定量安全风险评价技术在钻井过程中的应用

彭英伟

摘 要：海上钻井过程工序复杂，工具众多，介质危险，人员密集，一旦发生事故其后果影响十分恶劣，不仅会破坏企业形象，严重时会对国家形象造成负面影响，因此有必要对其进行全面的分析。该文根据对海上钻井作业的风险辨识，利用bow-tie理论全面展示海上钻井井喷事故发展过程和导致的后果，采用模糊综合分析法、模糊层次分析法定量分析事故的概率和后果，并结合风险矩阵，评价其风险等级。

关键词：海上钻井 井喷 定量风险分析 模糊化 bow-tie理论

中图分类号：X937 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0051-03

随着海洋石油工业的发展，海上油气产业迅速发展，但是生产过程及其所处的海洋环境的复杂性导致事故发生的可能性较大。尤其是在海上钻井作业中，工序繁杂，工具众多，介质危险，人员密集，整个生产过程面临诸多危险因素。定量风险评价技术（Quantified risk assessment）是一种能给风险赋值的评估方法，它提供统一的风险标准，并将风险值与风险基准比较，通过比较结果判断风险可接受程度，并提出消减措施，有利于管理层进行决策。

1 定量风险评价技术研究现状

定量风险评价技术提出于40多年前，至今应用已达20多年，在近10年内得到了快速发展。目前在发达国家应用重视程度高，受到权威部门的广泛认可，在发展中国家也得到了长足的发展。

对评价对象的认识程度决定了定量风险分析的全面性和可靠性，在充分熟悉对象的基础上，结合实际经验，辨识其风险因素。风险因素识别出后，根据数据库或者邀请权威专家赋值确定其发生概率和后果，风险的大小即事件发生概率与可能导致的后果的结合。把得出的风险值与风险定量标准作比较，根据ALARP原则，确定其是否可以被接受，如果不被接受，提出应该采取的措施，降低风险至可接受范围之内。ALARP原则的意义是：任何工业活动都具有风险，不可能通过预防措施来彻底消除风险；而且，当系统的风险水平越低时，要进一步降低就越困难，其成本往往呈指数曲线上升。因此，必须在系统的风险水平和成本之间做出折中。

2 定量风险评价技术在钻井过程中的应用

不论是海上钻井还是陆地钻井，井喷是发生概率较高而且后果危害巨大的事故，严重的案例例如12.23开县井喷事故，墨西哥湾BP“深水地平线”井喷事故等。而且，鉴于环境影响的全局性，海上油气田发生井喷事故后，其负面影响比陆上更加恶劣。因此，本文选取顶级事件为井喷事故，建立海上井喷bow-tie模型，定量计算基本事件的概率值和后果的评分，结合常用的风险矩阵，帮助作业者了解井喷发生过程和预防、控制措施，对于实际生产过程有重要的指导意义。

2.1 基本事件概率分析

利用模糊综合评分法计算基本事件的发生概率，首先需要建立恰当的隶属度函数，对收集到的概率描述转化为模糊数。常用的隶属度函数有三角形模糊函数和梯形模糊函数。

（1）模糊化

本文将概率划分为5个等级，其对应的表示符号、定性表达方式、定量表达方式和模糊数如表1。

对于能在相关数据库查询得到的基本事件概率，可以根据表1将确定的概率值转化为模糊数。例如基本事件X1，X2，X8，X9，可从文献中查得。根据表中的定量分级，转化为对应的模糊数。对于不能通过数据库得到时，需要遵从专家学者的意见。赋予每位专家合适的权重，并且要求专家对于同一基本事件赋予等级。

（2）概率计算

本文应用改进的处理专家意见的运算法则计算基本事件的概率。

①确定专家的权重，本文采用层次分析计算，结果得出四位专家的权重，，，：。

②计算任意两位专家对同一事件的赋值的相似度。

对于不能从相关文献中查询得到的基本事件：X3，X4，X5，X6，X7进行专家评分，专家意见结果如表2。

应用公式（1）-（6）计算出井漏、高速起钻抽吸、地层高压、气侵、泥浆密度低、钻遇浅层气、钻井液选用不合理、环空静夜柱压力降低、空井时间长、放喷系统失效、操作、指挥错误、IBOP失效、BOP组失效、压井系统失效的发生概率。通过对bow-tie图事故树部分的计算，得到最下割集见表3，共27个最小割集。

通过最小割集计算顶上事件发生的概率为5.97×10-4，概率等级为2。

2.2 后果分析

考虑海洋流体的流动性，海上钻井过程中出现井喷事故，除了造成对本国的社会影响和企业本身的影响外，还涉及对邻国的影响。因此，将海上钻井井喷事故的后果分为两个层次，第一层：社会影响，企业影响，国外影响。第二层：人身伤害，环境破坏，经济损失。

采用推荐的模糊层次分析法（FAHP）分析其后果因素权重，得出社会影响的权重为0.5，企业影响的权重为0.17，国外影响的权重为0.33。

对社会影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.5，环境破坏权重为0.33，经济损失权重为0.17。

对企业影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.5，环境破坏权重为0.17，经济损失权重为0.33；

对国外影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.33，环境破坏权重为0.5，经济损失权重为0.17。

根据单准则下的权重计算总权重，总权重是指所有基本事件对最上层目标层的相对重要度。

代表专家对人员伤害的评分，代表专家对环境破坏的评分，代表专家对经济损失的评分。在此根据模糊综合评分法计算专家评分，分别为4.8963，5.3372，4.1862，得到的井喷后果的综合评分为4.9145。井喷后果等级包括5个等级，即1，2，3，4，5，如表4。因此井喷后果等级为3级。

2.3 风险分析

风险矩阵同时综合了事故概率和后果，是风险分析中的良好表示方式，被广泛的应用于风险评价。

风险等级划分为4个区域，如表6。

根据文中的井喷概率和后果分析，与风险矩阵对比得到井喷事故发生的风险等级为Ⅱ级，有在特殊情况下会发生的风险。根据ALARP原则，此风险是可接受的，但是必须采取必要的措施降因此，必须采取必要的措施降低风险到风险忽略区域。

3 结语

（1）本文辨识了海上钻井作业中的人员操作，设备安全，管理制度和作业环境中的风险，具体列出了各个环节的风险因素。

（2）通过比较常用的定量风险分析方法，认为模糊化是如今风险分析中的主流方法，有利于提高计算结果和过程的精确性，而bow-tie模型是全面展示事故发展过程和导致后果的方法，本文将两种方法结合使用。

（3）结合海上钻井的特点，吸取福岛核电站爆炸泄漏事故和“深水地平线”事故的教训，在后果分析中加入事故的国外影响，全面分析事故后果。

（4）建立了海上钻井井喷事故的bow-tie模型，对事故进行了定量分析，结合模糊层次分析法和模糊综合分析法计算事件发生概率和后果。

参考文献

[1] 罗桦槟，张世英.海洋平台定量风险评估[J].管理工程学报，1999（1）：56-62.

[2] 张琳，李长俊，苏欣，等.模糊层次分析法确定管线风险因素权重[J].石油机械，2006，34（6）：43-45

[3] 胡显伟，段梦兰，管耀华.基于模糊Bow_tie模型的深水海底管道定量风险评价研究[J].中国安全科学学报，2012，22（3）：128-132.

[4] 刘刚，金业权.钻井井控风险分析与控制[M].北京：石油工业出版社，2011.

[5] 董海波，顾学康.基于模糊故障树方法的钻井平台井喷概率计算[J].中国造船，2013，54（1）：155-163.endprint

摘 要：海上钻井过程工序复杂，工具众多，介质危险，人员密集，一旦发生事故其后果影响十分恶劣，不仅会破坏企业形象，严重时会对国家形象造成负面影响，因此有必要对其进行全面的分析。该文根据对海上钻井作业的风险辨识，利用bow-tie理论全面展示海上钻井井喷事故发展过程和导致的后果，采用模糊综合分析法、模糊层次分析法定量分析事故的概率和后果，并结合风险矩阵，评价其风险等级。

关键词：海上钻井 井喷 定量风险分析 模糊化 bow-tie理论

中图分类号：X937 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0051-03

随着海洋石油工业的发展，海上油气产业迅速发展，但是生产过程及其所处的海洋环境的复杂性导致事故发生的可能性较大。尤其是在海上钻井作业中，工序繁杂，工具众多，介质危险，人员密集，整个生产过程面临诸多危险因素。定量风险评价技术（Quantified risk assessment）是一种能给风险赋值的评估方法，它提供统一的风险标准，并将风险值与风险基准比较，通过比较结果判断风险可接受程度，并提出消减措施，有利于管理层进行决策。

1 定量风险评价技术研究现状

定量风险评价技术提出于40多年前，至今应用已达20多年，在近10年内得到了快速发展。目前在发达国家应用重视程度高，受到权威部门的广泛认可，在发展中国家也得到了长足的发展。

对评价对象的认识程度决定了定量风险分析的全面性和可靠性，在充分熟悉对象的基础上，结合实际经验，辨识其风险因素。风险因素识别出后，根据数据库或者邀请权威专家赋值确定其发生概率和后果，风险的大小即事件发生概率与可能导致的后果的结合。把得出的风险值与风险定量标准作比较，根据ALARP原则，确定其是否可以被接受，如果不被接受，提出应该采取的措施，降低风险至可接受范围之内。ALARP原则的意义是：任何工业活动都具有风险，不可能通过预防措施来彻底消除风险；而且，当系统的风险水平越低时，要进一步降低就越困难，其成本往往呈指数曲线上升。因此，必须在系统的风险水平和成本之间做出折中。

2 定量风险评价技术在钻井过程中的应用

不论是海上钻井还是陆地钻井，井喷是发生概率较高而且后果危害巨大的事故，严重的案例例如12.23开县井喷事故，墨西哥湾BP“深水地平线”井喷事故等。而且，鉴于环境影响的全局性，海上油气田发生井喷事故后，其负面影响比陆上更加恶劣。因此，本文选取顶级事件为井喷事故，建立海上井喷bow-tie模型，定量计算基本事件的概率值和后果的评分，结合常用的风险矩阵，帮助作业者了解井喷发生过程和预防、控制措施，对于实际生产过程有重要的指导意义。

2.1 基本事件概率分析

利用模糊综合评分法计算基本事件的发生概率，首先需要建立恰当的隶属度函数，对收集到的概率描述转化为模糊数。常用的隶属度函数有三角形模糊函数和梯形模糊函数。

（1）模糊化

本文将概率划分为5个等级，其对应的表示符号、定性表达方式、定量表达方式和模糊数如表1。

对于能在相关数据库查询得到的基本事件概率，可以根据表1将确定的概率值转化为模糊数。例如基本事件X1，X2，X8，X9，可从文献中查得。根据表中的定量分级，转化为对应的模糊数。对于不能通过数据库得到时，需要遵从专家学者的意见。赋予每位专家合适的权重，并且要求专家对于同一基本事件赋予等级。

（2）概率计算

本文应用改进的处理专家意见的运算法则计算基本事件的概率。

①确定专家的权重，本文采用层次分析计算，结果得出四位专家的权重，，，：。

②计算任意两位专家对同一事件的赋值的相似度。

对于不能从相关文献中查询得到的基本事件：X3，X4，X5，X6，X7进行专家评分，专家意见结果如表2。

应用公式（1）-（6）计算出井漏、高速起钻抽吸、地层高压、气侵、泥浆密度低、钻遇浅层气、钻井液选用不合理、环空静夜柱压力降低、空井时间长、放喷系统失效、操作、指挥错误、IBOP失效、BOP组失效、压井系统失效的发生概率。通过对bow-tie图事故树部分的计算，得到最下割集见表3，共27个最小割集。

通过最小割集计算顶上事件发生的概率为5.97×10-4，概率等级为2。

2.2 后果分析

考虑海洋流体的流动性，海上钻井过程中出现井喷事故，除了造成对本国的社会影响和企业本身的影响外，还涉及对邻国的影响。因此，将海上钻井井喷事故的后果分为两个层次，第一层：社会影响，企业影响，国外影响。第二层：人身伤害，环境破坏，经济损失。

采用推荐的模糊层次分析法（FAHP）分析其后果因素权重，得出社会影响的权重为0.5，企业影响的权重为0.17，国外影响的权重为0.33。

对社会影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.5，环境破坏权重为0.33，经济损失权重为0.17。

对企业影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.5，环境破坏权重为0.17，经济损失权重为0.33；

对国外影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.33，环境破坏权重为0.5，经济损失权重为0.17。

根据单准则下的权重计算总权重，总权重是指所有基本事件对最上层目标层的相对重要度。

代表专家对人员伤害的评分，代表专家对环境破坏的评分，代表专家对经济损失的评分。在此根据模糊综合评分法计算专家评分，分别为4.8963，5.3372，4.1862，得到的井喷后果的综合评分为4.9145。井喷后果等级包括5个等级，即1，2，3，4，5，如表4。因此井喷后果等级为3级。

2.3 风险分析

风险矩阵同时综合了事故概率和后果，是风险分析中的良好表示方式，被广泛的应用于风险评价。

风险等级划分为4个区域，如表6。

根据文中的井喷概率和后果分析，与风险矩阵对比得到井喷事故发生的风险等级为Ⅱ级，有在特殊情况下会发生的风险。根据ALARP原则，此风险是可接受的，但是必须采取必要的措施降因此，必须采取必要的措施降低风险到风险忽略区域。

3 结语

（1）本文辨识了海上钻井作业中的人员操作，设备安全，管理制度和作业环境中的风险，具体列出了各个环节的风险因素。

（2）通过比较常用的定量风险分析方法，认为模糊化是如今风险分析中的主流方法，有利于提高计算结果和过程的精确性，而bow-tie模型是全面展示事故发展过程和导致后果的方法，本文将两种方法结合使用。

（3）结合海上钻井的特点，吸取福岛核电站爆炸泄漏事故和“深水地平线”事故的教训，在后果分析中加入事故的国外影响，全面分析事故后果。

（4）建立了海上钻井井喷事故的bow-tie模型，对事故进行了定量分析，结合模糊层次分析法和模糊综合分析法计算事件发生概率和后果。

参考文献

[1] 罗桦槟，张世英.海洋平台定量风险评估[J].管理工程学报，1999（1）：56-62.

[2] 张琳，李长俊，苏欣，等.模糊层次分析法确定管线风险因素权重[J].石油机械，2006，34（6）：43-45

[3] 胡显伟，段梦兰，管耀华.基于模糊Bow_tie模型的深水海底管道定量风险评价研究[J].中国安全科学学报，2012，22（3）：128-132.

[4] 刘刚，金业权.钻井井控风险分析与控制[M].北京：石油工业出版社，2011.

[5] 董海波，顾学康.基于模糊故障树方法的钻井平台井喷概率计算[J].中国造船，2013，54（1）：155-163.endprint

摘 要：海上钻井过程工序复杂，工具众多，介质危险，人员密集，一旦发生事故其后果影响十分恶劣，不仅会破坏企业形象，严重时会对国家形象造成负面影响，因此有必要对其进行全面的分析。该文根据对海上钻井作业的风险辨识，利用bow-tie理论全面展示海上钻井井喷事故发展过程和导致的后果，采用模糊综合分析法、模糊层次分析法定量分析事故的概率和后果，并结合风险矩阵，评价其风险等级。

关键词：海上钻井 井喷 定量风险分析 模糊化 bow-tie理论

中图分类号：X937 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0051-03

随着海洋石油工业的发展，海上油气产业迅速发展，但是生产过程及其所处的海洋环境的复杂性导致事故发生的可能性较大。尤其是在海上钻井作业中，工序繁杂，工具众多，介质危险，人员密集，整个生产过程面临诸多危险因素。定量风险评价技术（Quantified risk assessment）是一种能给风险赋值的评估方法，它提供统一的风险标准，并将风险值与风险基准比较，通过比较结果判断风险可接受程度，并提出消减措施，有利于管理层进行决策。

1 定量风险评价技术研究现状

定量风险评价技术提出于40多年前，至今应用已达20多年，在近10年内得到了快速发展。目前在发达国家应用重视程度高，受到权威部门的广泛认可，在发展中国家也得到了长足的发展。

对评价对象的认识程度决定了定量风险分析的全面性和可靠性，在充分熟悉对象的基础上，结合实际经验，辨识其风险因素。风险因素识别出后，根据数据库或者邀请权威专家赋值确定其发生概率和后果，风险的大小即事件发生概率与可能导致的后果的结合。把得出的风险值与风险定量标准作比较，根据ALARP原则，确定其是否可以被接受，如果不被接受，提出应该采取的措施，降低风险至可接受范围之内。ALARP原则的意义是：任何工业活动都具有风险，不可能通过预防措施来彻底消除风险；而且，当系统的风险水平越低时，要进一步降低就越困难，其成本往往呈指数曲线上升。因此，必须在系统的风险水平和成本之间做出折中。

2 定量风险评价技术在钻井过程中的应用

不论是海上钻井还是陆地钻井，井喷是发生概率较高而且后果危害巨大的事故，严重的案例例如12.23开县井喷事故，墨西哥湾BP“深水地平线”井喷事故等。而且，鉴于环境影响的全局性，海上油气田发生井喷事故后，其负面影响比陆上更加恶劣。因此，本文选取顶级事件为井喷事故，建立海上井喷bow-tie模型，定量计算基本事件的概率值和后果的评分，结合常用的风险矩阵，帮助作业者了解井喷发生过程和预防、控制措施，对于实际生产过程有重要的指导意义。

2.1 基本事件概率分析

利用模糊综合评分法计算基本事件的发生概率，首先需要建立恰当的隶属度函数，对收集到的概率描述转化为模糊数。常用的隶属度函数有三角形模糊函数和梯形模糊函数。

（1）模糊化

本文将概率划分为5个等级，其对应的表示符号、定性表达方式、定量表达方式和模糊数如表1。

对于能在相关数据库查询得到的基本事件概率，可以根据表1将确定的概率值转化为模糊数。例如基本事件X1，X2，X8，X9，可从文献中查得。根据表中的定量分级，转化为对应的模糊数。对于不能通过数据库得到时，需要遵从专家学者的意见。赋予每位专家合适的权重，并且要求专家对于同一基本事件赋予等级。

（2）概率计算

本文应用改进的处理专家意见的运算法则计算基本事件的概率。

①确定专家的权重，本文采用层次分析计算，结果得出四位专家的权重，，，：。

②计算任意两位专家对同一事件的赋值的相似度。

对于不能从相关文献中查询得到的基本事件：X3，X4，X5，X6，X7进行专家评分，专家意见结果如表2。

应用公式（1）-（6）计算出井漏、高速起钻抽吸、地层高压、气侵、泥浆密度低、钻遇浅层气、钻井液选用不合理、环空静夜柱压力降低、空井时间长、放喷系统失效、操作、指挥错误、IBOP失效、BOP组失效、压井系统失效的发生概率。通过对bow-tie图事故树部分的计算，得到最下割集见表3，共27个最小割集。

通过最小割集计算顶上事件发生的概率为5.97×10-4，概率等级为2。

2.2 后果分析

考虑海洋流体的流动性，海上钻井过程中出现井喷事故，除了造成对本国的社会影响和企业本身的影响外，还涉及对邻国的影响。因此，将海上钻井井喷事故的后果分为两个层次，第一层：社会影响，企业影响，国外影响。第二层：人身伤害，环境破坏，经济损失。

采用推荐的模糊层次分析法（FAHP）分析其后果因素权重，得出社会影响的权重为0.5，企业影响的权重为0.17，国外影响的权重为0.33。

对社会影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.5，环境破坏权重为0.33，经济损失权重为0.17。

对企业影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.5，环境破坏权重为0.17，经济损失权重为0.33；

对国外影响的第二层，人员伤害、环境破坏和经济损失的权重计算结果为：

，即人身伤害权重为0.33，环境破坏权重为0.5，经济损失权重为0.17。

根据单准则下的权重计算总权重，总权重是指所有基本事件对最上层目标层的相对重要度。

代表专家对人员伤害的评分，代表专家对环境破坏的评分，代表专家对经济损失的评分。在此根据模糊综合评分法计算专家评分，分别为4.8963，5.3372，4.1862，得到的井喷后果的综合评分为4.9145。井喷后果等级包括5个等级，即1，2，3，4，5，如表4。因此井喷后果等级为3级。

2.3 风险分析

风险矩阵同时综合了事故概率和后果，是风险分析中的良好表示方式，被广泛的应用于风险评价。

风险等级划分为4个区域，如表6。

根据文中的井喷概率和后果分析，与风险矩阵对比得到井喷事故发生的风险等级为Ⅱ级，有在特殊情况下会发生的风险。根据ALARP原则，此风险是可接受的，但是必须采取必要的措施降因此，必须采取必要的措施降低风险到风险忽略区域。

3 结语

（1）本文辨识了海上钻井作业中的人员操作，设备安全，管理制度和作业环境中的风险，具体列出了各个环节的风险因素。

（2）通过比较常用的定量风险分析方法，认为模糊化是如今风险分析中的主流方法，有利于提高计算结果和过程的精确性，而bow-tie模型是全面展示事故发展过程和导致后果的方法，本文将两种方法结合使用。

（3）结合海上钻井的特点，吸取福岛核电站爆炸泄漏事故和“深水地平线”事故的教训，在后果分析中加入事故的国外影响，全面分析事故后果。

（4）建立了海上钻井井喷事故的bow-tie模型，对事故进行了定量分析，结合模糊层次分析法和模糊综合分析法计算事件发生概率和后果。

参考文献

[1] 罗桦槟，张世英.海洋平台定量风险评估[J].管理工程学报，1999（1）：56-62.

[2] 张琳，李长俊，苏欣，等.模糊层次分析法确定管线风险因素权重[J].石油机械，2006，34（6）：43-45

[3] 胡显伟，段梦兰，管耀华.基于模糊Bow_tie模型的深水海底管道定量风险评价研究[J].中国安全科学学报，2012，22（3）：128-132.

[4] 刘刚，金业权.钻井井控风险分析与控制[M].北京：石油工业出版社，2011.

[5] 董海波，顾学康.基于模糊故障树方法的钻井平台井喷概率计算[J].中国造船，2013，54（1）：155-163.endprint