基于模糊Bow-tie模型的深水鉆井平臺井噴溢油風險評價

劉保占，靳衛衛，安偉，趙建平

(中海油能源發展股份有限公司 安全環保分公司，天津 300457)

隨著我國石油工業的迅猛發展，海上作業逐漸步入深水、超深水時代，帶來巨大經濟效益的同時，溢油風險也與日俱增。目前，國內外針對深水溢油事故發生概率、發生規模，以及危害后果評價方面取得較多的研究成果，建立了大量的評估模型[1-6]，并且開發了相關的計算機軟件系統[7]。但之前研究存在一些問題，主要體現在：①分別計算深水溢油概率和危害后果等級，未綜合得到溢油風險值；②現有研究多為主觀評價，并且大多沒有考慮主觀評價模糊性帶來的誤差。因此，有必要引入一種減小主觀誤差的評價模型，對深水溢油風險進行綜合評價，以期為深水溢油風險防治與應急管理提供依據。以我國南海某深水鉆井平臺井噴為例，在現有基礎上引入模糊Bow-tie模型，分別計算井噴溢油可能性和后果值，得出鉆井平臺井噴溢油風險評價結果，并提出溢油風險緩解措施。

1 研究方法

1.1 模糊概率分析

對于深水鉆井平臺而言，由于可查的井噴溢油事故統計數據較少，所以溢油概率分析選用目前較為普遍的主觀概率與模糊數學相結合的方法，主要步驟如下。

1)邀請專家。邀請海上鉆井作業相關的專家及現場作業人員，(人數>20)，賦予每個專家或作業人員合適的評價權重值。

2)模糊數化。選擇恰當的隸屬度函數，將專家描述語言轉化成模糊數，選用三角模糊數表示事件概率值，對溢油事件的模糊性進行量化[8]，分別計算出故障樹和事件樹頂上事件發生概率。

將引起深水鉆井平臺井噴溢油事件風險可能性分為11個等級[9-10]，相應的語言變量和模糊數見表1。

表1 風險可能性三角模糊數等級表

由于不同專家會賦予同一事件不同的風險等級，需要對專家的評估結果進行整合，采用線性整合理論對專家描述語言整合[11]，見式(1)。

式中：Mi為事件i的模糊總數；wj為賦予專家j的權重；Aij為專家j對事件i的模糊評分；m為事件總數；n為專家總數。

3)模糊數概率化。上述求得的風險值以模糊數表示，為更直觀比較溢油風險大小，需將模糊數轉化為概率值，選擇最大最小集合方法對模糊數概率化[12]，如式(2)所示。

FM=[FMR+1-FML]/2

(2)

式中：FM為模糊數M的模糊概率；FMR和FML分別為模糊數M的右模糊概率和左模糊概率。

其中：

其中： fmax(x)為最大模糊集； fmin(x)為最小模糊集； fM(x)為整合后的模糊集。

4)模糊失效概率化。為保證真實概率和模糊概率一致，需將模糊可能值轉化為模糊失效概率[13]。

式中：F為模糊失效概率；k=[(1-FM)/FM]1/3×2.301。

1.2 溢油后果分析

1)評價指標及權重。深水鉆井平臺井噴溢油會帶來不同程度的影響后果，其中，一級指標有社會后果、經濟后果和環境后果，各一級指標下列出二級指標，見表2。通過問卷調查方式由海上鉆井作業人員及專家對各指標進行打分，應用層次分析法(AHP)對各后果指標權重進行計算，表2中所示權重分配僅為本研究使用。

2)模糊數計算。根據深水鉆井井噴事故導致的危害后果程度，將后果等級分為5級，相應的語言變量和三角模糊數見表3。

由權重和三角模糊數可計算不同后果事件的后果值模糊數，見式(5)。

表2 溢油后果各風險指標權重值

表3 危害后果三角模糊數等級表

式中：Ch為某一后果事件的后果值模糊數；Wn為一級后果指標的權重值；Bhn為后果事件h對一級后果指標的影響程度模糊數；Mn為二級后果指標數量；Wnm為二級后果指標權重值；Bhnm為后果事件h對二級后果指標的影響程度模糊數。

2 案例分析

以我國南海某一深水鉆井平臺為例進行分析。通過對該鉆井平臺的綜合評估及實地檢測，得出引起深水鉆井井噴溢油的主要原因，形成了應用于該深水鉆井井噴溢油的模糊Bow-tie模型(見圖1)，故障樹中間事件見表4，故障樹基本事件和事件樹誘發事件見表5。

表4 故障樹各中間事件名稱

圖1 模糊Bow-tie模型

表5 各基本事件聚合模糊數

2.1 概率計算

由故障樹中各基本事件的三角模糊數，求出聚合后的模糊數(見表5)，求得故障樹頂上事件的模糊三角數為(0.055,0.119,0.223)，頂上事件的模糊概率為0.157，最后計算求得頂上事件的失效概率為9.33×10-5。

2.2 溢油后果計算

根據井噴溢油危害后果三角模糊數等級表，評價井噴溢油對社會、經濟和環境造成的后果，結果見表6。

表6 結果事件危害后果評價

溢油危害后果影響由各評價因子權重與對應的評價模糊數進行矩陣相乘求得[15]，以OE1事件為例，造成的社會后果如下。

同理可求得：

B12=[0.19,0.38,0.50]

B13=[0.44,0.69,0.94]

OE1事件的總危害后果值模糊數為

同理求得其他后果事件模糊數Ch，并求得各后果事件的可能性模糊數pOEh，見表7。

2.3 溢油風險分析結果

通過式(3)計算結果事件的可能性失效概率FL和后果值失效概率FC，最后計算得到結果事件的風險值R，見表8。

表8 結果事件風險值

由表8結果顯示，一旦發生井噴溢油事故，發生火災+污染的概率相對較高，所以需要從引起溢油事故的潛在因素中進行控制。由表5可見，異常高壓、抽汲、泵故障、不壓井起下作業裝置失效、旋轉裝置密封失效對該深水鉆井平臺作業安全影響較大，針對這幾項重點部分提出以下風險控制措施。

1)使用適當的設備和技術實時監測液柱壓力和地質壓力，并能夠根據井底監測數據準確判斷所需鉆井液密度。

2)簡化鉆井結構，起鉆前徹底循環，保證井眼清潔；實時監督觀察灌漿和返漿情況，保證起鉆過程中準確，及時進行灌漿作業。

3)加強平臺設施日常維修、保養和更新，對關鍵部件需定期檢查，保證裝置正常運轉和密封性。

4)在平臺不同區域安裝可燃氣體報警器，在密閉區域設置排氣設備以降低可燃物質的燃燒或達到爆炸極限。

5)建立應急預案和響應程序、加強作業人員在緊急情況下的應急能力。

3 結論

1)Bow-tie模型綜合故障樹和事件樹兩種分析方法優勢，不僅可以清晰找出事故發生的原因，還可以把事故發生的后果直觀展現出來，便于后續風險評價研究。

2)將模糊Bow-tie模型引入深水鉆井平臺井噴溢油風險評價，與其他定性或半定量評價方法相比，模糊Bow-tie模型既可以定量井噴溢油事件的失效概率，又可以分別計算各結果事件的風險值，實現了基本事件發生概率定量化。

3)深水鉆井井噴溢油風險在分析過程中存在較多難以量化的事件概率，采用模糊數方法，實現這些較難概率的定量化，該方法核心問題之一是隸屬度函數，其語言變量和模糊數可根據實際情況進行設定，并不局限于三角模糊數。