基于DBN的水下生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制分析

王魁濤，王紅紅，尹 豐，朱春麗，龐 罕

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

在陸上油氣資源可開采量逐漸減少和深水油氣資源勘探技術(shù)日臻成熟的條件下，海洋油氣的開發(fā)和利用已成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)方向。水下生產(chǎn)系統(tǒng)因具有配置靈活，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為深水油氣資源開發(fā)的主要模式之一[1-4]。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)營(yíng)對(duì)油氣開發(fā)和海洋環(huán)境安全至關(guān)重要，一旦發(fā)生事故，將造成巨大的生態(tài)災(zāi)難和經(jīng)濟(jì)損失。因此，國(guó)內(nèi)外各大油公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制開展了大量的研究工作。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)由于受到設(shè)備、地質(zhì)、海洋環(huán)境、操作行為等多種因素的耦合作用，具有明顯的時(shí)變特性[5-7]。傳統(tǒng)靜態(tài)安全評(píng)估技術(shù)由于評(píng)估指標(biāo)參數(shù)為常數(shù)，不能反映風(fēng)險(xiǎn)概率對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(DBN，Dynamic Bayesian Network)通過構(gòu)建系統(tǒng)全概率模型，可以描述系統(tǒng)在連續(xù)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)變量的跟蹤和預(yù)測(cè)，為水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)控制分析提供更為精確的技術(shù)手段。

本文采用動(dòng)態(tài)貝葉斯理論，通過水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，建立基于離散動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制分析評(píng)價(jià)模型，并利用算例對(duì)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制模型分析

以我國(guó)南海某氣田為例，水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括水下井口、水下采油樹、水下管匯/基盤以及水下控制系統(tǒng)等。水下開發(fā)井產(chǎn)出的流體利用井口壓力通過海底管道被輸送至生產(chǎn)處理平臺(tái)和中心處理平臺(tái)。主要生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。水下設(shè)備的電力、控制信號(hào)、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控信息通過水下臍帶纜進(jìn)行傳輸。

圖1 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的主要設(shè)備構(gòu)成

本文在調(diào)研了水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)失效模式和風(fēng)險(xiǎn)控制措施的基礎(chǔ)上，利用安全屏障技術(shù)和bow-tie圖法建立了水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制模型。為便于分析，將水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全屏障分為技術(shù)設(shè)備屏障(B1)、組織管理屏障(B2)和工藝防護(hù)屏障(B3)，如圖2所示。

風(fēng)險(xiǎn)結(jié)左側(cè)為水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)主要設(shè)備元素，以及預(yù)防性安全屏障，風(fēng)險(xiǎn)結(jié)右側(cè)為風(fēng)險(xiǎn)造成的后果，以及控制降低性安全屏障。

2 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)分析原理

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱“貝葉斯網(wǎng)絡(luò)”)演化而來，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)表示為由變量(節(jié)點(diǎn))和與之相連的有向弧組成的有向無環(huán)圖，如圖3所示。節(jié)點(diǎn)間的有向弧用于描述變量間的概率依賴關(guān)系。

圖2 水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制模型

圖3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)示意

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)檢測(cè)到的證據(jù)信息E，利用式(1)對(duì)先驗(yàn)概率進(jìn)行更新，得到更加符合實(shí)際的后驗(yàn)概率，從而實(shí)現(xiàn)利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)未來事件發(fā)生概率的預(yù)測(cè)[8]。

(1)

式中：P(X/E)為已知證據(jù)E的發(fā)生概率，事件X的條件概率；P(X,E)為事件X和E的聯(lián)合概率。

動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)基于時(shí)間依賴關(guān)系，將事件演化過程劃分為t0→tn的連續(xù)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)是1個(gè)靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。2個(gè)相鄰時(shí)間片通過有向弧連接構(gòu)成與時(shí)間相關(guān)的條件轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)，DBN模型如圖4所示。相鄰時(shí)間片間的連接弧描述了變量對(duì)時(shí)間變量的依賴關(guān)系[9]。

(2)

圖4 動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

3 水下生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制模型構(gòu)建

根據(jù)動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型理論和已建立的水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制分析模型，將模型中的設(shè)備和屏障元素視為離散動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)，并將這些節(jié)點(diǎn)用有向弧加以連接，即構(gòu)成了動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的有向無環(huán)圖模型。建立的水下生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)tk和tk+12個(gè)時(shí)間片的模型如圖5所示。在模型中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成了動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)格中的先驗(yàn)概率層，其失效風(fēng)險(xiǎn)先驗(yàn)概率可通過OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)查詢得到。通過對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到新的證據(jù)數(shù)據(jù)，可對(duì)先驗(yàn)概率進(jìn)行更新和修正。可以將觀測(cè)得到的最新證據(jù)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制評(píng)價(jià)。

4 算例

根據(jù)我國(guó)南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備配置情況，以平均故障時(shí)間(Mean Time To Failure，MTTF)作為設(shè)備的先驗(yàn)概率評(píng)價(jià)指標(biāo)，查詢OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)設(shè)備，得到如表1所示的設(shè)備狀態(tài)先驗(yàn)概率值。

圖5 水下生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

表1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)先驗(yàn)概率[10]

由于針對(duì)不同失效形式，安全屏障的有效概率有較大差異。為便于分析計(jì)算，將水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制模型中的技術(shù)設(shè)備屏障、組織管理屏障和工藝防護(hù)屏障的有效性概率進(jìn)行統(tǒng)一定義，具體值如表2所示。

表2 安全屏障有效概率

將設(shè)備狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率和各節(jié)點(diǎn)的條件概率輸入到水下生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，可得到如圖6所示的水下生產(chǎn)系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)概率動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)趨勢(shì)圖。由圖6可知，在設(shè)備運(yùn)行至10 000 h時(shí)，水下控制系統(tǒng)的失效概率達(dá)到98.3%，在采用技術(shù)設(shè)備屏障和工藝防護(hù)屏障措施后，設(shè)備的失效概率降至0.04%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)失效概率較大的水下控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取技術(shù)和工藝措施，可有效降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率。

圖6 水下生產(chǎn)系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)概率變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

1)基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)控制評(píng)價(jià)方法，將水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系構(gòu)造為一系列具有狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的離散貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，解決了水下生產(chǎn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的時(shí)變建模問題。

2)本文利用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法和安全屏障理論建立了南海某氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制分析模型，并根據(jù)OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)提供的設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，水下控制系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率最高。通過采取技術(shù)、工藝等防控措施，可有效降低風(fēng)險(xiǎn)的危害程度。

3)由于文中采用的數(shù)據(jù)為部分歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性仍有待提高，因此建立適用于國(guó)產(chǎn)水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)和評(píng)價(jià)模型尤為必要。