觀地得到所有部件的分析結果，進而給出相應的分析建議以提高總體可靠性，如優(yōu)化安裝方式、校核材料強度等。

表1 油管懸掛器FMEA分析

2.4 層次分析和逼近理想解排序

層次分析(Analysis Hierarchy Process，AHP)法把一個復雜的多目標決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標(或準則、約束)的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序和總排序。逼近理想解排序(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS)法根據(jù)有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，是進行多目標決策分析的一種常用方法。AHP確定評價指標權值，TOPSIS對指標進行綜合評價，采用多指標評判因素分析風險等級，使結果更準確[14-15]。

AHP-TOPSIS綜合評價主要分為5個環(huán)節(jié)[16]，流程如圖5所示。

(1) 建立層次結構模型，分為目標層、準則層和指標層。

(2) 構造風險判斷矩陣，進行一致性檢驗，一致性檢驗合格標準為一致性比率小于0.1。

(3) 建立綜合初始評判矩陣。選擇不同的指標類型，利用倒數(shù)法將低優(yōu)指標轉為高優(yōu)指標，經(jīng)過同趨化后將風險判斷矩陣變?yōu)闃藴驶瘺Q策矩陣。

(4) 優(yōu)勢度評價。根據(jù)標準化矩陣，計算目標層的優(yōu)勢度，優(yōu)勢度越大表明風險越大。

(5) 在設計、制造和安裝下放等環(huán)節(jié)對風險概率等級較大的環(huán)節(jié)提出合理改進建議。

水下采油樹內部連接和密封部位較多，泄漏風險較高，首先需確定水下采油樹泄漏風險目標層，然后向下劃出環(huán)境安全、泄漏率和經(jīng)濟損失等3個準則層，最后確定6個評判指標，建立水下采油樹泄漏風險評估指標體系(見圖6)，經(jīng)過TOPSIS方法求解，得到外泄漏風險較大，再結合水下采油樹密封結構可得其密封關鍵部位，在連接裝置和密封件材料選擇、強度校核方面，結合腐蝕和受力情況綜合考慮降低泄漏風險。

2.5 可靠性分析方法對比

將上述幾種可靠性評估方法進行對比分析，如表2所示。

圖6 水下采油樹泄漏風險評估指標體系

表2 可靠性評估方法對比

續(xù)表2 可靠性評估方法對比

3 針對渤海淺水采油樹風險分析與建議

渤海海域油田油氣藏資源豐富，開采歷史悠久，由于環(huán)境特殊，采用固定平臺開采占極少部分，絕大部分采用淺水水下采油樹。淺水采油樹與深水采油樹在基本功能分類上有相似之處，但在內部結構和各部件安裝形式上有所不同。例如淺水水下采油樹可與水下簡易泥線懸掛井口裝置配合，外部需要有保護框架結構，不需要ROV輔助操作，在成本和操作難度方面具有較大的優(yōu)勢。

通過比較分析幾種可靠性分析方法，對渤海淺水水下采油樹的結構及功能進行分析，建立淺水水下采油樹失效事故樹如圖7所示，采用下行法劃分出最小割集，進行關鍵結構重要度排序，由大到小依次為油管懸掛器、采油樹本體、采油樹樹帽、頂部阻塞器、采油樹閥組、隔離套和外部保護裝置。

圖7 淺水水下采油樹失效事故樹

針對水下采油樹油管懸掛器、保護裝置和采油樹閥組等關鍵結構進行設計改進建議。

(1) 油管懸掛器

由事故樹分析可知，油管懸掛器是采油樹中極易失效的部件，在設計時需整體考慮出油口的角度、隔熱保溫設計和流動保障設計等3個部分。油管懸掛器在設計時需遵循先定向再密封、鎖定的原則，即油管懸掛器先依靠定向機構進行定位，再對結構進行密封和鎖定[17]。

在尺寸設計方面，油管懸掛器主體結構內徑的確定需要考慮實際流量和生產(chǎn)過流通道內徑大小。對于鎖緊裝置，由于油管懸掛器下部需要懸掛油管而承受較大的拉力(通常大于1 000 kN)，因此采油樹本體和采油樹之間的連接結構應采用高強度螺紋，如內凹型，這樣的螺紋連接能承受較大的沖擊載荷。對于外部密封裝置，油管懸掛器上下兩處密封圈由于內部壓力極易發(fā)生密封失效，密封圈唇部受到位移載荷壓力產(chǎn)生彎曲，容易發(fā)生應力集中，因此采用以易成形且彈性佳的金屬密封件為主、非金屬密封為輔的組合密封較為合適，通過對密封圈的寬度、高度、傾斜角度參數(shù)的合理設計，保證其良好的密封性能。

(2) 保護裝置

水下采油樹所處海域位于漁業(yè)捕撈作業(yè)區(qū)，漁網(wǎng)拖掛對水下采油樹影響較大，水下采油樹易發(fā)生損傷、破壞和油氣泄漏，引發(fā)嚴重的事故。因此，對水下采油樹外部保護裝置進行設計必不可少。采油樹外部保護裝置主要分為采油樹保護裝置基座和保護框架。采油樹保護裝置基座應與永久導向基座(Permanent Guide Base,PGB)標準尺寸相連接，在設計導向繩出入口時應將導向繩裝在保護裝置基座頂部和底部的漏斗之內，出入口的設計應考慮打開和關閉的便捷性，并應消除安裝或回收期間阻礙導向繩的危險因素。防拖網(wǎng)保護框架用于水下采油樹生產(chǎn)期間掉落物體撞擊保護，避免落物撞擊對PGB、采油樹內部管線和生產(chǎn)通道造成損壞，為防止拖網(wǎng)網(wǎng)板進入采油樹內部，應合理設計防脫網(wǎng)框架的整體幾何形狀和開口尺寸，減少結構凸起，同時也須考慮安裝公差和預期沖刷的影響。

(3) 采油樹閥組

由于淺水水下采油樹的特殊性，淺水采油樹內部的生產(chǎn)控制閥組設計并不復雜。參照ISO 13628、NORSK等設計標準進行設計校核和測試。在材料選擇上，雙相不銹鋼合金的耐應力腐蝕、力學性能佳，可增強抗海水腐蝕并在開采原油氣時抗H2S應力腐蝕。對于一般閥門設計，除了考慮內部流體的流動溫度及外部靜水壓力的影響外，還需考慮減少固體和水合物在閥室中的積聚。對于功能性閥(如隔離閥和化學試劑注入閥)的設計，需考慮冗余設計、增強材料選擇、加入防凝結藥劑和防腐蝕設計。

4 結 論

(1) 對于淺水水下采油樹的安裝下放過程或在役過程宜考慮選擇FTA分析或FMEA分析。FTA利用底事件和中間事件失效概率進行重要度分析；FMEA可有效識別過程中發(fā)生的風險因素，劃分嚴重度等級，進而采取相應措施。

(2) 在水下采油樹結構設計分析時，用PDS有限元分析可得到關鍵結構的應力大小，再結合Monte-Carlo模擬抽樣計算結構變量均值分布，從而得到各參數(shù)對結構可靠性影響的敏感性。

(3) 對于水下采油樹出現(xiàn)如泄漏、斷裂等風險所引發(fā)的多重因素影響，采用AHP-TOPSIS綜合評估劃分指標等級、分配權重排序，得到各因素的優(yōu)勢度大小。

(4) 水下采油樹中的油管懸掛器、保護裝置和閥組等關鍵部件在設計時需結合淺水海域條件，通過合理設計結構參數(shù)、增加防腐蝕設計、材料選擇等有效提高水下采油樹的整體可靠性。