海洋石油平臺溢油風險評價研究

呂 妍, 魏文普, 張兆康 王 佳, 安 偉

(1. 中海石油環保服務(天津)有限公司, 天津 300452; 2. 中國海洋大學, 山東 青島 266100; 3. 中國海洋石油總公司, 北京 100010)

海洋石油平臺溢油風險評價研究

呂 妍1,2, 魏文普3, 張兆康1, 王 佳2, 安 偉1

(1. 中海石油環保服務(天津)有限公司, 天津 300452; 2. 中國海洋大學, 山東 青島 266100; 3. 中國海洋石油總公司, 北京 100010)

通過層次分析法, 系統分析了我國鉆井平臺及生產平臺的溢油風險因子, 初步建立了該類設施的溢油風險評價指標體系, 并運用多級模糊綜合評級模型對目標設施的溢油風險進行綜合評價。利用該評價方法對渤海某一鉆井平臺進行溢油風險分析, 結果表明該平臺溢油風險等級較低, 風險因子中海區環境及平臺疲勞老化程度的風險相對突出。該評價方法可及時判斷目標設施的溢油風險等級, 為減少、預防各類平臺溢油事故提供技術支持。

海洋石油平臺; 溢油事故; 溢油風險評價; 模糊綜合評價

海洋石油平臺是海上油氣勘探開發的重要設施,隨著我國海洋石油工程迅猛發展, 海洋石油平臺在建、在役規模進一步擴大, 其潛在的溢油風險更是成為國內政府、企業的關注重點。2011年6月, 渤海蓬萊19-3油田B平臺及C平臺陸續發生溢油現象, 對該海域的海洋環境以及周邊漁業、水產養殖業等均造成嚴重的影響, 也為海上石油平臺溢油風險防范敲響了警鐘。

海洋石油平臺的溢油風險評價是在保證該類設施安全運行的前提下實現更大經濟效益的必要手段,是實現海洋石油平臺從經驗管理向科學管理進行過渡的重要技術。目前, 我國海洋溢油事故管理主要采用“危機管理”模式, 對海上石油平臺溢油風險的研究極為缺乏, 導致海洋石油平臺溢油源識別層次混亂、評價標準主觀性強等問題, 不能有效反映目標設施的溢油風險等級。2011年7月8日, 國家海洋局發出通告, 要求全面開展海洋石油勘探開發溢油風險排查與整改, 進一步強化溢油風險管理措施。由此可見, 建立系統的海洋石油平臺溢油風險評價體系,完善海洋石油平臺溢油風險的評價方法是目前我國海洋溢油污染防治工作亟待解決的重要任務。

本文在國內外對海洋石油平臺溢油風險研究的基礎上, 系統歸納了我國海洋石油鉆井和生產平臺的溢油風險因子, 構建了海洋石油平臺的溢油風險評價指標體系, 并首次運用模糊綜合評價模型量化該類設施溢油的風險等級, 為減少、預防各類平臺溢油事故提供技術支持。

1 海洋石油平臺溢油風險的評價方法

海洋石油平臺的溢油風險評價即對該類設施的工程特點及其作業環境進行分析, 識別易于導致該設施發生溢油事故或影響事故后果的關鍵因子, 利用一系列評價方法及模型對該設施的溢油風險等級進行劃分。近幾年, 美國、挪威等歐美發達國家已經從海洋環境管理的實踐中提出量化溢油風險的必要性, 并在量化海洋石油平臺溢油風險評價中取得了一定成果, 例如事故樹、事件樹、模糊數學理論等定量評價方法都在完善海洋石油平臺溢油風險評價研究中發揮了重要作用[1-2]。而我國在海洋石油平臺溢油風險量化評價方面尚屬空白, 缺乏系統的方案和研究工具, 可借鑒的資料較有限。

海洋石油平臺溢油風險的影響因素繁多, 而且各因素之間相互聯系、制約, 簡單的評價模型難以比較出各個指標之間的優先等級, 本研究引用模糊綜合評價模型對我國海洋石油平臺的溢油風險進行分析。模糊綜合評價模型是模糊數學的一種具體應用, 綜合考慮評價事物的各個相關影響因素, 依據模糊變換原理和最大隸屬度原則, 對評價對象進行綜合評價。該模型已被多次運用到船舶溢油風險評價的研究中[3-4],一般按照溢油風險因子識別、評價指標體系建立、權重和隸屬度建立、模糊綜合評價和溢油風險等級確定五個步驟進行, 其評價流程如圖1所示。

圖1 海洋石油平臺溢油風險模糊綜合評價流程Fig. 1 Schedule of oil-spill risk assessment on offshore platform using fuzzy comprehensive evaluation

2 海洋石油平臺溢油風險指標體系

評價海洋石油平臺的溢油風險等級需從溢油事故可能性和溢油后果可控能力兩方面考慮。溢油事故可能性即溢油事故發生的概率。造成海洋石油平臺溢油的主要原因之一是海洋平臺發生損壞、損毀事故; 除此之外, 地質性溢油也是近期較為關注的海上平臺溢油風險源。通過對國內外海洋平臺損毀事故進行統計分析, 發現火災及爆炸、碰撞風險、下落物體風險是造成海洋石油平臺損傷、損毀事故的重要原因[5-6], 其涉及的關鍵風險因子涵蓋了平臺的作業管理、人員操作、平臺老化及安全裝置配置等。惡劣的氣象條件及復雜的地質情況是造成海洋石油平臺損毀的關鍵因素。據報道, 從 1976年至今, 在我國近海油氣田所發生的海洋石油平臺事故中, 不良地基引起的平臺失效損毀事故有 7起, 而由惡劣氣象條件(如臺風、海冰)所造成的平臺事故5起[7]。地質性溢油主要是由于不恰當的鉆井/注水使儲層壓力異常高壓造成儲層流體沿著地質斷層運移至海床而發生油氣泄漏。因此, 對于地質性溢油評價一方面要考察作業方是否有鉆屑回注或注水系統的作業規范及相關作業風險評價, 另一方面要結合作業海域的地質及油藏情況, 評價鉆井及采油作業是否嚴格按照相關作業規范進行。在實際的海上溢油風險排查工作中, 對作業方溢油后果可控能力的評價側重于溢油預警及應急能力的評估, 評價平臺作業方是否可及時發現溢油源, 有效控制溢油事故, 將溢油量/范圍降低到最低水平。

根據以上分析的我國海洋石油平臺溢油風險的關鍵因子, 確定了8個一級溢油風險評價指標, 分別為: 平臺設計參數、作業方式、海區環境、地質性溢油、人為因素、平臺疲勞老化、組織管理能力以及應急能力。海上石油平臺按照作業方式可分為鉆井平臺及采油生產平臺, 考慮到其工程性質及作業環節存在較大差異, 因此針對這兩類作業方式所建立溢油風險指標體系也略有不同。鉆井過程中, 由于對地層、油藏等信息的不確定, 易造成地層溢油, 甚至發生井涌, 如若控制不及時或控制失效, 就造成后果嚴重的井噴事故, 因此在評價鉆井平臺的溢油風險時, 關鍵的溢油評價指標包括: 鉆井類型、是否有合理的鉆井方案并嚴格按規范操作、地層及油藏的了解程度、鉆井頂部TDS的配備情況、井涌檢測設備及井噴控制裝置的完好程度等。海洋石油生產平臺發生井噴的概率較低, 發生溢油的可能性主要是由于過駁船舶的碰撞、外輸失誤以及油氣處理設備破裂等造成的原油泄漏, 因此在對海洋石油生產平臺進行溢油風險分析時需格外關注油氣外輸情況,平臺的壓力及常壓設備的安全裝置配備、油水罐和工藝管線外部密封性以及注水系統工作情況等。海洋鉆井平臺和石油生產平臺的關鍵溢油風險因子及評價指標體系如表1所示。

通過問卷調查形式由海上平臺作業人員及相關專家對上述溢油評價指標進行打分(參與人員＞30人), 初步確定了該溢油風險評價體系中各指標的權重分配。表1中所示權重分配僅為示例, 評價者可根據海洋石油平臺設施情況及環境實際情況進行調整。例如, 海冰情況僅為作業于渤海海域尤其是遼東灣的平臺評價溢油風險的一項指標, 其他海域可以考慮減少該項指標的權重或忽略該項指標。

3 海洋石油平臺溢油風險的模糊綜合評價

3.1 因素集和評價集

根據建立的風險指標體系, 海洋平臺(鉆井平臺及生產平臺)溢油風險一級評價指標的因素集為U={U1平臺設計參數,U2作業方式,U3海區環境,U4地質性溢油,U5人為因素,U6平臺疲勞老化,U7組織管理能力,U8應急能力}。二級指標的因素集按照所構建的評價指標體系依次展開。

表1 海洋石油平臺溢油風險評價指標體系Tab.1 Factor system of oil-spill risk assessment on offshore platform

本研究將溢油風險等級劃分為五個等級, 評價集表示為V={V1溢油風險極小,V2溢油風險小,V3溢油風險中等,V4溢油風險大,V5溢油風險極大}={1分, 2分, 3.5分, 5分, 7分}。

3.2 評價指標隸屬度的確定

隸屬度是實現評價指標相對于不同風險等級量化描述的有效方法, 這種方法可體現不同評級指標危險等級高低的規律。在隸屬度的確定方面, 通過專家的經驗以及概率分布規律, 可將構造的風險因子評價標準劃分至五個不同的危險等級中(V1～V5)。海洋石油平臺溢油風險因子評價標準的隸屬度模糊子集表能夠反映各級溢油風險評價標準屬于某一溢油可能性等級的變化過程。本文僅以海洋鉆井平臺中鉆井類型及泄漏限制裝置風險隸屬度為例, 介紹評價指標隸屬度在該評價方法中的應用。

海洋石油鉆井總體分為勘探鉆井和生產鉆井兩類。在勘探鉆井中還可分為初探井鉆井、詳探井鉆井和評價井鉆井; 在生產鉆井中可分為開發初期的生產井鉆井和開發中后期的調整井鉆井。我國自1966年至2010年先后在渤海、東海、南海東部和南海西部海區已鉆勘探井、評價井和生產井2 000余口,共發生4次井噴(主要為勘探井和評價井), 在生產井鉆井中尚未發生過井噴事故, 因此生產井/調整井發生井噴的風險等級要比其他類型鉆井低。鉆井類型溢油危險度的隸屬度子集表見表2。

表2 鉆井類型危險度評價標準的隸屬度子集表Tab.2 Membership degrees of type of well drilling

泄漏限制即應急關斷裝置的評價主要通過應急關斷類型及操作人員對溢油判斷的能力進行綜合評估。自動關斷閥可根據壓力、流量的變化及時打開,迅速關斷溢油源, 避免溢油量擴大; 然而, 這類設施也常常因為系統流量/壓力不穩定而誤開啟, 影響正常作業。很多平臺采用中控室的遠程操作來控制溢油。評價中控室是否可及時、有效控制溢油源, 需對操作人員的溢油判斷的及時性和正確性進行評估,如果操作人員經過溢油培訓, 海上作業經驗豐富,可對設備異常情況及時作出反應, 那么關斷溢油源的反應時間就可以縮短, 其溢油控制能力較高。對于手動關斷裝置, 從操作人員識別溢油到關斷溢油源,必須考慮一定延時, 因此溢油控制能力相對較低。表3列出泄漏限制裝置危險度評價標準的隸屬度分配。

3.3 模糊綜合評價

確定了評價指標的權重及隸屬度后, 便可建立海洋石油平臺溢油風險評估模型, 本文采用二級模糊綜合評價。

(1) 初次評價: 通過各溢油風險二級指標(U11,U12,···,U1n)的危險度評價標準的隸屬度子集表, 可構建目標海洋石油平臺自身狀況的隸屬度矩陣(R1)。對于海洋石油平臺自身狀況U1, 其模糊綜合評判的結果為:

其中,B1為海洋石油平臺設計參數(U1)的溢油風險評價結果矩陣,A1為該海洋石油平臺設計參數指標中各二級溢油風險指標的權重分配,R1為該海洋石油平臺設計參數指標所對應的隸屬度矩陣。

表3 泄漏限制措施危險度評價標準的隸屬度子集表Tab.3 Membership degrees of devices of oil spilling control

同理, 根據此公式, 可計算出作業方式(U2)、海區環境(U3)、地質性溢油(U4)、人為因素(U5)、平臺疲勞老化程度(U6)、組織管理能力(U7)以及應急能力(U8)的溢油風險評價結果矩陣B2～B8。

(2)二級模糊綜合評價: 設劃分后的因素集U={U1,U2, …,U8}的因素權重子集為A={A1,A2, …,A8},U的總評價矩陣R:

二級模糊綜合評價結果為:

由二級綜合評價結果所得向量, 即為溢油風險等級的總體評價結果, 采用最大隸屬度法或加權平均法, 判斷溢油風險所屬等級。

4 應用算例

以渤海海域一自升式海洋鉆井平臺為例, 具體說明該溢油風險評價方法的應用。平臺建于1989年, 設計年限25 a。平臺自1993年, 已進行了長期的檢測、評估和維修工作。目前平臺作業于遼東灣海域, 進行生產井鉆井作業, 油基泥漿采用回注處理方式, 鉆屑回注壓力嚴格控制不得超過地層破裂壓力的 85%, 鉆井頂端配有 TDS并工作狀態良好, 平臺有非常詳細的鉆井作業規范、排污記錄和相關資質證明。平臺中控室對各關鍵設備及井口溢油檢測裝置實時監控, 可對各關斷閥實現遠程控制。平臺管架全浸區和飛濺區有海生物附著, 節點退化風險較嚴重, 管架有明顯微裂紋發展為疲勞裂紋。該海域全年風力超過 6級的天數115 d, 全年大浪日天數105 d, 海區的潮流類型為不規則的半日潮流, 冬季浮冰等級C級。平臺上配置一定溢油回收裝置并有良好的通訊系統, 在發生溢油事故時可及時與陸上終端及溢油應急響應單位溝通。該平臺的溢油風險如下:

(1) 平臺設計參數溢油風險模糊綜合評價結果:

(2) 平臺作業方式溢油風險模糊綜合評價結果:

表4 某海洋生產平臺溢油風險模糊綜合評價結果Tab. 4 Results of oil-spill risk assessment on a specific offshore platform using fuzzy comprehensive evaluation

按照上述示例, 計算海洋環境、地質溢油、人為因素、平臺疲勞老化、組織管理能力以及應急能力各項評價指標的初級模糊綜合評價結果, 根據加權平均原則, 得到該平臺的溢油風險等級, 見表4。

根據模糊綜合評價結果可以看出, 該算例中的鉆井平臺綜合溢油風險等級中等偏低, 當溢油風險等級超過3.5(中等溢油風險等級), 意味著該平臺的溢油風險等級較高, 需要對關鍵溢油環節重點控制。在該算例中, 通過初級評價結果可以看出, 海區環境及平臺老化風險較突出(風險等級>3.5), 因此在日常平臺維護及檢修中加強平臺節點、焊點、安全閥、法蘭等關鍵部位的風險排查, 定期對平臺水下結構進行腐蝕度及完整性檢測, 并需重新核定該平臺在極端天氣下的應力載荷, 加強惡劣天氣下的平臺溢油應急管理, 避免因平臺結構損壞造成大規模溢油事故。

5 結論

本文就海洋石油平臺的溢油風險評價進行了初步探討, 根據我國海洋石油平臺實際情況, 構建了海洋鉆井平臺和石油生產平臺的溢油風險指標體系, 并引入模糊綜合評價模型建立海上石油平臺溢油風險的量化評價方法。評價方法所示的權重及隸屬度可根據具體工程內容進行調整, 以適應不同作業情況。

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[7] 顧宗平. 上海海洋地質調查志[R]. 上海: 上海市地方志辦公室, 1996.

(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

Risk assessment of oil spill on the offshore platform

Lü Yan1,2, WEI Wen-pu3, ZHANG Zhao-kang1, WANG Jia2, AN Wei1
(1. China Offshore Environmental Services Co.Ltd., Tianjin 300452, China; 2. Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China)

Jun., 11, 2012

offshore platform; accident of oil spill; risk assessment of oil spill; fuzzy comprehensive evaluation

In this paper, the risk assessment system of oil spill for offshore platform was established by analyzing the risk factors related to oil-spill potentials of drilling and production platform based on the current situations of facilities in China. A fuzzy comprehensive model was used to evaluate the degree of oil spill on target facility. A drilling platform service in the Bohai Sea was used to calculate the oil-spill risk in order to illustrate how to apply the developed approach. The results showed that the oil-spill risk level for the example target platform was relatively low, and the main risk factors were sea environment and fatigue. The risk assessment approach could provide technical support for oil-spilling prevention and reduction on offshore platform.

X55

A

1000-3096(2014)01-0033-06

10.11759/hykx20120611002

2012-06-11;

2013-10-20

海洋公益性行業科研專項經費項目(2012418012)

呂妍(1984-), 女, 天津人, 工程師, 博士, 目前研究方向為海洋溢油風險評價及管理, 電話: 18222519591, E-mail: lvyan@coes.org.cn