深水鉆井隔水管緊急解脫失效動態風險分析*

吳翔飛，暢元江，陳國明，劉秀全，張長帥

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580)

0 引言

2010年4月20日發生的深水地平線事故，是目前為止最大的海洋災難之一。經過后期調查，事故部分原因是防噴器(Blow Out Preventer, BOP)和鉆井隔水管緊急解脫系統的失效。在動力定位的鉆井平臺上進行鉆井操作時，因風、海浪和海流導致鉆井平臺發生偏移。當平臺偏移量達到極限時，為避免鉆井隔水管系統和井口的嚴重損害，需要進行鉆井隔水管和井口之間的緊急解脫。鉆井隔水管緊急解脫失效雖然罕見，但是一旦發生，很可能導致井噴。這是海洋鉆井和石油開采中最為嚴重的后果之一，嚴重威脅著人類的生命、環境和財產安全。

目前，國內外學者圍繞隔水管和井口已經開展了一些研究。暢元江等[1]對深水鉆井隔水管進行準靜態分析時，提出了搜索波浪最大相位角的最大Mises應力準則，并開發了隔水管準靜態分析系統；劉秀全等[2]提出了深水鉆井平臺-隔水管耦合系統漂移預警界限分析方法，通過案例分析表明隨著海流流速的增大或水深的減小，深水鉆井平臺-隔水管耦合系統漂移預警界限減小，應盡早準備和啟動隔水管系統底部脫離；張磊等[3]分析了隔水管反沖產生的原因及反沖響應過程，指出應合理選擇緊急脫離時刻和頂部張緊力，以保證緊急脫離條件下深水鉆井隔水管系統的作業安全；Cai等[4]使用動態貝葉斯網絡模型，對水下井口防噴器系統的可靠性進行了分析;Gr?nevik[5]使用SIMA/RIFLEX軟件針對隔水管解脫回彈響應進行了模擬分析；Lang等[6]初步探討了利用有限元軟件進行隔水管回彈響應分析方法，指出在鉆井船升沉運動的不同時刻進行緊急脫離隔水管回彈響應有很大不同。上述研究多以從力學角度對深水鉆井隔水管解脫進行分析，缺乏從風險角度的安全評價。風險分析是制定事故預防策略的有效工具[7]，目前常用的安全評價分析方法有模糊事故樹分析法(Fuzzy Fault Tree Analysis，FFTA)、事件樹分析法(Event Tree Analysis，ETA)、Bow-tie分析法、故障模式影響與危害性分析法 (Failure Mode Effects and Criticality Analysis，FMECA)和貝葉斯網絡分析法等。貝葉斯網絡自身的推理能力，能夠解決問題的不確定性，是1種較前沿的定量風險分析方法，且已被廣泛應用于海洋油氣開采風險評價。

鑒于此，筆者針對深水鉆井隔水管緊急解脫作業提出了1種風險評估方法，將模糊事故樹(Fuzzy Fault Tree，FFT)和事件序列圖 (Event Sequence Diagram，ESD)2種方法相結合，通過建立FFT-ESD模型，呈現隔水管緊急解脫失效事故場景和事故演化過程，并將FFT-ESD模型映射成貝葉斯網絡(Bayesian Network，BN)模型，識別重要基本事件，分析隔水管緊急解脫失效最可能的后果，預測和評估隔水管緊急解脫失效動態概率，為鉆井隔水管緊急解脫操作安全可靠運行和失效風險控制提供支撐。

1 隔水管緊急解脫失效安全評價方法

1.1 FFT-ESD

FFT是安全系統工程的重要分析方法之一，主要用于預測復雜系統的可靠性、安全性。該方法運用邏輯推理對各種系統的危險性進行辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在危險因素。模糊事故樹分析是事故樹分析的拓展，將事故樹與模糊集理論相結合，更好地處理了復雜系統的不確定性[8]。

ESD是1種可視化相關事件序列的圖形方法。ESD作為1種有效的風險評估方法，在許多領域得到了廣泛的應用。吳啟明[9]建立了1個始發事件為電源故障的宇宙飛船冷卻回路驅動泵的ESD模型，并對相關事故進行了分析；Zhou等[10]應用ESD方法評估在火災引起的多米諾效應中的應急響應行為。為了有效的評估隔水管緊急解脫失效概率，ESD被定義成四元組。

ESD=(E，C，G，P)

(1)

式中：E為事件，在ESD框架中，所有可觀測的物理現象都可以表示為事件；C為條件，根據條件是否滿足，系統的事故場景將向著不同的方向發展；G為門，門可以分為與門和或門，是用來對“單個輸入多個輸出”或者“多個輸入單個輸出”；P為過程變量，它是由影響系統的時間和物理過程變量組成的。

將FFT和ESD相結合，建立FFT-ESD模型，可更加直觀地展示隔水管緊急解脫失效事故發生的過程和演化后果。

1.2 BN

BN是1種廣泛應用于風險分析和故障診斷的圖形推理方法。由于其具有靈活的結構和概率推理能力，能夠較好地處理大型系統中的不確定問題。它由節點、弧和反映隨機變量相互依賴關系的條件概率表組成。根據專家意見和歷史數據確定基本事件的先驗概率，并對先兆數據發生次數進行統計，形成對應的似然函數，然后根據貝葉斯理論對基本事件的先驗失效概率進行更新，得到其后驗失效概率分布[11]。BN模型的建立過程一般包括以下幾步：①確定網絡節點與節點先驗概率值；②確定網絡拓撲結構；③確定節點之間的條件概率表。

2 緊急解脫失效分析

2.1 緊急解脫原因

2.1.1 漂移

目前，深水鉆井平臺大多采用動力定位的方式。這種定位具有機動性強，動力復原時間短及鉆井作業效率高等優勢，但是這種高度自動化的系統存在失效的風險。鉆井平臺完全失去動力控制，平臺將在風、浪、流等環境載荷作用下偏離原始位置，即所謂的平臺漂移現象。在漂移的過程中，會對連接在平臺上的隔水管-水下井口系統的載荷產生影響。為了避免井口和隔水管接頭發生破壞，隔水管必須實行緊急解脫。一旦井口的完整性被破壞，將會導致井噴的危險。根據現有的文獻，平臺發生漂移的概率為0.002次/a。

2.1.2 臺風

南中國海海域是熱帶氣旋的頻發區，每年7～11月為臺風期，近年來臺風形成的頻率呈增加的趨勢，嚴重影響了深水鉆井完井的效率和安全。在臺風來臨之前，平臺將停止鉆井工作，從BOP上解脫隔水管，由于回收隔水管需要較長時間，多數情況下，平臺懸掛隔水管并航行至安全海域。但是，如果臺風等級或者發展速度都大于預期，則需要1個備用的緊急解脫方案來確保鉆井隔水管和井口的安全[12]。

2.1.3 內波

內波是指海洋密度躍層中非線性振幅波。大量的觀測數據表明，內波在南海發生的頻率較大，已成為海洋裝備設計中必須考慮的1種環境影響因素。在內波作用下，鉆井平臺發生偏移后，將使平臺超出隔水管或其他管柱正常作業窗口，導致隔水管及其他管柱發生破壞，同時對井口的穩定性產生重大影響。2014年4月6日，當南海8號鉆井平臺在中國南海流花油田正常鉆井時，遭遇內波襲擾47次，最為嚴重的一次將該平臺從原來的位置推離了137 m，幾乎達到了紅色預警的偏移量。累計影響作業時間186 h，按照當時鉆井平臺的日費用計算，7.75 d直接由于鉆井平臺日租金費用的經濟損失就達約280萬美元。

2.2 緊急解脫失效誘因分析

經過事故調查和相關文獻研究，對影響因素進一步分析研究，將隔水管緊急解脫失效的影響因素分為6類：人為管理因素、設計因素、操作因素、解脫因素、裝備因素和控制因素。

1)人為管理因素。任何有人參與的活動，人為差錯不可避免。在個人層面，人的專業知識，技能水平，注意力以及工作帶來的壓力都會對人為差錯發生的可能性造成影響。在組織管理層面，企業安全文化、培訓標準和生產流程潛在影響著人員的安全操作。

2)設計因素。隔水管、井口和導管的設計將會影響隔水管緊急解脫失效發生。伸縮節的極限長度是深水鉆井隔水管偏移的限制因素，故系統需要在沖程中配置伸縮節[13]。隔水管上下部撓性接頭極限轉角的設計影響平臺的黃色報警偏移量，高壓井口和低壓井口的彎曲能力的設計影響平臺紅色報警偏移量。一旦平臺達到相應的偏移量時，隔水管必須緊急解脫。

3)操作因素。隔水管緊急解脫成功需要有效的過提力，讓底部隔水管總成與防噴器脫離。淺水，中深水，深水和超深水的最小過提力分別為444.8，889.6和1 334.4 kN[14]。此外，由于在安裝LMRP/BOP之前，表層套管必須進行固井，所以在環形空間中，水泥的固井質量和水泥返高都會影響井口和導管的力學性能。由于隔水管長期的服役，在連接器附近可能形成天然氣水合物，腐蝕也將會導致接頭與井口粘結。

4)解脫因素。在不合理的時刻進行解脫將會直接導致解脫失效。在選擇合理的時刻進行解脫時，應考慮解脫的海況是否正常，比如風、浪、流和內波帶來的影響。

5)裝備因素。包括張緊器、伸縮節和平臺的定位能力。

6)控制因素。主要包括電控系統和液控系統，液控系統主要有：泵、閥、蓄能器、液體儲罐和混合設備；電控系統主要有：中央控制單元 (Central Control Unit，CCU)、水下電子模塊 (Subsea Electronics Module，SEM)、傳輸信號的臍帶纜連接器和臍帶纜終端。

3 案例分析

3.1 隔水管緊急解脫失效模型研究

3.1.1 建立BN模型

選取南海8號鉆井平臺的深水鉆井隔水管進行緊急解脫失效風險評價。通過風險因素和失效后果的識別，建立FFT-ESD模型，并根據映射法則，將其轉換成BN模型，如圖1所示。模型中事故樹主要由人為因素、設計因素、操作因素、解脫因素、裝備因素和控制因素組成，按事故發展過程得到井噴、隔水管沉入海底、同船一起安全撤離3種后果。

3.1.2 隔水管緊急解脫失效概率分析

由于系統的不確定和復雜性，很難從歷史數據中獲得基本事件的先驗概率和不同因素之間的條件概率。目前，專家判斷打分和模糊集理論相結合的方法能夠較好地解決此類問題。共邀請了5位專家進行打分，專家權重跟自身信息密切相關，1號專家和2號專家熟知人為和裝備因素，3號專家熟知解脫和控制因素，故在相關事件的判斷中占有較大的比重。由于5位專家都熟悉鉆井隔水管系統，條件概率表將被統一討論決定。

將所有的基本事件發生概率分為5個等級，即非常低、低、中等、高和非常高。對于所有的基本事件，專家需要對應做出判斷。根據模糊集理論將定性的失效可能性等級轉化為定量的基本事件發生的先驗概率，如表1所示。通過GeNIe軟件計算得隔水管緊急解脫失效的概率為7.57×10-2，井噴、隔水管沉入海底、同船一起安全撤離3種后果的概率分別為1.95×10-3，3.90×10-2和3.10×10-2。井噴相比其他2種后果發生的概率要低很多。

圖1 深水鉆井隔水管緊急解脫失效貝葉斯網絡模型Fig.1 BN model for emergence disconnect of deepwater drilling riser

編號基本事件名稱先驗概率后驗概率編號基本事件名稱先驗概率后驗概率X1公司安全文化差7.45×10-58.76×10-4X21腐蝕導致接頭與井口粘結3.07×10-42.64×10-3X2公司培訓標準低5.07×10-45.96×10-3X22不合理的解脫時刻1.89×10-21.99×10-1X3作業流程不規范4.12×10-44.85×10-3X23強風8.10×10-38.10×10-3X4個人知識和技能差5.32×10-46.26×10-3X24大浪7.92×10-37.92×10-3X5注意力不集中4.09×10-44.81×10-3X25高流速海流8.35×10-38.35×10-3X6工作壓力大5.07×10-45.96×10-3X26內波8.55×10-39.03×10-2X7上部撓性接頭極限轉角不足6.32×10-56.67×10-4X27臺風2.30×10-22.43×10-1X8下部撓性接頭極限轉角不足7.43×10-57.85×10-4X28土臺風8.29×10-38.75×10-2X9伸縮節設計未配置沖程5.18×10-45.47×10-3X29張緊器極限沖程不足5.07×10-45.35×10-3X10高壓井口抗彎能力不足7.28×10-57.69×10-4X30伸縮節極限沖程不足5.06×10-45.34×10-3X11低壓井口抗彎能力不足6.83×10-57.21×10-4X31定位能力不足4.52×10-44.75×10-3X12制造缺陷9.40×10-59.93×10-4X32操作面板失效1.46×10-41.45×10-3X13不合理的幾何參數7.88×10-58.32×10-4X33BOP水下蓄能器泄漏9.88×10-49.84×10-3X14材料屈服強度不足7.68×10-58.11×10-4X34連接器解鎖激發模塊失效9.55×10-49.51×10-3X15過提力不足1.32×10-21.13×10-1X35由于泄漏或腐蝕連接器中活塞解鎖壓力高4.52×10-34.50×10-2X16出泥高度過大8.90×10-45.61×10-3X36信號傳輸失效5.07×10-45.05×10-3X17井口傾角大1.32×10-29.32×10-2X37臍帶纜終端失效5.33×10-45.31×10-3X18水泥質量差9.54×10-58.20×10-4X38雙備份SEM失效7.45×10-57.42×10-4X19水泥反高不夠8.33×10-57.16×10-4X39三備份PLC失效7.45×10-57.42×10-4X20形成天然氣混合物8.96×10-37.70×10-2X40軟件失效5.07×10-45.05×10-3

3.1.3 重要基本事件分析

BN網絡除了靈活的結構和強大的推理功能之外，主要應用是風險因素的更新。通過給頂事件的后驗概率1個新的證據，形成基本事件的概率更新，從而得到導致事故發生的重要基本事件。假設緊急解脫失效發生時，每個基本事件的后驗概率如表1所示。通過后驗概率的比較，得到重要基本事件如圖2所示(X15，X17，X20，X22，X26，X27，X28和X35)，為預防緊急解脫失效提供參考。由于重要基本事件對隔水管緊急解脫失效的發生是非常敏感的，應該更多地被關注。

圖2 重要基本事件先驗和后驗概率比較Fig.2 Comparison between prior and posterior probabilities for critical BEs

3.2 隔水管緊急解脫動態概率分析

3.2.1 重要基本事件概率調整

概率調整，也叫序列學習，是BN的重要應用。選取南海8號平臺在1年內打的4口井為研究對象，根據3.1.3節分析得到的重要基本事件，選取X15，X17，X20，X22，X26，X27，X28和X35作為隔水管緊急解脫失效的動態風險事件。通常情況下，1口井的鉆井周期一般為3個月，對重要基本事件發生次數進行統計(發生記為1，不發生記為0)。

3.2.2 緊急解脫成功和失效后果分析

通過重要基本事件的概率調整，得到1 年內4口井隔水管緊急解脫成功動態概率趨勢，如圖3所示。其中，緊急解脫成功概率最低發生在9月份，為0.894，因為當月的記錄報告中，X15，X17，X20，X27和X28同時發生過。

圖3 緊急解脫成功概率Fig.3 Probabilities of ED success

全年中井噴發生最大概率為2.72×10-3，隔水管同船一起安全撤離發生最大概率為5.43×10-2，隔水管沉入海底發生最大概率為4.32×10-2，3種后果的具體的概率值見表2～4。重要事件可能引起隔水管緊急解脫失效的概率變化，故應從人為、設計、操作、時間、裝備、控制各個方面采取措施，減小隔水管緊急解脫失效概率。

表2 井噴概率Table 2 Probabilities of blowout

表3 隔水管同船一起安全撤離概率Table 3 Probabilities of safe suspension by the vessel of the broken drilling risers

表4 隔水管沉入海底概率Table 4 Probabilities of sinking probability of the broken drilling risers

根據風險評價結果，提出幾點預防措施：1) 在噴射導管時，控制井口的傾斜角度；2) 在BOP上選擇合適的過提力；3) 及時觀察和去除天然氣水合物；4) 關注和預測不正常的海況(臺風、內波、土臺風)；5) 完善鉆井隔水管緊急解脫常規實驗；6) 合理設計鉆井隔水管系統。

4 結論

1)針對隔水管緊急解脫操作，其發生的原因主要包括漂移、臺風和內波；結合隔水管系統組成和作業環境，從人為管理因素、設計因素、操作因素、解脫因素、裝備因素和控制因素等6個方面共識別出40個基本風險事件；通過事故演化過程分析，得到3個最終后果；建立了隔水管緊急解脫失效模型，采用模糊集理論的方法確定了基本事件的先驗概率。

2)考慮到基本事件和中間事件條件依賴關系的不確定性，采用貝葉斯網絡的方法對南海8號深水鉆井隔水管緊急解脫失效進行分析；引入新證據，進行后驗概率的比較，得到8個重要基本事件，并提高其重視程度；通過記錄重要基本事件的發生，進行深水鉆井隔水管緊急解脫失效概率的更新，得到隔水管緊急解脫和3種后果的動態失效概率及變化趨勢。

3)基于FFT-ESD分析法的隔水管緊急解脫風險評估模型，能夠迅速有效地確定隔水管緊急解脫失效概率和基本事件重要度排序，并可提出針對性的措施降低風險和控制隱患；3種后果當中，井噴發生的概率最小，隔水管同船安全撤離和隔水管沉入海底發生概率相近。