基于事故树模型的井喷事故原因分析及预防对策

阮存寿

川庆长庆监督公司安全环保监测研究所（陕西 西安 710021）

随着政府强力推进“蓝天计划”等能源发展新战略，明确提出将天然气培育成中国现代能源体系的主体能源，天然气的勘探开发明显提速。同时，经历重庆开县“12.23”特大井喷事故之后，社会各方与各大油气钻探企业都非常重视天然气钻井的井控工作，尤其是高含硫气井的钻井，其井控事故的管控更是大型油气钻探企业重点关注的问题。以往对井喷事故的分析，局限于对特定场景、特定情况下井喷事故的分析，缺少辐射性，这样一般只能解决局部、单一的问题，不能完整分析井喷事故发生的全部致因，从而在石油天然气勘探开发过程中很难完全避免井喷事故的再次发生。运用事故树分析方法，结合石油天然气勘探开发过程中典型的井喷事故案例，科学全面地分析引起井喷事故的各类原因，并制定有效的预防措施，为石油天然气勘探开发企业井喷事故的安全预防提供科学、有效的依据，以避免和预控井喷事故的发生。

1 天然气钻井井喷事故的事故树分析

1.1 事故树分析方法简介

事故树分析法是从结果到原因找出事故发生各因素间的因果关系和逻辑关系的系统分析方法，也称为故障树分析法。这种方法把系统可能发生的事故与导致事故发生的各原因间的逻辑关系用事故树的树形图表示，通过对事故树的定性与定量分析，找出事故发生的主要原因，为确定对策提供依据，以预测与预防事故的发生。

1.2 井喷事故树模型的建立

按照事故树分析法，把井喷事故作为顶上事件。通过查找相关资料以及收集的典型井喷事故案例，对井喷事故发生的原因由上至下，一级级找出中间事件和基本事件。通过层层分析，根据基本事件和中间事件找出导致顶上事件发生的逻辑联系，建立井喷事故树，最终确定导致井喷事故发生的13个中间事件和20个基本事件。井喷事故树见图1，中间事件及基本事件描述见表1、表2。

表1 井喷事故中间事件统计

表2 井喷事故基本事件统计

1.3 井喷事故树的定性分析

对引起井喷事故的基本事件在天然气钻井现场事故隐患中所占概率，因未查询到相关数据，无法对井喷事故树做定量分析，因此从井喷事故发生路径即最小割集、井喷事故防控对策即最小径集、井喷事故基本事件的结构重要度3个方面对井喷事故树做定性分析。

1.3.1 最小割集计算与井喷事故发生路径分析

由井喷事故树图（图1）可知，造成井喷事故发生的中间事件有13个、基本事件有20个，分别用M1，M2，…，M12，M13，X1，X2，…，X19，X20表示。按照井喷事故树图（图1），运用事故树中的布尔代数列式计算，即可求出井喷事故的最小割集：

根据布尔代数化简展开，共得81组割集，均为最小割集。分别为:

每一个最小割集就是井喷事故发生的一条路径，即有81条路径会导致天然气钻井现场井喷事故的发生。由此可见，在天然气勘探开发作业过程中，预防井喷事故至关重要。由于针对井喷事故发生路径进行防控“费时、费力、费钱”，效果不佳，将利用事故树最小径集，找出预防顶上事件及井喷事故发生的最优方案。

1.3.2 最小径集计算与井喷事故预防路径分析

在事故树中，使顶上事件不发生的基本事件的集合称为径集，不引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合称为最小径集，最小径集是保证顶事件不发生的充分必要条件。

根据布尔代数化简展开，成功树的最小割集共有3组，即得到井喷事故树的最小径集，分别为：

每一个最小径集就是井喷事故的一条预防对策，因此有3种方案可有效预防井喷事故的发生。同时通过比对基本事件的个数、技术上的难易程度、时间和经济成本，进一步分析井喷事故树的3个最小径集，分析结果如下：

最小径集P2由共9个基本事件组成，其目的是为了达到（即井筒静液柱压力不小于地层压力），技术上可实现，现场钻井作业中也可实施，故此条预防路径可作为井喷事故的预防对策之一。

最小径集P3由共10个基本事件组成，其目的是为了达到（即发生井喷时能控制住井口），技术上可实现，现场钻井作业中也可实施，故此条预防路径也可作为井喷事故的预防对策之一。

1.3.3 井喷事故树基本事件的结构重要度分析

事故树中各基本事件对顶上事件影响程度不同。从事故树分析各基本事件的重要度，或假定各基本事件发生概率相等的情况下，分析各基本事件的发生对顶上事件发生的影响程度，叫结构重要度，一般采用近似判别式计算基本事件结构重要度，计算公式如下：

式中I（i）表示第i 个基本事件的结构重要度系数；nj-1为第i 个基本事件所在Kj的基本事件总数减1。

据此，计算出井喷事故基本事件的结构重要度：

由以上计算结果可以看出，若不考虑基本事件发生的概率，仅从基本事件在事故树结构中所占的地位来分析，基本事件X1最重要;其次是基本事件X4；次之是基本事件X2、X3、X5、X6、X8、X9、X10、X11、X12、X15、X16、X17、X18、X19、X20；再次是基本事件X7；然后是基本事件X13；最不重要的是基本事件X14。在针对基本事件进行措施改进时，可按照结构重要度的重要程度顺序，逐一改进。

图1 井喷事故树图

2 天然气钻井现场井喷事故的防控措施

天然气钻井现场井喷事故的发生是人的不安全行为、井控装备的不安全状态、现场井控管理缺陷及自然地质条件不良等方面共同作用的结果。因此，基于上述的事故树分析，分别从井控装备管理、井控能力培训提升、井控问题整改销项等方面提出预防天然气现场井喷事故的事故防控措施。

2.1 井控装备管理方面的防控措施

1)推行井控设备设施的完整性管理，坚持井控设备到期报废制度，杜绝超期使用。

2)强化井控装备的检维修工作，抓好井控装备的检测工作，确保出厂合格率达到100%。

3)抓好井控车间现场巡检服务制度的落实，及时发现和解决现场井控装备存在的问题。

4)严格执行井控装备安装维护和试压标准，加强现场的日常检查、维护、保养与正确使用，严禁井控装备“带病”运行。

5)强化井控坐岗制度的落实，加强现场溢流检测装备的日常维护保养、调校，充分发挥其功效。

2.2 井控能力培训提升方面的防控措施

1）结合工艺技术改进、井控风险变化，提高井控培训的针对性、实用性、有效性。对队长、技术员、安全监督等井控管理人员及司钻、坐岗工等关键岗位人员实施分级培训，使其掌握井控装备安装维护、溢流发现、井控应急等方面的知识技能。

2)强化作业现场的井控演习演练，提高岗位、班组、队伍“黄金三分钟”控制井口的执行能力、实战能力。

2.3 井控问题整改销项方面的防控措施

1)以发现的井控问题为导向，查找井控过程管理中存在的短板，追溯问题发生的深层次原因，制定整改销项措施，不断改进井控管理工作。

2)严格井控问题的整改闭环，对监督巡查、井控检查发现的问题要举一反三，分析原因，制定纠正预防措施，消除井控问题屡查屡改屡犯的顽疾。

3)定期开展井控重复问题（如井控装备功能性失效）、重点问题（如员工不会坐岗）的专项治理，进一步补强现场井控的薄弱环节，提高钻井现场井控防范能力。

3 结论

1）通过建立天然气钻井井喷事故树模型，运用事故树分析法，从最小割集、最小径集、基本事件的结构重要度3方面对井喷事故树作定性分析。通过定性分析得知，井喷事故树的最小割集有81组，即有81条路径会导致天然气钻井现场井喷事故的发生；最小径集3组，即有3种方案可有效预防井喷事故的发生。进一步分析得出天然气钻井现场有两条预防路径可有效预防井喷事故的发生；通过基本事件的结构重要度排序，指出现场针对基本事件进行改进措施时，可按照重要程度顺序，逐一改进。

2）基于事故树分析，分别从井控装备管理和井控能力培训提升、井控问题整改销项等3方面提出预防天然气现场井喷事故的事故防控措施，为现场的钻井作业风险管控及安全管理工作提供有效的依据。