深水钻井隔水管紧急解脱失效动态风险分析*

吴翔飞，畅元江，陈国明，刘秀全，张长帅

(中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580)

0 引言

2010年4月20日发生的深水地平线事故，是目前为止最大的海洋灾难之一。经过后期调查，事故部分原因是防喷器(Blow Out Preventer, BOP)和钻井隔水管紧急解脱系统的失效。在动力定位的钻井平台上进行钻井操作时，因风、海浪和海流导致钻井平台发生偏移。当平台偏移量达到极限时，为避免钻井隔水管系统和井口的严重损害，需要进行钻井隔水管和井口之间的紧急解脱。钻井隔水管紧急解脱失效虽然罕见，但是一旦发生，很可能导致井喷。这是海洋钻井和石油开采中最为严重的后果之一，严重威胁着人类的生命、环境和财产安全。

目前，国内外学者围绕隔水管和井口已经开展了一些研究。畅元江等[1]对深水钻井隔水管进行准静态分析时，提出了搜索波浪最大相位角的最大Mises应力准则，并开发了隔水管准静态分析系统；刘秀全等[2]提出了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限分析方法，通过案例分析表明随着海流流速的增大或水深的减小，深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限减小，应尽早准备和启动隔水管系统底部脱离；张磊等[3]分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程，指出应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力，以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全；Cai等[4]使用动态贝叶斯网络模型，对水下井口防喷器系统的可靠性进行了分析;Grønevik[5]使用SIMA/RIFLEX软件针对隔水管解脱回弹响应进行了模拟分析；Lang等[6]初步探讨了利用有限元软件进行隔水管回弹响应分析方法，指出在钻井船升沉运动的不同时刻进行紧急脱离隔水管回弹响应有很大不同。上述研究多以从力学角度对深水钻井隔水管解脱进行分析，缺乏从风险角度的安全评价。风险分析是制定事故预防策略的有效工具[7]，目前常用的安全评价分析方法有模糊事故树分析法(Fuzzy Fault Tree Analysis，FFTA)、事件树分析法(Event Tree Analysis，ETA)、Bow-tie分析法、故障模式影响与危害性分析法 (Failure Mode Effects and Criticality Analysis，FMECA)和贝叶斯网络分析法等。贝叶斯网络自身的推理能力，能够解决问题的不确定性，是1种较前沿的定量风险分析方法，且已被广泛应用于海洋油气开采风险评价。

鉴于此，笔者针对深水钻井隔水管紧急解脱作业提出了1种风险评估方法，将模糊事故树(Fuzzy Fault Tree，FFT)和事件序列图 (Event Sequence Diagram，ESD)2种方法相结合，通过建立FFT-ESD模型，呈现隔水管紧急解脱失效事故场景和事故演化过程，并将FFT-ESD模型映射成贝叶斯网络(Bayesian Network，BN)模型，识别重要基本事件，分析隔水管紧急解脱失效最可能的后果，预测和评估隔水管紧急解脱失效动态概率，为钻井隔水管紧急解脱操作安全可靠运行和失效风险控制提供支撑。

1 隔水管紧急解脱失效安全评价方法

1.1 FFT-ESD

FFT是安全系统工程的重要分析方法之一，主要用于预测复杂系统的可靠性、安全性。该方法运用逻辑推理对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在危险因素。模糊事故树分析是事故树分析的拓展，将事故树与模糊集理论相结合，更好地处理了复杂系统的不确定性[8]。

ESD是1种可视化相关事件序列的图形方法。ESD作为1种有效的风险评估方法，在许多领域得到了广泛的应用。吴启明[9]建立了1个始发事件为电源故障的宇宙飞船冷却回路驱动泵的ESD模型，并对相关事故进行了分析；Zhou等[10]应用ESD方法评估在火灾引起的多米诺效应中的应急响应行为。为了有效的评估隔水管紧急解脱失效概率，ESD被定义成四元组。

ESD=(E，C，G，P)

(1)

式中：E为事件，在ESD框架中，所有可观测的物理现象都可以表示为事件；C为条件，根据条件是否满足，系统的事故场景将向着不同的方向发展；G为门，门可以分为与门和或门，是用来对“单个输入多个输出”或者“多个输入单个输出”；P为过程变量，它是由影响系统的时间和物理过程变量组成的。

将FFT和ESD相结合，建立FFT-ESD模型，可更加直观地展示隔水管紧急解脱失效事故发生的过程和演化后果。

1.2 BN

BN是1种广泛应用于风险分析和故障诊断的图形推理方法。由于其具有灵活的结构和概率推理能力，能够较好地处理大型系统中的不确定问题。它由节点、弧和反映随机变量相互依赖关系的条件概率表组成。根据专家意见和历史数据确定基本事件的先验概率，并对先兆数据发生次数进行统计，形成对应的似然函数，然后根据贝叶斯理论对基本事件的先验失效概率进行更新，得到其后验失效概率分布[11]。BN模型的建立过程一般包括以下几步：①确定网络节点与节点先验概率值；②确定网络拓扑结构；③确定节点之间的条件概率表。

2 紧急解脱失效分析

2.1 紧急解脱原因

2.1.1 漂移

目前，深水钻井平台大多采用动力定位的方式。这种定位具有机动性强，动力复原时间短及钻井作业效率高等优势，但是这种高度自动化的系统存在失效的风险。钻井平台完全失去动力控制，平台将在风、浪、流等环境载荷作用下偏离原始位置，即所谓的平台漂移现象。在漂移的过程中，会对连接在平台上的隔水管-水下井口系统的载荷产生影响。为了避免井口和隔水管接头发生破坏，隔水管必须实行紧急解脱。一旦井口的完整性被破坏，将会导致井喷的危险。根据现有的文献，平台发生漂移的概率为0.002次/a。

2.1.2 台风

南中国海海域是热带气旋的频发区，每年7～11月为台风期，近年来台风形成的频率呈增加的趋势，严重影响了深水钻井完井的效率和安全。在台风来临之前，平台将停止钻井工作，从BOP上解脱隔水管，由于回收隔水管需要较长时间，多数情况下，平台悬挂隔水管并航行至安全海域。但是，如果台风等级或者发展速度都大于预期，则需要1个备用的紧急解脱方案来确保钻井隔水管和井口的安全[12]。

2.1.3 内波

内波是指海洋密度跃层中非线性振幅波。大量的观测数据表明，内波在南海发生的频率较大，已成为海洋装备设计中必须考虑的1种环境影响因素。在内波作用下，钻井平台发生偏移后，将使平台超出隔水管或其他管柱正常作业窗口，导致隔水管及其他管柱发生破坏，同时对井口的稳定性产生重大影响。2014年4月6日，当南海8号钻井平台在中国南海流花油田正常钻井时，遭遇内波袭扰47次，最为严重的一次将该平台从原来的位置推离了137 m，几乎达到了红色预警的偏移量。累计影响作业时间186 h，按照当时钻井平台的日费用计算，7.75 d直接由于钻井平台日租金费用的经济损失就达约280万美元。

2.2 紧急解脱失效诱因分析

经过事故调查和相关文献研究，对影响因素进一步分析研究，将隔水管紧急解脱失效的影响因素分为6类：人为管理因素、设计因素、操作因素、解脱因素、装备因素和控制因素。

1)人为管理因素。任何有人参与的活动，人为差错不可避免。在个人层面，人的专业知识，技能水平，注意力以及工作带来的压力都会对人为差错发生的可能性造成影响。在组织管理层面，企业安全文化、培训标准和生产流程潜在影响着人员的安全操作。

2)设计因素。隔水管、井口和导管的设计将会影响隔水管紧急解脱失效发生。伸缩节的极限长度是深水钻井隔水管偏移的限制因素，故系统需要在冲程中配置伸缩节[13]。隔水管上下部挠性接头极限转角的设计影响平台的黄色报警偏移量，高压井口和低压井口的弯曲能力的设计影响平台红色报警偏移量。一旦平台达到相应的偏移量时，隔水管必须紧急解脱。

3)操作因素。隔水管紧急解脱成功需要有效的过提力，让底部隔水管总成与防喷器脱离。浅水，中深水，深水和超深水的最小过提力分别为444.8，889.6和1 334.4 kN[14]。此外，由于在安装LMRP/BOP之前，表层套管必须进行固井，所以在环形空间中，水泥的固井质量和水泥返高都会影响井口和导管的力学性能。由于隔水管长期的服役，在连接器附近可能形成天然气水合物，腐蚀也将会导致接头与井口粘结。

4)解脱因素。在不合理的时刻进行解脱将会直接导致解脱失效。在选择合理的时刻进行解脱时，应考虑解脱的海况是否正常，比如风、浪、流和内波带来的影响。

5)装备因素。包括张紧器、伸缩节和平台的定位能力。

6)控制因素。主要包括电控系统和液控系统，液控系统主要有：泵、阀、蓄能器、液体储罐和混合设备；电控系统主要有：中央控制单元 (Central Control Unit，CCU)、水下电子模块 (Subsea Electronics Module，SEM)、传输信号的脐带缆连接器和脐带缆终端。

3 案例分析

3.1 隔水管紧急解脱失效模型研究

3.1.1 建立BN模型

选取南海8号钻井平台的深水钻井隔水管进行紧急解脱失效风险评价。通过风险因素和失效后果的识别，建立FFT-ESD模型，并根据映射法则，将其转换成BN模型，如图1所示。模型中事故树主要由人为因素、设计因素、操作因素、解脱因素、装备因素和控制因素组成，按事故发展过程得到井喷、隔水管沉入海底、同船一起安全撤离3种后果。

3.1.2 隔水管紧急解脱失效概率分析

由于系统的不确定和复杂性，很难从历史数据中获得基本事件的先验概率和不同因素之间的条件概率。目前，专家判断打分和模糊集理论相结合的方法能够较好地解决此类问题。共邀请了5位专家进行打分，专家权重跟自身信息密切相关，1号专家和2号专家熟知人为和装备因素，3号专家熟知解脱和控制因素，故在相关事件的判断中占有较大的比重。由于5位专家都熟悉钻井隔水管系统，条件概率表将被统一讨论决定。

将所有的基本事件发生概率分为5个等级，即非常低、低、中等、高和非常高。对于所有的基本事件，专家需要对应做出判断。根据模糊集理论将定性的失效可能性等级转化为定量的基本事件发生的先验概率，如表1所示。通过GeNIe软件计算得隔水管紧急解脱失效的概率为7.57×10-2，井喷、隔水管沉入海底、同船一起安全撤离3种后果的概率分别为1.95×10-3，3.90×10-2和3.10×10-2。井喷相比其他2种后果发生的概率要低很多。

图1 深水钻井隔水管紧急解脱失效贝叶斯网络模型Fig.1 BN model for emergence disconnect of deepwater drilling riser

编号基本事件名称先验概率后验概率编号基本事件名称先验概率后验概率X1公司安全文化差7.45×10-58.76×10-4X21腐蚀导致接头与井口粘结3.07×10-42.64×10-3X2公司培训标准低5.07×10-45.96×10-3X22不合理的解脱时刻1.89×10-21.99×10-1X3作业流程不规范4.12×10-44.85×10-3X23强风8.10×10-38.10×10-3X4个人知识和技能差5.32×10-46.26×10-3X24大浪7.92×10-37.92×10-3X5注意力不集中4.09×10-44.81×10-3X25高流速海流8.35×10-38.35×10-3X6工作压力大5.07×10-45.96×10-3X26内波8.55×10-39.03×10-2X7上部挠性接头极限转角不足6.32×10-56.67×10-4X27台风2.30×10-22.43×10-1X8下部挠性接头极限转角不足7.43×10-57.85×10-4X28土台风8.29×10-38.75×10-2X9伸缩节设计未配置冲程5.18×10-45.47×10-3X29张紧器极限冲程不足5.07×10-45.35×10-3X10高压井口抗弯能力不足7.28×10-57.69×10-4X30伸缩节极限冲程不足5.06×10-45.34×10-3X11低压井口抗弯能力不足6.83×10-57.21×10-4X31定位能力不足4.52×10-44.75×10-3X12制造缺陷9.40×10-59.93×10-4X32操作面板失效1.46×10-41.45×10-3X13不合理的几何参数7.88×10-58.32×10-4X33BOP水下蓄能器泄漏9.88×10-49.84×10-3X14材料屈服强度不足7.68×10-58.11×10-4X34连接器解锁激发模块失效9.55×10-49.51×10-3X15过提力不足1.32×10-21.13×10-1X35由于泄漏或腐蚀连接器中活塞解锁压力高4.52×10-34.50×10-2X16出泥高度过大8.90×10-45.61×10-3X36信号传输失效5.07×10-45.05×10-3X17井口倾角大1.32×10-29.32×10-2X37脐带缆终端失效5.33×10-45.31×10-3X18水泥质量差9.54×10-58.20×10-4X38双备份SEM失效7.45×10-57.42×10-4X19水泥反高不够8.33×10-57.16×10-4X39三备份PLC失效7.45×10-57.42×10-4X20形成天然气混合物8.96×10-37.70×10-2X40软件失效5.07×10-45.05×10-3

3.1.3 重要基本事件分析

BN网络除了灵活的结构和强大的推理功能之外，主要应用是风险因素的更新。通过给顶事件的后验概率1个新的证据，形成基本事件的概率更新，从而得到导致事故发生的重要基本事件。假设紧急解脱失效发生时，每个基本事件的后验概率如表1所示。通过后验概率的比较，得到重要基本事件如图2所示(X15，X17，X20，X22，X26，X27，X28和X35)，为预防紧急解脱失效提供参考。由于重要基本事件对隔水管紧急解脱失效的发生是非常敏感的，应该更多地被关注。

图2 重要基本事件先验和后验概率比较Fig.2 Comparison between prior and posterior probabilities for critical BEs

3.2 隔水管紧急解脱动态概率分析

3.2.1 重要基本事件概率调整

概率调整，也叫序列学习，是BN的重要应用。选取南海8号平台在1年内打的4口井为研究对象，根据3.1.3节分析得到的重要基本事件，选取X15，X17，X20，X22，X26，X27，X28和X35作为隔水管紧急解脱失效的动态风险事件。通常情况下，1口井的钻井周期一般为3个月，对重要基本事件发生次数进行统计(发生记为1，不发生记为0)。

3.2.2 紧急解脱成功和失效后果分析

通过重要基本事件的概率调整，得到1 年内4口井隔水管紧急解脱成功动态概率趋势，如图3所示。其中，紧急解脱成功概率最低发生在9月份，为0.894，因为当月的记录报告中，X15，X17，X20，X27和X28同时发生过。

图3 紧急解脱成功概率Fig.3 Probabilities of ED success

全年中井喷发生最大概率为2.72×10-3，隔水管同船一起安全撤离发生最大概率为5.43×10-2，隔水管沉入海底发生最大概率为4.32×10-2，3种后果的具体的概率值见表2～4。重要事件可能引起隔水管紧急解脱失效的概率变化，故应从人为、设计、操作、时间、装备、控制各个方面采取措施，减小隔水管紧急解脱失效概率。

表2 井喷概率Table 2 Probabilities of blowout

表3 隔水管同船一起安全撤离概率Table 3 Probabilities of safe suspension by the vessel of the broken drilling risers

表4 隔水管沉入海底概率Table 4 Probabilities of sinking probability of the broken drilling risers

根据风险评价结果，提出几点预防措施：1) 在喷射导管时，控制井口的倾斜角度；2) 在BOP上选择合适的过提力；3) 及时观察和去除天然气水合物；4) 关注和预测不正常的海况(台风、内波、土台风)；5) 完善钻井隔水管紧急解脱常规实验；6) 合理设计钻井隔水管系统。

4 结论

1)针对隔水管紧急解脱操作，其发生的原因主要包括漂移、台风和内波；结合隔水管系统组成和作业环境，从人为管理因素、设计因素、操作因素、解脱因素、装备因素和控制因素等6个方面共识别出40个基本风险事件；通过事故演化过程分析，得到3个最终后果；建立了隔水管紧急解脱失效模型，采用模糊集理论的方法确定了基本事件的先验概率。

2)考虑到基本事件和中间事件条件依赖关系的不确定性，采用贝叶斯网络的方法对南海8号深水钻井隔水管紧急解脱失效进行分析；引入新证据，进行后验概率的比较，得到8个重要基本事件，并提高其重视程度；通过记录重要基本事件的发生，进行深水钻井隔水管紧急解脱失效概率的更新，得到隔水管紧急解脱和3种后果的动态失效概率及变化趋势。

3)基于FFT-ESD分析法的隔水管紧急解脱风险评估模型，能够迅速有效地确定隔水管紧急解脱失效概率和基本事件重要度排序，并可提出针对性的措施降低风险和控制隐患；3种后果当中，井喷发生的概率最小，隔水管同船安全撤离和隔水管沉入海底发生概率相近。