基于FT 與BCCT 的采油管柱落井事故溯源

李威君，梁 偉，宋 迪，張來斌，姜 璐

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249；2.中石油北京天然氣管道有限公司華北儲氣庫分公司，河北 廊坊 065000）

采油管柱是石油勘探開發所必須的重要設備，在整個建井成本中平均占20%～30%［1］。由于其工況十分惡劣（承受拉、壓和彎等載荷），因此容易發生管柱斷裂事故。此外，目前絕大多數的油井是斜井或定向井，使得采油管柱的受力更加復雜，一旦落井打撈困難甚至會造成油井失效。據統計，一般的采油管柱整體落井的經濟損失大約在10～25萬元之間［2］。因此，分析采油管柱落井原因，對于預防落井事故的發生，保證油田平穩生產具有重大意義。

目前，用于事故分析的方法有很多，如事故樹分析、因果分析、故障類型與影響分析等。其中因事故樹（Fault Tree，FT）分析過程思路清晰、表現形式直觀、結果合理可靠，在系統安全領域應用廣泛［3-5］。但事故樹分析對于原因的追蹤只停留在基本事件，通常是指導致頂事件發生的人的失誤或設備故障。因此事故樹雖然能深入挖掘事故的潛在原因，卻很難發現其根本原因。而事故致因連鎖理論（Causal Chain Theory，CCT）沿著事故發生發展的方向追溯事故，不僅能辨識與人和設備密切相關的直接原因、間接原因，而且能夠挖掘與管理相關的根本原因［6-8］。鑒于此，筆者提出結合事故樹與博德事故因果連鎖理論（Bird’s Causal Chain Theory，BCCT）進行采油管柱落井事故溯源的方法，為徹底有效地預防事故的發生提供指導。

1 基于FT 與BCCT 的事故溯源原理

事故樹（FT）分析運用邏輯推理對系統的危險性進行辨識和評價，將事故與原因之間的邏輯關系用樹形圖表示，通過逐層分析能夠揭示出事故的潛在原因［9-11］。博德（Frank Bird）在海因里希多米諾骨牌理論的基礎上［12］，提出了現代事故因果連鎖理論，又稱為博德事故因果連鎖理論（BCCT），即：事故的直接原因是人的不安全行為、物的不安全狀態［13］；間接原因包括個人因素及與工作有關的因素，如安全知識或技能的缺乏，安全操作規程不健全，設備、材料不合適等；根本原因是管理的缺陷，如缺乏設備維修計劃，對人員的培訓不夠等；管理缺陷導致間接原因，間接原因的存在又導致直接原因，最終導致事故發生［14］。可見，BCCT 將追溯事故原因的重點放在管理缺陷上［15］。對應于FT，距離頂事件最近的中間事件是導致事故的直接原因，最底層的基本事件是間接原因，而深層次的根本原因是管理缺陷，對此單純利用FT 未能辨識。本文將FT與BCCT 方法結合，對采油管柱落井事故進行深度溯源，其原理如圖1所示。

圖1 基于FT 與BCCT 的事故溯源原理圖Fig.1 Schematic diagram of accident traceability based on fault tree and Bird’s Causal Chain theory

溯源的基本過程是：首先對采油管柱落井事故進行FT 分析，以采油管柱落井作為頂事件，找出直接導致采油管柱落井的因素作為中間事件，再對每個中間事件進行原因分析，逐級向下演繹推理直到基本事件，并計算最小割集；根據BCCT 總結FT 分析結果，得到事故的直接原因、間接原因，并由最小割集深入分析導致最小割集事件發生的管理缺陷。

2 采油管柱落井事故溯源

2.1 事故樹分析

本文結合采油管柱的實際情況，總結采油管柱落井的常見事故形式，并根據FT 分析法的基本原理，編制采油管柱落井事故樹，同時采用布爾代數法計算最小割集，繪制等效事故樹。

2.1.1 構建事故樹

通過調查生產現場采油管柱落井事故，忽略由于地質條件、工藝需求、自然災害等不可抗力因素導致的事故，本文總結出導致采油管柱落井事故最直接的原因包括油管掛斷裂、油管斷裂、修井隊操作失誤和卡瓦故障四個方面，深入分析得出15個基本事件，構建了采油管柱落井事故樹見圖2，該事故樹的事件見表1。

圖2 采油管柱落井事故樹Fig.2 Fault tree of oil production string falling accident

表1 采油管柱落井事故樹的事件表Table 1 Event list of fault tree

2.1.2 計算最小割集

采用布爾代數法計算最小割集，分以下三個步驟：

（1）建立事故樹的布爾表達式：

（2）將布爾表達式化簡為析取標準式：

（3）用分離重復事件法化簡析取標準式：

求得最小割集K，共14個：｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4，X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，即任何一組最小割集都可能導致采油管柱落井事故。

該主變A相在運行中底部其中一個注油閥門閥體開裂，裂口長度約300mm，目前雖未發現絕緣油滲漏，但是已經留下嚴重的安全隱患。（如圖）

2.1.3 繪制等效事故樹

根據最小割集的定義，任意一組最小割集都是頂事件發生的充分必要條件，即頂事件的發生狀態實質上完全由最小割集的狀態所決定。因此，為事故進一步溯源的簡便，將圖2原事故樹簡化為等效事故樹，如圖3所示。其中，K1指的是由X4和X5組成的最小割集，其他符號的含義與表1相同。

2.2 事故因果鏈分析

在FT 分析的基礎上，根據BCCT 可知，導致采油管柱落井的直接原因是油管掛斷裂、油管斷裂、修井隊操作失誤、卡瓦故障；間接原因是油管掛質量差、油管掛長期服役、新油管質量差、油管長期服役、油管未及時檢查更換、絲扣質量差、修井頻繁、操作不穩、解卡不當、起下鉆操作不當、對扣作業不當、設備失靈、卡瓦磨損嚴重、卡瓦質量差、卡瓦操作失誤。可見FT 分析僅將事故追溯到人或設備的原因，下面沿著事故因果鏈的逆方向深入分析事故樹中每個最小割集的根本原因，基于BCCT 的事故因果鏈分析如圖4。

圖3 采油管柱落井等效事故樹Fig.3 Equivalent fault tree of oil production string falling accident

圖4 基于BCCT 的事故因果鏈分析Fig.4 Accident causal chain analysis Based on BCCT

（1）產品質量差——X1（油管掛質量差）、X3（新油管質量差）、X6（絲扣質量差）、X14（卡瓦質量差）。在FT 分析中產品質量差之所以被當作基本事件，是因為普遍認為產品質量差的原因是設計不合理；而實際的應用中，從設備的設計到使用還經過了采購、校準、檢驗、試驗等過程，因此BCCT 認為部件質量差的根本原因是管理的失誤，未能在產品使用前發現其缺陷。

（2）設備長期服役——X2（油管掛長期服役）、K1（X4油管長期服役、X5油管未及時檢查更換）。采油單位為了節約成本，普遍存在設備長期服役的現象，不可避免地導致設備老化嚴重，易引發油管掛或油管斷裂。因此設備缺陷的根源在于管理不當，如缺少壽命預測或設備更新改造不合理。

（3）操作失誤——X8（操作不穩）、X9（解卡不當）、X10（起下鉆操作不當）、X11（對扣作業不當）、X15（卡瓦操作失誤）。操作人員的專業技能、經驗、安全意識等是影響其操作行為的關鍵因素，因此對人員的管理不當（如培訓不足、考核不合格）直接導致其操作失誤。

因此，通過事故因果鏈分析可以挖掘導致事故的深層原因，揭示了管理在鉆井作業中發揮的重要作用；同時，也可為制定事故預防措施提供指導，即事故預防不能僅從設備、人的不安全行為等可能直接導致事故發生的方面入手，而應該要重點關注管理上的缺陷，從根源上控制事故的發生。

3 實例分析

某鉆井隊在鉆井過程中發生鉆具落井事故，事故發生的經過、結果、原因分析等信息詳見表2。

表2 事故報告表Table 2 Accident report

圖5 鉆具落井事故樹模型Fig.5 Fault tree model for the falling of drilling tool

構建該鉆具落井事故的事故樹模型見圖5。根據FT 分析結果可制定相應的預防措施，如卡瓦使用前對其進行第三方檢查，加強對卡瓦的檢測與維護等。但通過FT 分析制定的預防措施只控制了導致事故發生的直接因素和間接因素，并不能夠從根源上排除該鉆井單位的安全隱患，因此需要進一步對該事故進行溯源。

根據BCCT事故因果鏈理論，事故報告中“井口氣動卡瓦故障”是事故的直接原因，從FT 分析結果中可得到間接原因可能是卡瓦質量差或卡瓦長期工作磨損嚴重，進一步溯源分析導致間接原因發生的根源是管理上的缺陷：在卡瓦的設計、采購、校準、檢驗、試驗或使用過程中未能發現其缺陷；已投入使用的卡瓦未制定合理的設備檢驗維修計劃或檢驗維修執行不力。構建的鉆具落井事故因果鏈模型見圖6。

圖6 鉆具落井事故因果鏈模型Fig.6 Accident causal chain model for the falling of drilling tool

從事故因果鏈模型可知，保證井口氣動卡瓦的可靠性是防止鉆具落井事故的途徑，深度溯源到保證設備采購、檢驗維修等職能部門管理的有效性。通過消除管理上的缺陷來控制導致事故發生的直接和間接因素，對于從根源上排除該鉆井單位的安全隱患具有重要意義。

4 結論

（1）通過將FT 分析與BCCT 結合，以“采油管柱落井事故”為頂事件，沿著事故發展方向逆向分析采油管柱落井事故，得到其直接原因、間接原因和根本原因，實現了事故深度溯源。

（2）與傳統單獨使用FT 分析方法相比，融合事故致因連鎖理論的事故溯源方法能深入挖掘事故的根本原因，并且強調管理在事故預防中的重要地位，為采油生產的安全管理提供了指導。

（3）事故溯源結果可為制定事故預防策略提供技術支持，如管理產品采購及試驗等過程、對設備進行壽命預測或更新改造、加強人員的培訓及考核、制定合理的設備檢驗維修計劃等，而提高職能部門的管理決策水平可從根源上控制事故的發生。

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