天然氣水合物鉆井風險辨識與評估

王賢斯 單正鋒 王存芳

(中石油海洋工程公司鉆井事業部 北京 100028)

我國于2017 年及2020 年分別開展了兩輪水合物試采工作，但試采效果距商業化開采仍有幾個數量級差距，這與深水水合物開采作業危險系數較高、鉆井安全風險辨識及評估工作不足息息相關[1-2]。具體來說，世界范圍內水合物試采尚處于初步探索階段[3]，所獲水合物鉆井經驗少，且鉆井風險缺乏有效理論支撐，這導致鉆井事故具有不可預知性[4-5]。因此，針對海洋水合物鉆井特點，亟需開展鉆井風險辨識及評估等工作，為形成鉆井風險控制措施，保障水合物安全鉆井奠定一定基礎。

水合物鉆井風險方面，國際上開展了一些研究工作。相關研究者通過引入風險矩陣、系統安全分析、故障樹分析、事件樹分析和蝴蝶結等方法進行鉆完井過程屏障失效風險的評價研究[6-8]。?üKRü M[9]收集了鉆速、鉆頭重量、扭矩、泥漿記錄等鉆井參數隨深度的變化，通過對鉆井參數的分析評估指出優化鉆孔設計是降低水合物鉆井風險的有效途徑。GAO Y H 等人[10]認為鉆井過程中必須保持一定溫壓條件以抑制水合物生成導致的鉆井風險。國內水合物鉆井風險研究尚處于起步階段，目前中國石油集團海洋工程有限公司海洋油氣裝備與安全技術研究中心開展了鉆井工藝對儲層水合物分解影響的一系列研究[11-12]。具體來說，主要從裸眼段及套管段井筒兩方面研究了水合物鉆井過程中的井壁穩定性，明確了儲層水合物飽和度與穩定性的時空演化規律，建立了水合物鉆井作業過程中的井筒失效模型，初步探索了井筒可能存在的失效模式[13]。

目前，國際深水水合物開發尚處于探索階段，未形成水合物鉆井系統的風險辨識、風險評估方法和安全保障技術，其中關于水合物鉆井工藝風險及關鍵設備風險與的分析尤為薄弱，預防和控制鉆井事故的經驗更是接近于零，因此亟需對關鍵設備以及鉆井作業工序開展風險辨識和安全評估[14-15]。鑒于此，該文以“Bluewhale II”半潛式鉆井平臺[16]為例，概述了平臺關鍵系統與設備，簡要分析了平臺危險源與鉆井風險的關系，從危險源的所屬風險類型、風險等級兩個角度進行危險源分類，采用頭腦風暴法、作業風險評估、危險源識別分析等方法對鉆井工藝、關鍵設備進行風險辨識，選取風險矩陣法定量評估鉆井風險，從風險預防措施和應急控制措施兩方面細化、完善了安全風險控制措施，落實了各個崗位風險控制責任，這對深水水合物鉆采提供了技術支持。

1 鉆井風險分析基礎

1.1 鉆井平臺概況

2020 年，我國借助“Bluewhale II”半潛式鉆井平臺進行了為期30天的天然氣水合物第二輪試采（試驗性試采）[16]，試采累計產氣總量為86.14×104m3，日均產氣2.87×104m3，創造了產氣總量、日均產氣量兩項世界紀錄[16]。“Bluewhale II”平臺主要由上部平臺、下浮體和中間立柱三部分組成，具有自航、定位、鉆井功能，該平臺關鍵系統與設備可如表1 所示。“Bluewhale II”平臺鉆井工程設計采用降壓試采方式，主要工序是采用低密度泥漿鉆井以減小井底壓力。

1.2 危險源與鉆井風險

鉆井風險是鉆井過程中危險源可能導致損失及其他不利影響可能性和后果的綜合表征，其與某個危險源和特定事件相聯系，鉆井風險大小常由危險源的失效可能性（概率表示）和危險源失效后的影響后果（嚴重度表示）所構成。鉆井過程中危險源分類是制定和實現鉆井風險分析目標的前提。該文基于《生產過程危險和有害因素分類與代碼》《生產安全事故報告和調查處理條例》，將鉆井過程中危險源所屬鉆井風險類型劃分為人的不安全行為、物的不安全狀態、環境因素以及管理缺陷四類，把危險源的風險值劃分為Ⅰ級可接受風險、Ⅱ級中度風險、Ⅲ級高度風險、Ⅳ級嚴重風險四大類，其中特別重大風險、重大風險及中等風險是需要重點考慮的對象。

2 鉆井風險辨識及評估

2.1 風險辨識及評估方法

鉆井風險分析的第一步是對鉆井過程中的所有危險源進行辨識。基于水合物鉆井作業工序特點，利用頭腦風暴法、作業風險評估（TRA）、危險源識別分析（HAZID）等方法對鉆井工藝、關鍵設備進行風險辨識。鉆井風險評價分為定性評價、定量評價兩類方法，根據“Bluewhale II”平臺的實際鉆進工況并保證評價的簡便快捷、強可操作性，選取風險矩陣法實現鉆井風險的定量評估，它根據危險源導致事故發生的可能性與造成后果嚴重度的乘積得出風險值，依據風險矩陣圖對風險劃分等級以衡量風險大小，具體見表2。

表2 風險辨識與風險評估方法

2.2 鉆井及關鍵設備風險分析與評估

通過普查水合物鉆井工藝及平臺運行的關鍵設備，共識別關鍵作業點86個，辨識出危險源1 724個，其中人的方面1 081個、設備方面373個，環境方面259個，管理方面11個。由于鉆井作業工藝紛繁復雜，該文以“Bluewhale II”平臺航行過程為例對風險辨識、風險評估及風險控制措施進行說明，借助專家打分及風險矩陣，各鉆井危害源的風險等級及風險控制措施實施后鉆井危害源的風險等級被給出（見表3），最終形成深水水合物鉆井作業風險數據庫和設備風險數據庫。

表3 航行工序下危險源的風險辨識及評估情況

3 結論

（1）“Bluewhale II”平臺鉆井關鍵系統主要有提升與旋轉系統、升沉補償系統、液壓系統、循環系統、吹灰系統、固井系統、井控系統、動力系統、電氣系統、航行與錨泊系統、動力定位系統、壓載系統。鉆井作業劃分為拖航/自航、就位、鉆前準備、起下鉆、起下防噴器/隔水管、鉆進、下套管、固井、棄井、打撈等工序。

（2）鉆井風險大小常由危險源的失效可能性（概率表示）和危險源失效后的影響后果（嚴重度表示）所構成。鉆井過程中危險源所屬鉆井風險類型可劃分為人的不安全行為、物的不安全狀態、環境因素以及管理缺陷四類，根據風險值大小，危險源可劃分為Ⅰ級可接受風險、Ⅱ級中度風險、Ⅲ級高度風險、Ⅳ級嚴重風險四大類。

（3）采用頭腦風暴法、作業風險評估、危險源識別分析等方法對鉆井工藝、關鍵設備進行風險辨識，選取風險矩陣法進行鉆井風險的定量評估，從風險預防措施和應急控制措施兩方面提出了相應風險控制措施。

（4）水合物鉆井工藝及平臺關鍵設備共辨識出危險源1 724 個，其中人的方面1 081 個、設備方面373個，環境方面259 個，管理方面11 個，風險預防措施實施后共消除風險491 條，應急控制措施實施后共降低風險537 條，形成了深水水合物鉆井作業風險數據庫和設備風險數據庫。