基于FT 與BCCT 的采油管柱落井事故溯源

李威君，梁 偉，宋 迪，張來斌，姜 璐

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.中石油北京天然氣管道有限公司華北儲(chǔ)氣庫分公司，河北 廊坊 065000）

采油管柱是石油勘探開發(fā)所必須的重要設(shè)備，在整個(gè)建井成本中平均占20%～30%［1］。由于其工況十分惡劣（承受拉、壓和彎等載荷），因此容易發(fā)生管柱斷裂事故。此外，目前絕大多數(shù)的油井是斜井或定向井，使得采油管柱的受力更加復(fù)雜，一旦落井打撈困難甚至?xí)斐捎途А?jù)統(tǒng)計(jì)，一般的采油管柱整體落井的經(jīng)濟(jì)損失大約在10～25萬元之間［2］。因此，分析采油管柱落井原因，對(duì)于預(yù)防落井事故的發(fā)生，保證油田平穩(wěn)生產(chǎn)具有重大意義。

目前，用于事故分析的方法有很多，如事故樹分析、因果分析、故障類型與影響分析等。其中因事故樹（Fault Tree，F(xiàn)T）分析過程思路清晰、表現(xiàn)形式直觀、結(jié)果合理可靠，在系統(tǒng)安全領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［3-5］。但事故樹分析對(duì)于原因的追蹤只停留在基本事件，通常是指導(dǎo)致頂事件發(fā)生的人的失誤或設(shè)備故障。因此事故樹雖然能深入挖掘事故的潛在原因，卻很難發(fā)現(xiàn)其根本原因。而事故致因連鎖理論（Causal Chain Theory，CCT）沿著事故發(fā)生發(fā)展的方向追溯事故，不僅能辨識(shí)與人和設(shè)備密切相關(guān)的直接原因、間接原因，而且能夠挖掘與管理相關(guān)的根本原因［6-8］。鑒于此，筆者提出結(jié)合事故樹與博德事故因果連鎖理論（Bird’s Causal Chain Theory，BCCT）進(jìn)行采油管柱落井事故溯源的方法，為徹底有效地預(yù)防事故的發(fā)生提供指導(dǎo)。

1 基于FT 與BCCT 的事故溯源原理

事故樹（FT）分析運(yùn)用邏輯推理對(duì)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)價(jià)，將事故與原因之間的邏輯關(guān)系用樹形圖表示，通過逐層分析能夠揭示出事故的潛在原因［9-11］。博德（Frank Bird）在海因里希多米諾骨牌理論的基礎(chǔ)上［12］，提出了現(xiàn)代事故因果連鎖理論，又稱為博德事故因果連鎖理論（BCCT），即：事故的直接原因是人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)［13］；間接原因包括個(gè)人因素及與工作有關(guān)的因素，如安全知識(shí)或技能的缺乏，安全操作規(guī)程不健全，設(shè)備、材料不合適等；根本原因是管理的缺陷，如缺乏設(shè)備維修計(jì)劃，對(duì)人員的培訓(xùn)不夠等；管理缺陷導(dǎo)致間接原因，間接原因的存在又導(dǎo)致直接原因，最終導(dǎo)致事故發(fā)生［14］。可見，BCCT 將追溯事故原因的重點(diǎn)放在管理缺陷上［15］。對(duì)應(yīng)于FT，距離頂事件最近的中間事件是導(dǎo)致事故的直接原因，最底層的基本事件是間接原因，而深層次的根本原因是管理缺陷，對(duì)此單純利用FT 未能辨識(shí)。本文將FT與BCCT 方法結(jié)合，對(duì)采油管柱落井事故進(jìn)行深度溯源，其原理如圖1所示。

圖1 基于FT 與BCCT 的事故溯源原理圖Fig.1 Schematic diagram of accident traceability based on fault tree and Bird’s Causal Chain theory

溯源的基本過程是：首先對(duì)采油管柱落井事故進(jìn)行FT 分析，以采油管柱落井作為頂事件，找出直接導(dǎo)致采油管柱落井的因素作為中間事件，再對(duì)每個(gè)中間事件進(jìn)行原因分析，逐級(jí)向下演繹推理直到基本事件，并計(jì)算最小割集；根據(jù)BCCT 總結(jié)FT 分析結(jié)果，得到事故的直接原因、間接原因，并由最小割集深入分析導(dǎo)致最小割集事件發(fā)生的管理缺陷。

2 采油管柱落井事故溯源

2.1 事故樹分析

本文結(jié)合采油管柱的實(shí)際情況，總結(jié)采油管柱落井的常見事故形式，并根據(jù)FT 分析法的基本原理，編制采油管柱落井事故樹，同時(shí)采用布爾代數(shù)法計(jì)算最小割集，繪制等效事故樹。

2.1.1 構(gòu)建事故樹

通過調(diào)查生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采油管柱落井事故，忽略由于地質(zhì)條件、工藝需求、自然災(zāi)害等不可抗力因素導(dǎo)致的事故，本文總結(jié)出導(dǎo)致采油管柱落井事故最直接的原因包括油管掛斷裂、油管斷裂、修井隊(duì)操作失誤和卡瓦故障四個(gè)方面，深入分析得出15個(gè)基本事件，構(gòu)建了采油管柱落井事故樹見圖2，該事故樹的事件見表1。

圖2 采油管柱落井事故樹Fig.2 Fault tree of oil production string falling accident

表1 采油管柱落井事故樹的事件表Table 1 Event list of fault tree

2.1.2 計(jì)算最小割集

采用布爾代數(shù)法計(jì)算最小割集，分以下三個(gè)步驟：

（1）建立事故樹的布爾表達(dá)式：

（2）將布爾表達(dá)式化簡(jiǎn)為析取標(biāo)準(zhǔn)式：

（3）用分離重復(fù)事件法化簡(jiǎn)析取標(biāo)準(zhǔn)式：

求得最小割集K，共14個(gè)：｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4，X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，即任何一組最小割集都可能導(dǎo)致采油管柱落井事故。

該主變A相在運(yùn)行中底部其中一個(gè)注油閥門閥體開裂，裂口長(zhǎng)度約300mm，目前雖未發(fā)現(xiàn)絕緣油滲漏，但是已經(jīng)留下嚴(yán)重的安全隱患。（如圖）

2.1.3 繪制等效事故樹

根據(jù)最小割集的定義，任意一組最小割集都是頂事件發(fā)生的充分必要條件，即頂事件的發(fā)生狀態(tài)實(shí)質(zhì)上完全由最小割集的狀態(tài)所決定。因此，為事故進(jìn)一步溯源的簡(jiǎn)便，將圖2原事故樹簡(jiǎn)化為等效事故樹，如圖3所示。其中，K1指的是由X4和X5組成的最小割集，其他符號(hào)的含義與表1相同。

2.2 事故因果鏈分析

在FT 分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)BCCT 可知，導(dǎo)致采油管柱落井的直接原因是油管掛斷裂、油管斷裂、修井隊(duì)操作失誤、卡瓦故障；間接原因是油管掛質(zhì)量差、油管掛長(zhǎng)期服役、新油管質(zhì)量差、油管長(zhǎng)期服役、油管未及時(shí)檢查更換、絲扣質(zhì)量差、修井頻繁、操作不穩(wěn)、解卡不當(dāng)、起下鉆操作不當(dāng)、對(duì)扣作業(yè)不當(dāng)、設(shè)備失靈、卡瓦磨損嚴(yán)重、卡瓦質(zhì)量差、卡瓦操作失誤。可見FT 分析僅將事故追溯到人或設(shè)備的原因，下面沿著事故因果鏈的逆方向深入分析事故樹中每個(gè)最小割集的根本原因，基于BCCT 的事故因果鏈分析如圖4。

圖3 采油管柱落井等效事故樹Fig.3 Equivalent fault tree of oil production string falling accident

圖4 基于BCCT 的事故因果鏈分析Fig.4 Accident causal chain analysis Based on BCCT

（1）產(chǎn)品質(zhì)量差——X1（油管掛質(zhì)量差）、X3（新油管質(zhì)量差）、X6（絲扣質(zhì)量差）、X14（卡瓦質(zhì)量差）。在FT 分析中產(chǎn)品質(zhì)量差之所以被當(dāng)作基本事件，是因?yàn)槠毡檎J(rèn)為產(chǎn)品質(zhì)量差的原因是設(shè)計(jì)不合理；而實(shí)際的應(yīng)用中，從設(shè)備的設(shè)計(jì)到使用還經(jīng)過了采購、校準(zhǔn)、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等過程，因此BCCT 認(rèn)為部件質(zhì)量差的根本原因是管理的失誤，未能在產(chǎn)品使用前發(fā)現(xiàn)其缺陷。

（2）設(shè)備長(zhǎng)期服役——X2（油管掛長(zhǎng)期服役）、K1（X4油管長(zhǎng)期服役、X5油管未及時(shí)檢查更換）。采油單位為了節(jié)約成本，普遍存在設(shè)備長(zhǎng)期服役的現(xiàn)象，不可避免地導(dǎo)致設(shè)備老化嚴(yán)重，易引發(fā)油管掛或油管斷裂。因此設(shè)備缺陷的根源在于管理不當(dāng)，如缺少壽命預(yù)測(cè)或設(shè)備更新改造不合理。

（3）操作失誤——X8（操作不穩(wěn)）、X9（解卡不當(dāng)）、X10（起下鉆操作不當(dāng)）、X11（對(duì)扣作業(yè)不當(dāng)）、X15（卡瓦操作失誤）。操作人員的專業(yè)技能、經(jīng)驗(yàn)、安全意識(shí)等是影響其操作行為的關(guān)鍵因素，因此對(duì)人員的管理不當(dāng)（如培訓(xùn)不足、考核不合格）直接導(dǎo)致其操作失誤。

因此，通過事故因果鏈分析可以挖掘?qū)е率鹿实纳顚釉颍沂玖斯芾碓阢@井作業(yè)中發(fā)揮的重要作用；同時(shí)，也可為制定事故預(yù)防措施提供指導(dǎo)，即事故預(yù)防不能僅從設(shè)備、人的不安全行為等可能直接導(dǎo)致事故發(fā)生的方面入手，而應(yīng)該要重點(diǎn)關(guān)注管理上的缺陷，從根源上控制事故的發(fā)生。

3 實(shí)例分析

某鉆井隊(duì)在鉆井過程中發(fā)生鉆具落井事故，事故發(fā)生的經(jīng)過、結(jié)果、原因分析等信息詳見表2。

表2 事故報(bào)告表Table 2 Accident report

圖5 鉆具落井事故樹模型Fig.5 Fault tree model for the falling of drilling tool

構(gòu)建該鉆具落井事故的事故樹模型見圖5。根據(jù)FT 分析結(jié)果可制定相應(yīng)的預(yù)防措施，如卡瓦使用前對(duì)其進(jìn)行第三方檢查，加強(qiáng)對(duì)卡瓦的檢測(cè)與維護(hù)等。但通過FT 分析制定的預(yù)防措施只控制了導(dǎo)致事故發(fā)生的直接因素和間接因素，并不能夠從根源上排除該鉆井單位的安全隱患，因此需要進(jìn)一步對(duì)該事故進(jìn)行溯源。

根據(jù)BCCT事故因果鏈理論，事故報(bào)告中“井口氣動(dòng)卡瓦故障”是事故的直接原因，從FT 分析結(jié)果中可得到間接原因可能是卡瓦質(zhì)量差或卡瓦長(zhǎng)期工作磨損嚴(yán)重，進(jìn)一步溯源分析導(dǎo)致間接原因發(fā)生的根源是管理上的缺陷：在卡瓦的設(shè)計(jì)、采購、校準(zhǔn)、檢驗(yàn)、試驗(yàn)或使用過程中未能發(fā)現(xiàn)其缺陷；已投入使用的卡瓦未制定合理的設(shè)備檢驗(yàn)維修計(jì)劃或檢驗(yàn)維修執(zhí)行不力。構(gòu)建的鉆具落井事故因果鏈模型見圖6。

圖6 鉆具落井事故因果鏈模型Fig.6 Accident causal chain model for the falling of drilling tool

從事故因果鏈模型可知，保證井口氣動(dòng)卡瓦的可靠性是防止鉆具落井事故的途徑，深度溯源到保證設(shè)備采購、檢驗(yàn)維修等職能部門管理的有效性。通過消除管理上的缺陷來控制導(dǎo)致事故發(fā)生的直接和間接因素，對(duì)于從根源上排除該鉆井單位的安全隱患具有重要意義。

4 結(jié)論

（1）通過將FT 分析與BCCT 結(jié)合，以“采油管柱落井事故”為頂事件，沿著事故發(fā)展方向逆向分析采油管柱落井事故，得到其直接原因、間接原因和根本原因，實(shí)現(xiàn)了事故深度溯源。

（2）與傳統(tǒng)單獨(dú)使用FT 分析方法相比，融合事故致因連鎖理論的事故溯源方法能深入挖掘事故的根本原因，并且強(qiáng)調(diào)管理在事故預(yù)防中的重要地位，為采油生產(chǎn)的安全管理提供了指導(dǎo)。

（3）事故溯源結(jié)果可為制定事故預(yù)防策略提供技術(shù)支持，如管理產(chǎn)品采購及試驗(yàn)等過程、對(duì)設(shè)備進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)或更新改造、加強(qiáng)人員的培訓(xùn)及考核、制定合理的設(shè)備檢驗(yàn)維修計(jì)劃等，而提高職能部門的管理決策水平可從根源上控制事故的發(fā)生。

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