基于模糊事故樹的水下井口回收風險分析

劉書杰 黃熠 孟文波 黃亮 李磊 付光明

1. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司；2. 非常規油氣開發教育部重點實驗室·中國石油大學(華東)

深水油氣田開發是國內油氣儲量的重要增長點。水下井口系統是海洋油氣開發的重要裝備。在海上油氣井不再具備開采價值或者水下開采設備海試完成后，按照海洋油氣開發的要求需要對水下井口系統進行回收。水下井口系統的回收程序復雜，需要先將套管密封總成回收，再將生產套管、技術套管逐層切割回收，再對表層套管和導管切割后連同高壓井口和低壓井口一起回收［1］。水下井口系統回收過程中套管切割不完整，回收工具與井口和套管咬合不緊等情況時有發生，容易導致水下井口系統回收失效。因此，對水下井口系統回收過程進行風險分析，進而識別潛在的高風險因素，并提出相應的預防措施具有重要意義。

目前，各類風險分析方法廣泛應用于海洋油氣開發過程中，吳翔飛［2］利用貝葉斯方法對水下井口疲勞進行了風險分析；劉健、劉超和羅建梅等［3-5］基于不同的風險分析算法對油管掛安裝過程進行了風險分析，識別了影響油管掛安裝過程中的高風險因素；李晶晶等［6］基于邏輯樹模型對海洋平臺的應急撤離進行了風險分析；張靜［7］運用故障類型及其影響分析法(FMEA)對海洋鉆井作業關鍵設備進行了風險分析,識別鉆井井架是高風險因素并制定了相應的防護措施；尹群等［8］以事件樹和ALARP 評價標準為依據，利用SAFETI 風險計算軟件定量評估了油氣泄漏災害下海洋平臺的風險。然而，針對水下井口系統回收作業的風險分析研究鮮有報道。

筆者結合水下井口系統回收操作流程和專家現場經驗梳理導致水下井口系統回收失效的基本事件，建立了以水下井口系統回收失效為頂事件的事故樹；通過引入專家評價機制，對基本事件的發生概率進行語言評價；利用模糊數學算法將專家對基本事件的語言評價轉換為基本事件發生的概率；基于敏感性分析識別水下井口系統回收過程中的高風險因素，為水下井口系統的安全回收提供參考。

1 水下井口系統回收過程

套管通過套管懸掛器懸掛在水下井口內，因此水下井口回收的第一步是逐層切割和回收技術套管、生產套管。第二步是切割表層套管和導管并回收井口系統。工程中使用割撈一體的鉆具組合對技術套管和生產套管進行切割和回收。該鉆具組合能一趟起下實現套管的切割和回收，經濟性好，廣泛應用于水下井口技術套管和生產套管的回收。水下井口系統的回收工具主要分為提拉式切割回收和坐壓旋轉切割回收工具。提拉式切割井口回收工具具有可靠性高、作業平穩、切割效率高且對井口沒有破壞性等特點［9-12］，提拉式切割回收過程中，外懸掛組合工具卡住并鎖緊井口，過提鉆具組合使井口頭處于受拉的狀態下切割回收套管，套管切割完成后連同井口系統一起上提回收，適應深水和超深水水下井口切割回收要求。

技術套管和生產套管切割回收過程：①確定切割深度并組合切割回收管串；②將管串下入到指定位置，下壓鉆柱推動撈矛進入套管內部；上提鉆桿，上部解鎖殼體與解鎖環分離，過提一定力即可保證卡瓦鎖緊套管；③切割套管，待切割完成后上提工具管串至轉盤，實現套管的回收；④拆卸回收的套管。

提拉式井口系統切割回收工具的過程：①確定切割深度并組合切割和回收鉆具；②對割刀和外懸掛工具進行功能測試；③連接外懸掛工具和井口頭，使外懸掛工具從解鎖狀態過渡到鎖緊狀態，并確認鎖緊；④過提100～200 kN 的力切割表層套管和導管；⑤通過鉆柱懸重變化和鉆具上行高度以及ROV 綜合判斷套管是否割斷成功；⑥套管和導管逐層割斷后，起出井口系統于甲板，解鎖外懸掛器卡爪，取出切割工具，完成水下井口系統回收作業。針對割撈一體的技術套管和生產套管回收工具和提拉式切割井口系統回收工具進行回收風險分析。

2 井口回收過程模糊事故樹

根據井口系統的回收過程，結合井口系統的回收過程和現場專家的經驗，分析頂事件失效原因及失效模式，梳理了導致井口系統回收失效的基本事件和中間事件以及邏輯關系，建立以井口系統回收失效為頂事件的事故樹。通過專家評分機制對基本事件進行評估，首先選擇相關領域不同職務、工齡、教育背景等評判專家，并確立專家權重，利用專家評估對井口系統發生失效的基本事件的可能性進行評價；其次，通過模糊化和去模糊化數學方法將專家對井口系統失效的語言評價轉化為數學描述，實現井口系統回收失效概率的定量描述，同時根據量化結果確定各專家評價結果的相似度、平均相似度、相對相似度等評價系數。根據專家權重和評價系數確定一致性系數，確定專家組最終評價結果，得到各基本事件的概率模糊數；通過數學算法將基本事件概率模糊數轉化為模糊數，并進一步求得頂事件失效概率，使用各基本事件失效概率及頂事件失效概率，基于敏感性分析求得各基本事件臨界重要性系數及概率重要性系數，提出高風險事件預防措施。水下井口系統回收模糊事故樹分析流程如圖1 所示。

圖1 水下井口系統回收失效的模糊事故樹分析流程Fig. 1 Fuzzy fault tree analysis process of subsea wellhead system recovery failure

3 模糊事故樹關鍵技術與應用分析

3.1 事故樹的建立

梳理了導致水下井口系統回收失效發生的基本事件和中間事件，通過頂事件發生的邏輯關系，利用邏輯“與”、“或”關系將基本事件、中間事件和頂事件連接形成倒立的樹狀圖［13-14］；模糊事故樹如圖2 所示，4 個中間事件X1～X4和19 個基本事件M1～M19如表1所示。

表1 水下井口回收事件編碼表Table 1 Codes of subsea wellhead recovery events

圖2 水下井口回收失效模糊事故樹Fig. 2 Fuzzy fault tree of subsea wellhead recovery failure

3.2 專家組選擇及權重計算

引入現場專家評分機制對基本事件發生的可能性進行評價。專家評價語言分為低(L)、比較低(FL)、中(M)、比較高(FH)、高(H)共5 個等級。邀請的14 位本領域專家，包括主管、經理、工人等，具有豐富的水下井口系統回收的知識背景和工程作業背景，其評價能較為客觀和全面地反映水下井口系統回收的實際情況。根據專家的職務、教育背景和工齡設定不同的等級分值，確立專家權重值如表2所示［15-16］。

表2 水下井口安裝及回收專家組權重值Table 2 Panel weight value of subsea wellhead installation and recovery

3.3 基本事件概率模糊化與去模糊化處理

模糊理論是通過引入模糊集使用語言描述替換數值描述的理論方法。模糊集合中的元素對集合的隸屬度不再僅限于0 和1，而是擴展到[0,1]間的任意數值。將專家組的語言評價概率表達歸一化模糊數處理，三角模糊分布隸屬度函數如式(1)～(5)所示。結合專家權重值，將專家的評價語言轉化成隸屬函數，利用式(11)可得相應概率模糊數［17］。

式中，uL(x)，uFL(x)，uM(x)，uFH(x)和uH(x)分別為低概率、比較低概率、中概率、比較高概率和高概率三角模糊數分布函數；x為模糊數。

專家組成員(Eu，u=1,2,…,l)根據經驗和知識作出不同的判斷，重要的是將所有的專家評價匯總起來，并獲得專家們的共識。假設每個專家用自然語言表達自己的觀點，將自然語言通過下面的算法轉換為模糊數［18］。專家們的評價用R表示，=(ru1,ru2,ru3,ru4) 和=(rv1,rv2,rv3,rv4)是2 個標準梯形模糊數，其中u，v指某專家代碼，ru1、ru2、ru3、ru4和rv1、rv2、rv3、rv4分別表示第u和v個專家對基本事件評價結果的模糊集。

專家評價的相似度S滿足下式。

S值的范圍在[0,1] 之間，值越大表示專家們的觀點一致性越高。當S=1 時，專家們的觀點相同。由于涉及的專家較多，研究以基本事件X12表層套管與導管回收刀片損壞為例，計算專家組評價結果的相似性函數值，結果見表3。

表3 專家組對X12 評價的相似函數值Table 3 Similarity function value to X12 evaluation by panel

專家評價的平均相似度為

專家評價的相對相似度為

利用式(7)和(8)求得專家組針對基本事件X12的平均相似度和相對相似度如表4 所示。

專家評價的一致性系數［16］為

式中，β為松弛因子，表示權重w(Eu)對于相對相似度RA(Eu)的重要性，松弛因子β=0.5，求得基本事件X12的專家組一致性系數如表5 所示。

表5 專家組的一致性系數(X12)Table 5 Consistence coefficient of panel(X12)

專家組評價結果為

梯形模糊數代表每個專家的意見。專家組的評價結果是一致性系數和相對模糊數的每個值相乘的總和，專家組對X12的評價結果為r1=0.230 9，r2=0.399 2，r3=0.405 3，r4=0.579 6。將概率模糊數進行去模糊化處理，得到模糊數P*為

將模糊數轉化為基本事件失效概率P，然后根據布爾代數法計算頂事件水下井口系統回收失效的概率Por為0.016 5。

式中，Pi為基本事件失效概率；n為基本事件個數。

3.4 基本事件敏感度分析

針對水下井口系統回收的敏感度分析結果，可以為回收過程中的高風險事故的預防和工具的設計及工藝的改進提供重要參考。基本事件的內容和所在的位置對頂事件都會有影響。通常這種影響程度用基本事件概率、概率重要度、臨界重要度進行表征，這些參數也是敏感度分析涉及的主要參數，其中概率重要度、臨界重要度分別根據式(15)、(16)進行求解［19］，結果如表6 所示。

表6 水下井口回收風險參數分析結果Table 6 Analysis result of risk parameters of subsea wellhead recovery

式中，I(i)為第i個基本事件的概率重要度系數，Ig(i)為第i個基本事件的關鍵重要度系數，P(T)為頂事件發生概率，qi為第i個基本事件發生概率。

由計算可知，基本事件中表層套管與導管回收刀片損壞(X12)失效概率最大，表層套管與導管回收時定位基座損壞(X16)失效概率最小。通過對比基本事件的概率重要度，確定了對水下井口回收失效的影響程度較大的基本事件及其影響的中間事件，如表7 所示。因此，在水下井口回收過程中應特別關注割刀卡死和刀片損壞以及切割位置不準的情況，同時減少人為的操作失誤。

表7 水下井口系統回收關鍵影響因素分析Table 7 Key factors influencing subsea wellhead system recovery

4 結論

(1)結合水下井口系統回收操作流程和現場專家經驗，識別了水下井口回收過程中存在的刀片損壞、割刀卡死以及操作失誤等19 項風險因素。

(2)建立了水下井口回收失效為頂事件的模糊事故樹，采用模糊化算法將專家對基本事件的評價語言轉化為基本事件的失效概率，并分析計算得到頂事件失效的概率為0.016 5。

(3)敏感性分析結果表明，表層套管與導管回收刀片損壞的風險最高；在制定井口系統回收方案時，應特別關注割刀卡死和刀片損壞以及切割位置不準的情況，并避免操作失誤；此外，應針對上訴因素提出預防措施以降低井口系統回收風險。