深水油氣開采重大工藝災害分析及抗爆減災研究進展*

張紅生 朱 淵 楊冬冬 陳國明

(1. 中海石油(中國)有限公司鉆完井辦公室 北京 100010; 2. 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)

近年來，世界油氣開發的重心逐漸向海洋轉移，全球約一半的重大油氣勘探發現來自深水海域[1-2]。我國南海深水海域油氣資源豐富，是未來我國油氣資源的主戰場，提高深水油氣資源的開發能力對我國海洋強國戰略的推進具有重要意義。

我國深水油氣開發起步較晚，但發展迅速。國際先進的深水鉆井平臺相繼建成,首個深水自營千億立方級大氣田開發建設,水合物成功、穩定試采。一系列重大的突破振奮人心，彰顯了我國海洋油氣開發的快速發展和斐然成績[3-5]。然而，不能忽視的是深水油氣開采系統工藝交叉復雜、設備復雜密集，防控不當容易引發井噴、泄漏、爆燃等工藝事故，較大的人員密度以及緊張的應急資源可能進一步加劇事故后果的嚴重程度。譬如，1988年英國北海Piper Alpha平臺天然氣泄漏爆炸事故(圖1a)[6]，2001年巴西P36平臺爆炸沉沒事故，2010年墨西哥灣“深水地平線”平臺井噴[7]、爆炸事故(圖1b)，均造成巨大的人員傷亡、財產損失和惡劣的社會影響。

圖1 海洋平臺工藝災害事故[6-7]Fig .1 Process accidents of offshore platforms[6-7]

基于此，考慮到我國深水油氣資源安全高效開采的需要，在國家重點研發計劃的資助下，結合中國海油多項生產課題，對深水油氣開采重大工藝災害預測及抗爆減災設計進行了深入的探索。主要研究進展包括：系統開展深水鉆井及井噴防控作業安全性分析[8-13]，結合智能化算法發展海洋平臺油氣泄漏、爆燃后果預測模型[14-18]，進而針對波紋板、艙室泄壓、水噴淋等抗爆減災技術設計[19-22]。筆者對相關研究進展進行總結與回顧，以期為我國深水油氣開發重大事故防控體系的構建提供參考。

1 深水鉆井及井噴防控作業安全性分析

近年來，我國海洋油氣行業發展迅速，然而潛在的井噴失控事故不容輕視。因此，面向深水鉆井工藝，基于拓撲結構和風險熵概念研究鉆井過程井噴失控災變演化軌跡，基于系統理論分析井控工藝的安全性，結合實驗與數值計算揭示井噴氣體的擴散行為與蓄積特點，以期更系統地了解深水鉆井井噴災變演化。

1.1 井噴失控災變演化過程分析方法

井噴失控是深水油氣開發作業中最嚴重的工藝災害之一，探索事故多因耦合失控演化致災機理，認識井噴事故發生到災變不可控的關鍵危機轉化因素及其相互作用關系，對深水鉆井井噴事故的預防與減緩具有重要意義。

深水鉆井系統風險因素眾多且具有很強的不確定性，人員、設備、環境之間的復雜非線性耦合交互[23]，激發了深水鉆井系統的脆弱性并導致系統的異變與崩潰，最終導致災難性的井噴事故發生。事故樹、事件樹等基于鏈式理論的傳統風險分析模型無法表征復雜系統內部的關聯性與交互性。為解構深水油氣開采井噴失控事故災變演化軌跡，直觀揭示井噴事故發展演化過程，依據深水鉆井流程和事故發展進程，可辨識誘發深水井噴事故的風險因素與風險傳遞關系。基于風險要素與風險傳遞關系構建了深水油氣開發井噴風險演化拓撲模型，結合復雜網絡理論表征深水鉆井系統的脆弱性。事故過程中往往伴隨著風險要素狀態的變遷，狀態躍遷引發風險傳遞的隨機性與不確定性[24]。鑒于此，引入熵理論[25]描述系統的狀態變化特征，衡量深水鉆井系統的脆弱性。考慮關鍵設備更換與檢維修引發的狀態擾動，兼顧其動態可靠性特征建立設備元件失效概率分布函數，探究深水鉆井系統井噴事故的最短路徑及其變化趨勢。

1.2 深水鉆井井控工藝安全性分析方法

現代深水鉆井系統中，信息化、智能化和數字化的融合使深水鉆井系統具有復雜系統的典型特征。井控系統是深水鉆井系統中的關鍵環節，考慮到深水井控的復雜性、動態性以及工藝設備之間的非線性耦合，以及傳統方法對復雜系統內部交互作用的不適用性，從系統控制角度開展井控流程安全分析。

引入STAMP/STPA分析準則[26-27]，開展系統約束與系統危險辨識，基于鉆井平臺尺度分析安全管控行為，以控制和反饋表征井控工藝中的安全問題，構建了深水鉆井控制與反饋模型。將控制系統和井控作業人員作為控制器，防噴器、節流管匯等井控裝備作為執行器，井筒壓力作為受控過程，隨鉆測壓系統、液位計等作為傳感器。提取面向井涌和井噴的安全控制結構，辨識不安全控制行為，分析不安全控制行為誘發事故的原因，并基于約束[28]的理念識別不安全控制行為對應的約束措施。進而建立包含“鉆進—井涌—關井—壓井”的深水鉆井井控過程動力學模型，以井涌后未采取控制行為或控制行為延遲為例進行井控作業安全性分析，驗證了STAMP/STPA分析準則在深水鉆井井控安全分析方面的可用性。

1.3 深水鉆井井噴氣體擴散規律研究方法

井噴失控后地層流體噴涌而出，首當其沖的會造成資源浪費與環境污染，若遭遇點火源發展成火災、爆炸事故，將引發更災難性的后果。基于此，采用實驗與數值分析相結合的方法開展井噴泄漏擴散規律研究。依據幾何相似和動力相似原則[29]搭建超深水半潛式平臺井噴氣體擴散模擬實驗系統(圖2～3)。設計實驗系統時建議通過考慮主導作用力實現近似或局部的動力相似。例如：研究天然氣在封閉井筒中的流動過程重點關注雷諾數，對于井噴射流階段的氣體流動主要關注弗勞德數，井噴氣體擴散階段主要考慮雷諾數，設計風場參數時主要考慮歐拉數[30]。基于此，結合物理模型相似比例可實現實驗工況參數的設計。

圖2 井噴氣體擴散模擬實驗示意圖Fig .2 Diagram of simulation experiment of blowout gas diffusion

圖3 井噴氣體擴散模擬實驗系統Fig .3 Simulation experiment system of blowout gas diffusion

構建超深水半潛式平臺井噴擴散數值仿真模型，基于實驗數據與數值計算數據開展數值驗證。設計正交試驗，研究風場參數、泄漏參數等對井噴氣體泄漏行為與積聚特點的影響，如圖4所示。振動篩房作為鉆井液返回首先經過的地方，具有較高的危險。建立振動篩房幾何模型，分析井噴氣體進入艙室后在受限空間內的蓄積特點，辨識爆燃危險區域，如圖5所示。

圖4 鉆臺區域井噴氣體空間分布Fig .4 Space distribution of blowout gas in the drill block

圖5 振動篩房泄漏氣體空間分布Fig .5 Space distribution of released gas in the shale shaker house

2 海洋平臺油氣泄漏、爆燃風險分析

油氣泄漏、爆燃是海洋油氣開采過程中最普遍的工藝災害。當前，國內外基于經驗模型、實驗和CFD模擬開展了大量相關研究。然而經驗模型不適用于設備密集的油氣設施，實驗與CFD模擬時效性差，開發海洋平臺油氣泄漏、爆炸事故危險載荷快速預測模型事故的預防與減緩具有重要意義。

2.1 基于數據驅動模型的海洋平臺擴散氣云體積預測方法

油氣泄漏擴散是海洋平臺火災、爆炸事故的觸發事件。面向深水油氣開采作業，量化油氣泄漏擴散后果，科學預測泄漏油氣發展趨勢，可為事故的減緩與預防提供重要指導。

數值計算作為當前油氣泄漏擴散分析的主流手段，計算效率低且計算負擔大。基于此，引入貝葉斯正則化神經網絡(BRANN)及萊文貝格-馬夸特神經網絡(LMANN)2種數據驅動模型[31-32]，構建海洋平臺擴散氣云體積預測器。借助基于計算流體力學所得油氣泄漏數值計算結果，對比基于BRANN的數據驅動模型與基于LMANN的數據驅動模型在預測擴散氣云峰值體積方面的性能，進一步對比了基于響應面(RSM)的數據驅動模型與凍云技術(FCA)[33]，論證了基于BRANN的數據驅動模型在預測非線性插值方面的優越性。考慮到海洋平臺泄漏油氣空間積聚的時變性，發展基于人工蜂群算法(ABC)與BRANN耦合的可燃氣云擴散瞬時體積預測器，結合FLACS數值仿真結果驗證預測器的準確度，從而實現了可燃氣體泄漏積聚瞬態特性的合理預測。

2.2 基于BRANN的海洋平臺爆燃風險分析方法

泄漏可燃氣體在平臺受限空間內蓄積，遭遇點火源后容易引發災難性的后果。開展海洋平臺油氣爆燃事故后果分析，可為海洋平臺的抗爆減災設計提供支持。面向海洋平臺早期概念階段，發展基于BRANN模型的爆燃風險分析方法。首先借助油氣擴散仿真計算建立擴散-BRANN預測器；開展油氣爆燃仿真計算，基于鉆臺區域最大超壓建立爆炸-BRANN預測器；基于拉丁抽樣方法，結合概率模型分布函數，獲取井噴爆燃載荷超越曲線，從而為海洋平臺早期概念階段的安全設計提供數據支持。面向詳細設計階段，考慮到BRANN算法在預測瞬時氣云方面的局限性，耦合人工蜂群優化算法(Artificial Bee Colony,ABC)[34-35]，建立擴散-ABC-BRANN可燃氣云體積瞬時預測器，結合OLF點火模型，獲取針對詳細設計階段的爆炸超壓超越曲線，并與廣泛應用的凍云技術對比，如圖6所示。由圖6可知，基于所建立預測器獲取的爆燃超越曲線幾乎與仿真計算獲取的爆燃超越曲線重合，而基于凍云技術獲取的爆燃超越曲線與仿真計算的曲線相差較大，說明所建立預測器的可用性及準確性。

圖6 基于ABC-BRANN與基于凍云技術的爆燃超越曲線對比Fig .6 Comparsion of exceedance frequency of deflagration between ABC-BRANN and FCA

3 海洋平臺抗爆減災技術研究

抗爆減災技術是減緩深水油氣開采工藝事故后果的重要屏障。國外對波紋板結構、艙室泄壓、工藝模塊水噴淋等防護措施開展了大量研究，并形成了相應的設計指導準則與模型。國內對相關領域的研究較少，設計建造時主要參考國外規范。鑒于此，開展海洋平臺抗爆燃載荷波紋板結構設計研究，海洋平臺含障礙物矩形艙室泄壓面設計研究及海洋平臺油氣水噴淋設計研究，以期為我國海洋油氣開采抗爆減災設計提供支持。

3.1 海洋平臺抗爆燃載荷波紋板結構設計方法

波紋板是海洋平臺的一種爆炸減緩結構[36]，可以有效地吸收爆炸釋放的能量從而減緩事故后果。發展可快速、準確預測波紋板結構抗爆能力的經驗模型，可以為波紋板的結構設計提供參考。

建立波紋板結構有限元模型，借助實驗數據驗證了有限元模型的準確性。結合API規范破裂指標[37]，基于有限元預測波紋板結構在不同沖擊載荷作用下的結構響應與破壞模式，結合最小二乘法[38]擬合P-I曲線數學方程。設計正交試驗，研究不同截面參數對波紋板抗爆性能的影響。構建任意截面尺寸下的波紋板結構P-I曲線的超壓、沖量漸近線經驗公式，并獲取波紋板結構抗爆P-I設計模型。結合試驗模型、單自由度模型驗證所建立P-I設計模型的準確性。同時相對于試驗模型、單自由度模型，所構建的P-I設計模型計算效率高，可以為波紋板防爆墻抗爆能力的快速評估提供支持。

3.2 海洋平臺含障礙物矩形艙室泄壓面設計方法

如果海洋平臺密閉艙室內發生油氣爆燃，在受限空間障礙物及艙壁的激勵下，往往會產生極大的爆炸載荷。泄壓面是一種經濟有效的爆炸減緩措施。現階段，通常使用仿真模型、唯象模型或經驗模型。然而相關模型在應對海洋平臺含障礙物艙室泄壓面設計方面缺乏適用性。因此，發展了對海洋平臺含障礙物艙室泄壓面設計更具適用性的NFPA-68-BRANN模型。

收集國內外含障礙物艙室爆炸泄壓實驗數據[39-42]，基于實驗數據分析NFPA-68應對含障礙物艙室泄壓面設計時的缺陷(圖7)；隨后揭示NFPA-68模型保守的原因，并結合Bauwens模型[43]、Rota火焰模型[44]對保守參數進行修正；進而結合BRANN算法考慮湍流火焰的強化系數與障礙物參數的非線性關系，發展NFPA-68-BRANN模型；最后將NFPA-68-BRANN模型泄壓面面積預測值與實驗值作對比，如圖8所示。由圖8可知，基于NFPA 68-BRANN模型獲取的泄壓面面積預測值與真實值誤差小于30%，符合工程設計的需求。

圖7 NFPA-68 模型泄壓面預測值與實驗值的對比Fig .7 Comparison of the vent area between NFPA-68 and experiment

圖8 NFPA 68-BRANN模型泄壓面預測值與實驗值對比Fig .8 Comparison of the vent area between the NFPA-68-BRANN model and experiment

為快速預測海洋平臺含障礙物艙室泄爆壓力，結合實驗數據調研解析Bauwens模型的缺陷，校核因泄壓面引發Rayleigh-Taylor不穩定效應的參數及由障礙物引發褶皺的爆燃火焰加速機制參數，進一步引入BRANN算法發展Bauwens-BRANN數值模型，可實現海洋平臺含障礙物艙室泄爆壓力的快速準確預測。

3.3 面向海洋平臺油氣爆燃的水噴淋設計方法

水噴淋是防止海洋平臺火災爆炸事故升級的一道關鍵屏障[45-46]，而基于最惡劣事故場景的安全設計往往會極大地提高安全設計成本。鑒于此，為實現海洋平臺水噴淋參數的準確設計，耦合人工蜂群優化算法和貝葉斯正則化神經網絡算法，建立了基于爆燃風險分析的海洋平臺水噴淋設計方法。在海洋平臺爆燃數值模擬中引入水噴淋參數，進而借助ABC-BRANN耦合算法分別獲取有無水噴淋作用下的爆炸超壓超越曲線，如圖9所示。由圖9可知，基于ABC-BRANN耦合算法的爆炸超壓超越曲線與基于數值仿真的爆炸超壓超越曲線幾乎重合，說明ABC-BRANN耦合算法在有無水噴淋作用下均可準確預測爆炸超壓。進一步研究水滴直徑、水利用率等參數對爆炸超壓超越曲線的影響。基于方差分析發現，可燃氣云體積較小時，水滴直徑和水利用率均對爆炸超壓有很大影響；隨著可燃氣云體積的增加，水滴直徑對爆炸超壓的影響明顯大于水利用率對爆炸超壓的影響。

圖9 有無水噴淋下基于ABC-BRANN的超越曲線與基于仿真計算結果的對比Fig .9 Comparison of exceedance frequency curve between ABC-BRANN and CFD computations with/without water spray

4 結論與建議

本文闡述了深水鉆井井噴防控作業安全性、海洋油氣泄漏、爆燃風險、海洋平臺抗爆減災技術等方面的研究進展，得到認識及建議如下：

1) 基于拓撲結構和風險熵概念研究鉆井過程井噴失控災變演化軌跡，基于系統控制理論分析井控工藝的安全性，結合實驗與數值計算揭示井噴氣體擴散規律，可有效提升深水鉆井井噴防控作業安全性。

2) 基于BRANN模型可實現海洋平臺油氣泄漏和爆燃風險的模擬分析，但由于海洋平臺發生油氣泄漏和爆燃風險的時變性強，快速預測模型的研究對事故的預防與減緩具有重要意義。

3) 波紋板結構、艙室泄壓、水噴淋等是海洋平臺抗爆減災防護的重要措施，但國內對研究較少，設計建造時主要參考國外規范。

4) 為進一步推動我國深水油氣開發重大事故防控體系的構建，建議提前布局海洋含硫油氣田開采作業風險管控的研究；推進深水油氣開采安全風險智能化防控研究，服務海上油田數字化轉型。