深水鉆井防噴器系統失效定量風險分析

黨志剛， 金業權， 金經洋， 李 成， 紀永強， 廖華林

(中國石油大學(華東)石油工程學院， 青島 266580)

深水防噴器系統是深水油氣鉆井安全的重要保障，在出現井筒壓力異常時必須及時可靠地對井筒壓力進行控制，避免人身傷亡和財產損失等重大事故的發生[1]。2010年英國石油公司(BP)“深水地平線”事故造成11人失蹤17人受傷，經濟損失超480億美元，事故發生很大程度歸因于深水防噴器系統的失效[2]。

中外對深水防噴器系統的安全評價主要集中在兩方面。一是從防噴器的配置方面研究：曹式敬[3]從深水防噴器組的配置方面研究了防噴器系統的可靠性，Enjema等[4]提出了環形防噴器的冗余配置可以提高防噴器系統的整體可靠性；二是基于歷史數據進行研究：雷軍等[5]基于數理統計方法對深水防噴器系統進行了安全關鍵性失效分析，薛魯寧等[6]研究了關井期間發生的井控關鍵失效對防噴器可靠性的影響，曹樹杰等[7]基于信息公理(AD)與風險優先數(RPN)評價方法，結合失效模式及后果分析(FMEA)找出了深水防噴器系統的薄弱環節，Holand[8-9]和Awan[9]收集整理了外國深水防噴器系統的故障數據，并建立了水下防噴器系統失效的故障樹。從以上研究中發現目前對深水防噴器系統安全評價的研究眾多，但缺乏針對具體井防噴器系統進行綜合風險識別與定量評價的研究，大量學者是對系統中某一或者幾個組件的失效進行評價，缺乏整體性與系統性。

現將屏障和可操作性風險分析(barrier and operational risk analysis, BORA)[10-11]方法引入深水防噴器系統風險評價領域，綜合考慮多種風險因素，建立較為系統和全面的深水防噴器系統風險評價方法。

1 指標體系和評價模型建立

1.1 BORA評價方法

BORA風險評價方法來源于挪威的BORA工程，最初用來分析海洋生產設施安全屏障的可靠性。BORA方法基本原理是，初始事件發生后如果所有安全子屏障功能均正常，初始事件就不會發展至事故，事故發生的原因是初始事件與安全屏障功能失效同時發生。目前該方法主要被應用在碳氫化合物泄露評價方面[11]，在鉆井工程領域，尤其是深水防噴器系統的綜合風險評價中尚未得到應用。

(1)

當IR>0時，待評價系統失效風險高于行業平均水平，且值越大風險越高；當IR=0時，待評價系統失效風險與行業平均水平持平；當IR<0時，待評價系統失效風險低于行業平均水平。待評價系統失效的實際概率和平均概率分別為

(2)

(3)

1.2 深水防噴屏障識別

建立以井涌為初始事件的安全屏障框圖識別深水防噴器系統中各安全子屏障，并從中確定井涌—防噴器系統失效的事件序列。其中，各步驟事件就是深水防噴器系統的子屏障[10-11]。把功能相近或同一功能模塊的組件作為深水防噴器系統的子系統，則深水防噴器系統就由多個子系統串聯而成[9,12]。深水防噴器系統安全屏障框圖如圖1所示，各子屏障名稱和包含的組件見表1。

Y表示屏障功能成功，N表示屏障功能失效圖1 深水防噴器系統安全屏障框圖Fig.1 Barrier block diagram of deepwater BOP system

表1 深水防噴器系統的各級屏障

井涌發生后，深水防噴器系統的各子屏障按順序發揮各自的功能。根據串聯系統[13]規則，只有當5個子屏障全部都正常發揮各自功能的時候，深水防噴器系統才不會失效，如圖1所示。

1.3 評價指標體系

在遵循系統性與綜合性原則的基礎上，查閱相關文獻和《鉆井作業用防噴設備系統推薦作法》《海上鉆井作業井控規范》等行業規范，從人員、設備、技術三個角度對影響深水防噴器系統可靠性的因素進行分析[14]，建立了包含15個因素的風險評價指標體系[15-17]。根據專家建議和行業水平將風險等級從低到高分為A、B、C、D、E5個等級。指標體系中影響因素權重由專家打分和熵權法綜合計算確定，利用該體系可以確定各風險影響的風險狀態等級si。各影響因素和指標定義見表2，指標體系見表3。

表2 深水防噴器系統風險因素及權重

表3 深水防噴器系統風險評價指標體系

指標體系建立之后并不是固定不變的，會因區塊的不同而有一定的差異性，也會因為鉆井技術水平的提高而有一些變化，應該根據實際情況建立適用于目標區塊的指標評價體系，使2.2節中建立的定量評價標準更加符合評價區塊的實際情況。

1.4 防噴器系統失效BORA模型

根據1.3節中各安全子屏障的影響因素和風險評價指標體系，并結合圖1識別出的5個深水防噴器系統失效的事件序列，建立深水防噴器系統失效BORA分析模型，如圖2所示。

利用1.1節中BORA風險評價方法和上述深水防噴器系統失效BORA分析模型，結合深水防噴器系統失效平均數據和待評價防噴器系統指標數據，可定量計算待評價井防噴器系統失效風險。

2 防噴器系統失效風險計算

若要計算IR，需要計算出深水防噴器系統失效的行業平均概率和待評價系統失效的實際概率。

2.1 防噴器系統失效概率計算

2.1.1 平均概率計算

(1)初始事件井涌發生的平均概率。選取一段防噴器組工作時間，在這段時間內井涌發生次數x與時間t(天數)的比值即為井涌發生平均概率[10]：

圖2 深水防噴器系統失效BORA模型Fig.2 BORA model of deepwater BOP system failure

(4)

同時，基于文獻[9]中統計的墨西哥灣342口井的資料來計算井涌平均概率，具體數據如表4所示。則深水鉆井井涌平均概率pIE=(81+48)/(15 056+4 009)=0.006 8。

(2)屏障功能失效的平均概率。深水防噴器系統安全屏障框圖中包含5個防噴器系統失效事件序列，屏障功能失效的概率是這5個事件序列概率之和。結合圖1和圖2，確定各事件序列的屏障功能組合，見表5。

表4 墨西哥灣深水鉆井井涌情況統計表

表5 深水防噴器系統失效屏障功能組合

注：I表示初始事件,Y表示屏障功能成功，N表示屏障功能失效，—表示未用到該屏障功能。

(5)

2.1.2 實際概率計算

井涌事件或任意一個子屏障失效事件的實際概率由影響該事件各因素所占的權重、狀態等級以及該事件失效的平均概率決定[10]：

(6)

Q(si)的值與事件發生概率k的上下限khigh和klow有關：

(7)

2.1.3 BORA風險評價方法的改進

BORA方法中，確定事件發生概率的上下限是由專家根據經驗賦值，這種方法主觀性較強，并且由于中國深水鉆井起步較晚，深水鉆井方面累積的經驗并不是太豐富，專家給出的經驗更難令人信服。基于此，利用事件發生的平均概率結合統計學方法對確定khigh和klow的部分進行改進，具體如下。

如果在累計工作時間t內某故障共發生了m次，則該故障發生的平均概率[18]為

(8)

(9)

由式(6)～式(9)和2.1.1節中的平均失效數據，結合卡方分布表可計算出井涌發生和各子屏障失效的實際概率，再結合式(1)、式(2)、式(5)最終可以計算出待評價深水鉆井防噴器系統失效的實際概率P和風險增幅IR，得到待評價對象的風險狀況。

2.2 防噴器系統失效評價標準

當深水防噴器系統所有影響因素的狀態等級同時處于A、B、C、D或者E等級時，利用式(6)～式(9)計算系統的失效概率，然后根據式(1)～式(3)計算系統失效的風險增幅IR。計算結果見表6，利用該結果來劃分風險等級范圍。

表6 影響因素不同狀態等級對應的系統失效概率

根據表6 IR建立防噴器系統失效風險4級標準：Ⅰ級(低風險)：-69.5%～-39.2%；Ⅱ級(較低風險)：-39.2%～0；Ⅲ級(較高風險)：0～85.6%；Ⅳ級(高風險)：85.6%～193.5%。

3 實例計算分析

3.1 實例計算

為驗證本文建立的深水防噴器系統失效定量評價模型的可靠性和科學性，將2007年墨西哥灣一口已鉆深水井block47-1井作為實例研究。根據所建立的評價指標體系，收集該井歷史數據，并判斷各因素所屬的狀態等級，具體見表7。

應用式(7)～式(9)將風險等級轉化為量化值，并根據表2中的影響因素權重，由式(6)計算該井井涌的發生概率pIE和深水防噴器系統各子屏障功能失效的實際概率ki(i=1,2,3,4,5)，計算結果分別為8.043×10-3、2.156×10-3、2.804×10-3、1.223×10-3、1.291×10-3、3.804×10-3，則系統屏障功能失效的實際概率為

表7 Block47-1井防噴器系統原始數據

pBF=1-(1-k1)(1-k2)(1-k3)(1-k4)×

(1-k5)=7.835×10-3

(10)

由式(2)和式(1)可以分別計算出該井防噴器系統失效實際概率P和風險增幅IR分別為

P=pIEpBF=6.302×10-5

(11)

(12)

由計算結果可知，該防噴器系統失效風險為Ⅲ級，屬于較高風險等級，符合事故調查報告中該深水防噴器系統當時的風險狀況。

3.2 敏感性分析

要降低系統的失效風險，需要針對系統中影響因素狀態等級大于C(行業平均水平)的風險因素采取控制措施。目前該系統所有風險因素中，狀態等級大于C的有5個，分別為A14、A31、A42、A51、A62。

為了解因素狀態等級大于行業平均水平的這5個影響因素對風險增幅IR的影響程度，對這5個因素進行敏感性分析。首先將唯一的E等級因素(A42)提升至D等級，其他因素狀態等級保持不變，計算發現IR降為24.9%，降低幅度僅為0.6%，說明A42因素對IR的影響并不明顯；然后按照A14、A31、A42、A51、A62的順序，將5個D等級因素依次調整至C等級，調整過程中仍然保持每次只改變一個因素的狀態等級，IR降低幅度如圖3所示。

圖3 系統風險影響因素敏感性程度Fig.3 The sensitivity degree of system risk influencing factors

研究發現，A14因素的狀態等級由D調整為C，IR就由25.5%降至-7.4%，降低幅度為32.9%，這直接使得該井防噴器系統失效風險由較高風險降為較低風險。由此可見，對于初始事件井涌的防控工作是至關重要的。這5個因素對系統可靠性影響程度按從大到小的順序為A14、A31、A51、A62、A42，要降低系統風險，應按照順序從這幾方面進行控制。

4 結論

(1)利用齊次泊松過程參數模型對經典BORA方法中事件發生概率的專家賦值法進行改進后，引入深水防噴器系統失效評價，建立了深水防噴器系統失效BORA理論模型。模型解決了評價系統中定量因素定性因素交錯不易處理的難題；有效避免用傳統評價方法產生的經驗主義，評價結果更具客觀性和科學性。

(2)研究發現，“安全密度窗口”因素狀態等級由D調整為C，IR就由25.5%降至-7.4%，直接使得防噴器系統失效風險由較高風險降為較低風險，因此在實際工作中，應該特別防范窄密度窗口對深水防噴器系統可靠性帶來的影響。

(3)15個失效影響因素的五等級風險評價指標體系的具體數值會因各地區的實際情況而有一些差異，也會隨著鉆井技術水平的提高而有一定變化，因而深水防噴器系統失效風險定量評價標準值也會隨之發生變化，利用建立的評價模型和方法可以對任意特定防噴器系統進行失效風險定量評價。