深水浅层气井喷致因分析与风险控制研究

魏超南 孙舒

（天津保泰安全技术服务有限公司，天津 300450）

0 引言

随着各国对石油能源需求量的增加，海洋石油尤其是深水开采强度在增加，然而油气开采过程中由于井喷导致天然气爆炸事故时有发生，造成重大损失。2010 年4 月20 日，BP 公司位于墨西哥湾的“深水地平线（Deepwater Horizon)”钻井平台Missssippi Canyon 252 号1-01 井发生的井喷爆炸着火事故，造成重大损失；井喷爆炸事故所造成损失难以衡量，因此，分析解决井喷问题十分必要。

1 井喷事故案例调研与原因分析

在广泛调研国内外发生的浅层气井喷事故，统计SINTEF（挪威科学和工业研究基金会）海上浅层气井喷数据库的基础上，分别从操作失误，设备失效，设计不合理，管理因素，环境危险因素五个方面分析浅层气井喷的事故致因因素。

1.1 浅层气井喷原因统计

来自SINTEF 海上井喷数据库[1]中1980—_1994年美国墨西哥湾大陆架和北海地区的案例，共有52 起浅层气井喷的记录，表1 是对浅层气井喷的原因统计。

表1 浅层气井喷原因统计

浅层气井喷的原因统计主要包括设备失效、操作失误、设计不合理以及其他的原因。统计中这52 起浅层气井喷事故中至少有30 起使用了或曾试图使用导流器系统，导流器系统的失效是造成井喷事故的主要原因。

1.2 井喷事故致因因素分析

在浅层气井喷的原因统计基础上，对浅层气井喷事故致因因素从操作失误、设备失效、设计不合理、管理因素、环境危险因素这5 个方面进行分析。

1.2.1 操作失误

一般来说操作失误是指导致事故发生或者影响事故进程的人的操作失误行为。根据1970—2006 年中国重大井喷事故案例分析，其中操作失误占井喷事故直接原因的93.53%，所以人的操作失误是导致事故发生的一个重要因素。由于人的操作失误造成井喷的原因有起钻抽汲、不合理的灌浆程序、机械钻速过高、静止时间过长、固井质量差、未及时发现溢流这6 类。在钻遇浅层气发生井喷的事故中，抽吸现象较为常见，它主要是因为起钻速度过快、起钻灌浆不及时造成的。在大港滩海钻井[2]过程中，作业进行到下放顶驱准备继续起钻第16 柱时，约0.5 min 后钻具内喷出大量气侵泥浆，事后通过调查发现：导致井喷的原因在于钻头、扶正器泥包，其在起钻过程中发生抽吸，使钻具内液柱压力低于气层的孔隙压力。在葡萄花油田[3]浅气层井喷事故中，在静止状态下气体通过扩散作用侵入井内，气体积聚并形成气柱逐渐上升，在上升过程中，随着压力的降低，气体体积不断膨胀，最终导致井喷。

1.2.2 设备失效

从设备失效分析浅层气井喷事故的致因因素可以分为防喷器失效、导流器系统失效、套管鞋破坏、井口密封装置失效、回压阀失效5 类。挪威石油公司West Vanguard 事故由于顶部井眼没有使用防喷器，天然气气流直接涌入分流器系统，系统不能控制气流，释放出的气体爆炸吞没整个平台。爆炸造成1 人死亡，钻井甲板结构、两个桩腿和轮机舱在大火中被毁坏，整个平台倾斜10°。其他设备失效比如在关井的过程中容易导致套管鞋的破裂；井口、井下装置不合格或者部分装置失效，造成无法及时关井；封隔器、控制阀失效会造成静水压力低，进而发生井喷事故。

1.2.3 设计不合理

设计不合理一般是在钻井作业之前，钻井作业的程序设计或者设备设计制造等不合理，这在本质上就为钻井过程留下安全隐患。事故调研中由于设计不合理导致的浅层气井喷的原因有钻井液密度设计不合理、套管程序设计不合理、防喷设备缺乏、钻具搭配不合理、不合适的钻井方位5 类。在森林石油公司Ensco 51 事故中，公司员工没有将浅层气危害与合同水泥公司取得联系，这导致水泥层的设计不能阻止天然气进入水泥层，在钻井作业中钻遇浅层气发生井喷，后升级为井喷失控发生大火，Ensco 51 的直升机甲板和下部结构全被摧毁，直升机甲板倒塌到平台上，平台和它的生产设备全部被毁坏。1981 年8 月27 日美孚石油公司(Mobil)Petromar V 钻井船，在中国南海钻井过程中遇到浅层气藏，由于分流器失效与不合适的钻井方位导致事故井发生不可控制的井喷，最终致使钻井船倾覆。

1.2.4 管理因素

管理失误是指管理者在实施管理行为过程中，管理者个人管理决策偏离，背离管理目标的一种行为，尤其发生井漏、井涌时，管理决策失误极易导致井喷事故发生。深水钻井过程中将发生浅层气井喷的管理因素分为监管不严，指挥失误，不按照规定程序操作，缺少检查制度这4 类。由于管理因素导致井喷事故最典型的案例就是“深水地平线事故”[4]，笔者对该事故的做过一定的分析和研究，经过分析得出以下管理方面的原因：未及时发现溢流、采取不当的操作程序、减少了防喷器控制系统的配置、监管不力。该事故最终造成7 人重伤，11 人失踪，原油污染面积超过4 000 km2，造成了严重的生态污染和环境损失。

1.2.5 环境危险因素

导致浅层气井喷的环境危险因素主要是浅层地质因素，如钻井作业中一旦钻遇未预料的异常高压气层，可能造成井口基底冲垮、发生井喷，严重可能发生平台沉没事故。这里将导致浅层气井喷的环境因素分为异常高压气层、气侵钻井液、固井水泥候凝、环空漏失4 类。

滨里海地区[5]由于地层的异常高压气层，FIOC公司在该地区一共发生过5 次井喷事故，在W 区块钻遇的5 口井当中只有2 口井顺利完井。地层的异常高压很难控制，侵入井内的气体随着返出钻井液一起返至井口，导致钻井液密度降低，环空的静水压力降低。另一个重要因素是固井水泥浆，固井水泥从流态变为固态时，水泥开始黏固在井壁和套管壁上，这也会降低地层的静液柱压力，天然气会通过水泥或者沿着水泥外壁流动。

2 基于层次分析法的事故致因权重分析

2.1 事故致因评价指标建立

层次分析法(AHP)是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法[6-7]。根据层次分析法、网络系统理论和多目标综合评价理念，考虑现阶段深水钻井浅层气井喷事故的特点，根据以上建立的深水浅层气井喷事故致因因素分析，将操作失误(U1)、设备失效(U2)、设计不合理(U3)、管理因素(U4)、环境危险因素(U5)列为一级评价指标，并对各个一级评价指标进行分解，形成二级评价指标，最终建立深水浅层气井喷事故致因评价指标，如图1 所示。

2.2 事故致因因素权重确定

根据以上的指标划分首先构造一级指标的判断矩阵，根据事故原因的调查分析得到浅层气井喷的主要原因是操作失误，所以把操作失误作为最重要的因素，其次是设计的不合理因素，设备失效和管理因素占同样重要的位置，最后的是环境危险因素。构造一级指标判断矩阵参考了国内外相关的事故致因因素构建体系案例[8]，经过分析计算得到本文的一级指标权重值如表2 所示。

表2 一级指标判断矩阵

表4 设备失效的二级指标判断矩阵

表5 设计不合理的二级指标判断矩阵

表6 管理因素的二级指标判断矩阵

类似地可以得到人因失误、设备失效、设计不合理、管理因素、环境危险因素的二级指标判断矩阵如表3-表7 所示。

表3 人因失误的二级指标判断矩阵

表7 环境危险因素的二级指标判断矩阵

2.2.1 求解权重利用特征根方法求解判断矩阵的权重：

式中，A指的是判断矩阵；λmax是判断矩阵A的最大特征根，w是相应的特征向量。所得到的w 经归一化后就可以作为权重向量。将所有的判别矩阵通过公式（1）的计算，可以求出它们的权重如表8 所示。

表8 权重计算结果

2.2.2 进行一致性检验

判断矩阵是计算权向量的依据，在计算单准则下排序权向量时，必须进行一致性检验，其步骤如下：

1） 计算一致性指标C.I.( consistency index )

式中，n 为矩阵阶数。

2）查找相应的平均随机一致性指标R.I.(random index )

3） 计算一致性比例C.R.(consistency ratio)

表9 平均随机一致性指标R.I.

当C.R.＜ 0.1 时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，当C.R.＞0.1 时应当对判断矩阵做适当修正。

根据以上步骤求得一级一致性指标为0.014 2，平均随机一致性指标为1.12，计算的一致性比例为0.012 7 ＜ 0.1 判断一级矩阵的一致性是可以接受的。同理分别求得二级指标的一致性比例分别为0.0 242、0.019 5、0.012 7、0.003 8、0.007 6 均满足一致性要求。

2.2.3 权重标准化

一级指标的权重进行标准化结果如表10 所示。

表10 一级指标权重标准化

对二级指标权重的标准化，并且分别计算出每一个二级指标对目标层影响因素的大小，根据这些影响因素的按照从大到小的顺序排列，最终得出的权重结果分别如表11 和表12 所示。

表11 二级指标权重标准化

表12 二级指标权重排序

综上所述，最终得到深水浅层气井喷事故致因评价体系各指标的权重。对目标层影响较大，权重值较大的因素有起钻抽汲(C1)，未及时发现溢流(C6)，导流器系统失效(C8)，钻井液密度设计(C12)，不合理的灌浆程序(C2)，固井质量差(C5)。针对导致井喷发生的主要因素，应该采取对应的风险控制措施。

3 基于鱼骨法的风险控制措施

3.1 鱼骨分析法

鱼骨图又称树枝图或特性因素图，1953 年由日本东京大学的ISHIKAWA 教授设计的一种找出问题原因的方法，首次应用于日本后逐渐引进到其他国家。一般多用于企业的质量管理等方面，随着近些年对安全研究的重视，鱼骨法也被移植到安全分析领域。

鱼骨图是一种定性分析方法，用集合论建立鱼骨图的数学模型。按照鱼骨图的作用和各个因素的相互关系，分为问题型鱼骨、原因型鱼骨和对策型鱼骨三种。

3.2 井喷风险控制措施

风险控制是指采取各种措施减小风险事故发生的可能性或者把可能发生的损失控制在一定范围。根据层次分析法中计算的权重值较大的因素，制定相应的措施。

1) 起钻抽吸控制措施

① 减小起钻抽吸压力，严禁“拔活塞”起钻；

② 合理规定起下钻和下套管速度；

③ 及时进行短起下作业。

2) 未及时发现溢流

① 在起下钻过程中，专人观察井眼液面变化；

② 起钻后和空井期间要注意观察井眼的液面变化。

3) 灌浆不及时的控制措施

不要超过允许停泵时间，若停泵时间较长，及时灌满钻井液。

4) 导流器系统的失效对应措施

改进导流器设计，加大导流器管线的直径，降低气流速度，减小弯头和节流点的数量，减少管线的冲蚀。

5) 钻井液密度不合理的对应措施

对浅层气层采用适当密度钻井液钻开，钻井液密度按规定附加值的高值进行附加；钻具结构设计要尽量简化，入井钻具中应有内防喷装置，可有效防止发生钻具内井喷。

6) 不合理的灌浆程序

按照规定的操作程序操作，制定合理的操作规程和考核制度，建立和执行监管制度。

7) 固井质量差的应对措施

检验固井质量是否合格，并且进行负压测试。

对上述事故的原因和对应的控制措施，结合鱼骨图法做出浅层气井喷事故的综合型鱼骨图，如图2 所示。

4 结论

笔者在对国内外发生多起浅层气井喷事故调研的基础上，通过对浅层气井喷的原因进行统计分析，建立浅层气井喷事故致因框架，确定浅层气井喷的事故评价指标，利用层次分析法(AHP)计算各指标的权重值，根据得出的权重值大小确定浅层气井喷的主要原因，利用鱼骨法针对这些因素提出相应的控制措施，以期降低事故发生的可能性。