層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏風(fēng)險的故障樹分析

井文君，楊春和， ，陳 鋒，紀(jì)文棟，徐玉龍

（1. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 2. 重慶大學(xué) 西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點實驗室，重慶 400044）

1 引 言

由于鹽巖具有低滲透性和良好的蠕變特性而在國際上被公認(rèn)為是能源儲備的理想介質(zhì)。我國已在江蘇金壇、湖北云應(yīng)、河南平頂山等多個鹽礦規(guī)劃了單腔數(shù)量超過100 的大型鹽巖地下儲備庫群，其中江蘇金壇已經(jīng)開始建設(shè)，最終將建成擁有120個單腔的大型密集儲氣庫群。我國鹽巖地下儲庫群的大規(guī)模興建已經(jīng)開始[1]。

盡管鹽巖地下能源儲備相對安全，但國外鹽巖地下儲備庫事故仍時有發(fā)生，其中的重要類型之一就是油氣滲漏。據(jù)統(tǒng)計，自20 世紀(jì)50 年代以來，國外的鹽巖地下儲備庫曾發(fā)生的重大事故就有28次，其中有17 次是油氣滲漏事故，占事故總量的60.7%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損失[2－4]。

與國外海相沉積形成的巨厚鹽丘不同，我國的鹽巖屬于湖相沉積形成的層狀結(jié)構(gòu)，且含有許多不溶夾層，夾層的存在更易形成油氣滲漏的通道，增加了儲備庫的油氣滲漏風(fēng)險[1]。此外，該類事故一般具有突發(fā)性和難以預(yù)見性，且往往引起爆炸和火災(zāi)，損失程度難以估計。因此，對鹽巖地下儲備庫的油氣滲漏事故進(jìn)行風(fēng)險分析十分必要。

在鹽巖地下儲備庫油氣滲漏風(fēng)險的研究方面，國外主要集中在事故原因分析上，主要為定性分 析，如Bérest 等[4]、Thoms 等、Ehgartner 等均曾對鹽巖地下儲備庫的火災(zāi)爆炸類事故的原因進(jìn)行研究；而國內(nèi)則集中在鹽巖的力學(xué)特性[5－6]、地下儲備庫的可用性[7]、穩(wěn)定性[8]以及完整性研究方面，針對鹽巖儲備庫的風(fēng)險分析研究很少，尚處于起步階段[9－10]。我國關(guān)于風(fēng)險管理的研究和應(yīng)用開始于20 世紀(jì)80 年代后期，風(fēng)險分析理論在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用也是從那時才開始；此外，國內(nèi)除2007年開始投入運營的金壇五口老腔組成的儲氣庫外，尚無其他運營中的鹽巖儲備庫，可供進(jìn)行風(fēng)險分析的參考數(shù)據(jù)有限，還需借鑒國外鹽丘儲備庫的相關(guān)數(shù)據(jù)。

本文通過廣泛查閱國外鹽巖地下儲備庫曾發(fā)生的油氣滲漏事故的相關(guān)報道和研究，分析總結(jié)了該類事故的發(fā)生機(jī)制，然后結(jié)合我國層狀鹽巖的獨有特點，采用故障樹分析法建立了油氣滲漏事故的故障樹模型，并對該類事故的可能發(fā)生途徑、基本的致因事件進(jìn)行分析，最后以江蘇金壇鹽礦的五口老腔儲庫為例，采用了專家調(diào)查法和故障樹法相結(jié)合的分析方法，計算了其在運營階段油氣滲漏事故的發(fā)生概率，為系統(tǒng)的風(fēng)險管理和預(yù)防措施的制定提供理論依據(jù)。

2 層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏風(fēng)險的故障樹建立

故障樹分析法（fault tree analysis， FTA），又稱事故樹分析法，是一種常用于對大型復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評價的方法。該法是一種圖形演繹法，是故障事件在一定條件下的邏輯推理方法。故障樹能清晰地用圖說明系統(tǒng)是怎樣失效的，通過故障樹可以找出系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)。故障樹是一種形象化的技術(shù)資料，當(dāng)它建成以后，對不曾參與系統(tǒng)設(shè)計的管理、運行人員也是一種直觀的教學(xué)和維修指 南[11－13]。

2.1 發(fā)生機(jī)制簡析

鹽巖地下儲備庫中的油氣滲漏事故是指由于儲備庫洞周產(chǎn)生貫通性裂隙，或者井筒部位產(chǎn)生破損，又或者地面設(shè)備密封性失效而導(dǎo)致儲備庫中的油或氣沿縫隙（裂隙）泄露至周圍巖層中或地表的現(xiàn)象。該類事故一般會直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，嚴(yán)重時還會引發(fā)爆炸和火災(zāi)，造成人員傷亡和局部區(qū)域的嚴(yán)重破壞。油氣滲漏事故的發(fā)生機(jī)制見圖1。

圖1 油氣滲漏事故發(fā)生機(jī)制圖 Fig.1 Oil and gas leakage mechanism map

2.2 故障樹的建立

根據(jù)層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏事故的發(fā)生機(jī)制并結(jié)合儲備庫的建設(shè)和運營過程，從技術(shù)風(fēng)險（包括地質(zhì)、設(shè)計、施工）、人員風(fēng)險、管理風(fēng)險、自然和社會風(fēng)險4 個方面找出可能導(dǎo)致油氣滲漏事故發(fā)生的各種風(fēng)險因素，并著重對技術(shù)風(fēng)險[1，6，8，14－15]進(jìn)行了詳細(xì)分析。層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏事故風(fēng)險因素的詳細(xì)歸納分析見圖2。

參考國外鹽巖地下儲備庫曾發(fā)生的油氣滲漏事故原因，并結(jié)合事故的發(fā)生機(jī)制，確定故障樹頂事件為鹽巖儲備庫油氣滲漏，然后從腔周產(chǎn)生貫通性裂隙、井筒部位破損以及地面設(shè)備密封性失效3大主要原因入手進(jìn)行分析，層層深入，將各影響因素逐漸細(xì)化，直至所有因素均為難以再細(xì)化的基本事件，并根據(jù)各因素對頂事件發(fā)生所起的作用確定它們之間的邏輯關(guān)系。所建立的故障樹圖見圖3。故障樹各事件說明見表1。

3 層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏風(fēng)險的故障樹分析

3.1 下行法求最小割集

割集是指故障樹中一些底事件的集合，當(dāng)這些底事件同時發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生。若將割集中 所含的底事件任意去掉1 個頂事件便不再發(fā)生，這樣的割集就是最小割集。如果能使每個最小割集中至少有1 個底事件恒不發(fā)生或發(fā)生概率極低，則頂事件就恒不發(fā)生或發(fā)生概率極低，進(jìn)而使系統(tǒng)潛在事故的發(fā)生概率降至最低。此外，最小割集也是事故發(fā)生后診斷故障原因的重要方法。

圖2 層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏事故的風(fēng)險因素圖 Fig.2 Risk factors of oil and gas leakage accident of underground storage cavern in bedded salt rock

圖3 層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏事故的故障樹圖 Fig.3 Fault tree of oil and gas leakage accident of underground storage cavern in bedded salt rock

表1 事故樹各事件說明表 Table 1 Event description of fault tree

最小割集實質(zhì)上是事故可能發(fā)生的途徑，代表了系統(tǒng)的危險性，最小割集越多，系統(tǒng)越危險。故障樹的最小割集中，有1 個割集發(fā)生，頂上事件就發(fā)生。基本事件越少的割集，越容易發(fā)生，通過這一途徑發(fā)生事故的可能性就越大，故對基本事件少的割集應(yīng)重點采取預(yù)防措施。

本文采用下行法求解故障樹的最小割集。該方法是沿故障樹從頂事件往下逐級進(jìn)行，若遇到與門，則把與門下面的所有輸入事件都排在同一行上；若遇到或門，則把或門下面的所有輸入事件都排在同一列上。以此類推，逐級往下，一直到全部為底事件為止。這樣得到的底事件集合稱為布爾顯示割 集，經(jīng)過布爾代數(shù)的吸收歸并運算后便可得到最小割集[11]。最小割集中包含的基本事件稱為事故的基本致因事件。計算得到的最小割集見表2。

表2 油氣滲漏事故故障樹的最小割集列表 Table 2 Minimal cut sets of fault tree of oil and gas leakage accident

由表2 可見，我國層狀鹽巖中儲備庫發(fā)生油氣滲漏事故的可能途徑有28 種，每個最小割集包含的基本事件只有1 個到5 個不等，也就是說，當(dāng)只有1 個或幾個基本事件同時發(fā)生時系統(tǒng)就會發(fā)生油氣滲漏事故，說明該類事故的發(fā)生條件很容易滿足，事故發(fā)生的可能性較大。

與割集含義相反，徑集是指其所包含的底事件都不發(fā)生時頂事件必然不發(fā)生。若將徑集中任意1個底事件去掉后頂事件就會發(fā)生，這樣的徑集稱為最小徑集[2]。把故障樹中的邏輯與門與邏輯或門相互對調(diào)后便得到油氣滲漏事故的成功樹，同樣，采用下行法計算可以得到各最小徑集。經(jīng)計算，該故障樹的最小徑集有100 多個，包含的基本事件數(shù)也都在10 個以上，此處不再詳細(xì)列出。這說明阻止該類事故發(fā)生的途徑有很多，但每種方法所需條件甚多，難以同時得到滿足，進(jìn)一步驗證油氣滲漏事故易于發(fā)生而難于防范的特點。

3.2 頂事件發(fā)生概率計算

假定該故障樹的各基本事件滿足以下2 個基本假設(shè)：一是各個基本事件的概率都能精確估計；二是所有基本事件都相互獨立，即任何一個基本事件是否發(fā)生對其余基本事件是否發(fā)生不產(chǎn)生影響。在此前提下，根據(jù)最小割集計算頂事件的發(fā)生概率，即在求出最小割集的基礎(chǔ)上，把故障樹頂事件表示為最小割集中底事件積之和的布爾表達(dá)式。

由于前12 個最小割集只包含1 個基本事件，而從第13 個最小割集開始則包含4～5 個基本事件，假設(shè)各基本事件均為容易發(fā)生，發(fā)生概率取1%，則后26 種途徑導(dǎo)致頂事件發(fā)生的可能性比前12 種途徑至少小6 個數(shù)量級，與前12 項相比非常小，對頂事件發(fā)生概率的貢獻(xiàn)可以忽略，因此，頂事件概率表達(dá)式可簡化為

式中：1S 為首項近似算式，其余含義同式（1）。

式（2）適用于我國層狀鹽巖中所有儲備庫油氣滲漏事故發(fā)生概率的計算。但由于每個鹽巖地下儲備庫群的地質(zhì)、設(shè)施以及運營管理情況各不相同，因此，各基本事件的發(fā)生概率也不能一概而論，應(yīng)根據(jù)每個儲庫群的具體情況做出判斷，再代入式（2）計算頂事件的發(fā)生概率。本文在第4 節(jié)以江蘇金壇鹽礦的5 口老腔儲庫（西1、西2、東2、崗1、崗2）為例，對其在運營期間油氣滲漏事故的發(fā)生概率進(jìn)行詳細(xì)分析計算。

3.3 各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度計算

基本事件的結(jié)構(gòu)重要程度是指在不考慮每個基本事件的發(fā)生概率的情況下，各基本事件在頂事件發(fā)生的故障樹結(jié)構(gòu)上的重要程度，即各基本事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)程度[11]。基本事件的結(jié)構(gòu)重要度取決于它們在故障樹結(jié)構(gòu)中的位置，可以用下面的近似計算公式來計算，但計算得到的數(shù)值沒有絕對意義，只有相對意義，用于對基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行排序。計算公式如下：

式中： Ei為基本事件； Kj為最小割集； nj為包含第i 個基本事件的第j 個最小割集中基本事件的數(shù)目； I ( Ei)為基本事件 Ei的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。

根據(jù)最小割集列表以及式（3）、（4），計算得到各基本致因事件的結(jié)構(gòu)重要度排序為：

計算結(jié)果表明，按照各基本致因事件的發(fā)生對故障樹頂事件——系統(tǒng)油氣滲漏事故發(fā)生的貢獻(xiàn)程度的大小來說，鹽巖強(qiáng)度低、鹽巖蠕變過量、附近有斷層、地震、造腔工藝選擇不當(dāng)、造腔參數(shù)控制不當(dāng)、非均勻地應(yīng)力、人為操作失誤、護(hù)頂層過薄、套管質(zhì)量差、輸運設(shè)備受損以及井口密封設(shè)施不完善等因素是影響我國層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏事故發(fā)生的關(guān)鍵因素，采取措施防止以上事件發(fā)生可有效降低油氣滲漏事故的發(fā)生概率。

4 頂事件概率計算的工程應(yīng)用

4.1 金壇鹽礦5 口老腔儲庫概況

金壇鹽礦位于江蘇省常州市的金壇市西北、鎮(zhèn)江市丹徒縣東南，地理坐標(biāo)是東經(jīng)119°21′～119°27′，北緯31°46′～31°51′。

金壇盆地北東向長33 km，北西向?qū)捈s22 km，面積約526 km2，夾持于茅山推覆帶和上黃～大華隆起帶之間，為北東向的小型沉積盆地。盆地內(nèi)斷層主要有4 條，分別為直溪橋斷層、鮑塘斷層、觀西～大樹下斷層和西莊斷層，這些斷層在活動期具有張性特征，但現(xiàn)今均為壓性斷層，且斷距不大，斷層兩側(cè)均為泥質(zhì)巖或鹽巖，具有良好的封堵性，且鹽層主要分布區(qū)內(nèi)斷層斷距小，所選5 口老腔遠(yuǎn)離斷層和兩組大斷裂。

本區(qū)鹽巖層發(fā)育于直溪橋凹陷阜寧組沉積末期，屬湖盆萎縮階段水體濃縮的局限鹽湖沉積。據(jù)地震資料解釋成果及實際的鉆井資料，金壇鹽礦鹽巖層的分布在平面和縱向上都比較穩(wěn)定：平面上呈北東向展布，鹽巖體長軸為12 km，短軸為5.6 km，含鹽面積為60.5 km2，厚度為67.85～230.95 m；縱向上整個含鹽層系自下而上構(gòu)成一個完整的沉積旋回，水介質(zhì)由淡化～濃縮～再淡化，剖面結(jié)構(gòu)較簡單。自下而上由2 個橫向分布穩(wěn)定的棕紅色及灰～灰黑色夾棕紅色泥巖標(biāo)志層將鹽巖層分隔為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3 個主要礦層。

金壇鹽礦五口老腔儲庫的特征參數(shù)見表3。

表3 5 口老腔儲庫特征參數(shù) Table 3 Characteristic parameters of five old caverns

4.2 專家調(diào)查法確定基本事件發(fā)生概率

由于各基本事件的發(fā)生概率無統(tǒng)計資料，也無法由計算公式得出，因此，本文采用專家調(diào)查法對10 年之內(nèi)各基本事件的發(fā)生概率給出經(jīng)驗估計值。這是因為地質(zhì)條件是不斷變化的，工程的運營也會反過來改變周圍的地質(zhì)環(huán)境，因此，依據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料，姑且以10 年為一個單位進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測。通過對有鹽巖儲備庫相關(guān)專業(yè)知識或工程經(jīng)驗的20位專家進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)各個專家的職稱、專業(yè)等設(shè)定相應(yīng)的權(quán)重，然后將其所做的判斷按照對應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)累加，最后得到的就是所需目標(biāo)的最可能值。

表4 專家權(quán)重確定表 Table 4 Expert weights determining

根據(jù)表4，采用如下公式計算各專家權(quán)重。

式中：kW 為第k 位專家的評分權(quán)重；iU 、ijV 的含義見表4。經(jīng)計算，20 位專家的權(quán)重分布見表5。

表5 專家權(quán)重分布表 Table 5 Expert weights distribution

基本事件發(fā)生概率的量級和含義見表6。

表6 基本事件概率概量含義表 Table 6 Meaning of basic event probability

最終基本事件發(fā)生概率的確定采用如下公式：

式中：iP 表示第i 個基本事件發(fā)生概率的最終專家評定值，kiQ 為第k 位專家對第i 個基本事件發(fā)生概率的評定值。

4.3 頂事件發(fā)生概率計算

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，采用式（5）、（6）計算得到各事件的發(fā)生概率如下：

表7 各基本致因事件的發(fā)生概率表 Table 7 Occurrence probability of elementary event

將以上調(diào)查結(jié)果代入式（2），計算得到金壇鹽礦5 口老腔儲庫油氣滲漏事故發(fā)生概率為

5 結(jié) 論

（1）從所建立的層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏事故的故障樹圖可見，該故障樹中的邏輯或門很多，表明油氣滲漏事故的發(fā)生途徑有很多；故障樹的最小割集數(shù)目有28 個，而最小徑集數(shù)目大于100 個，說明該類事故可能的發(fā)生途徑有28 種，事故發(fā)生概率較大，同時防范途徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于發(fā)生途徑；然而最小割集所包含的基本事件數(shù)目較少，只有1～5 個，而最小徑集包含的基本事件數(shù)目很多，說明系統(tǒng)油氣滲漏事故的發(fā)生條件容易形成，而防范措施難以做到俱全。

（2）根據(jù)各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序，對層狀鹽巖中儲備庫油氣滲漏事故影響較大的風(fēng)險因素依次為：鹽巖強(qiáng)度低、鹽巖蠕變過量、附近有斷層、地震、造腔工藝選擇不當(dāng)、造腔參數(shù)控制不當(dāng)、非均勻地應(yīng)力、人為操作失誤、護(hù)頂層過薄、套管質(zhì)量差、輸運設(shè)備受損以及井口密封設(shè)施不完善等。這其中除了鹽巖強(qiáng)度低之外，其他因素均可人為采取措施盡量避免，如通過運行壓力控制鹽腔的蠕變量、腔體設(shè)計時避開有斷層的區(qū)域、地震帶以及非均勻地應(yīng)力顯著的區(qū)域，改進(jìn)造腔工藝，采用多種監(jiān)控手段精確控制造腔參數(shù)，加強(qiáng)運行監(jiān)控等，均可有效中斷儲備庫油氣滲漏事故的發(fā)生途徑，降低事故的發(fā)生概率。

（3）根據(jù)建立的油氣滲漏事故的故障樹模型得到了適用于我國層狀鹽巖中典型儲備庫油氣滲漏事故發(fā)生概率的計算公式（2），并以江蘇金壇鹽礦5口老腔儲庫為工程背景，采用專家調(diào)查法和故障樹法相結(jié)合的方法計算得到了其在運營期間發(fā)生油氣滲漏事件的概率為0.703%，參考地下工程風(fēng)險概率等級標(biāo)準(zhǔn)[16]可知，該類事件屬于偶爾發(fā)生的事故。據(jù)保守統(tǒng)計，世界上用于油氣儲存的鹽穴現(xiàn)有約 1 700 個，從1954 年至2004 年間，有資料記載的油氣滲漏事故有17 次，因此，可得單個鹽穴油氣滲漏事故的年發(fā)生概率約為0.02%。根據(jù)此統(tǒng)計數(shù)據(jù)，金壇5口老腔儲庫在近10年發(fā)生油氣滲漏事故的統(tǒng)計概率為 bP G（ ）=0.02%×5×10=1%，與本文的計算結(jié)果較一致。

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