深水大型半潛式天然氣生產(chǎn)平臺風(fēng)險管理

陳 海 謝玉洪 馮加果

1.北京郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 2.中海石油（中國）有限公司

0 引言

近年來，全球重大油氣發(fā)現(xiàn)中的絕大部分都來自深水領(lǐng)域，全球排名前50的超大項(xiàng)目中的3/4是深水油氣項(xiàng)目，并且未來深水油氣田投資有望保持穩(wěn)定，產(chǎn)量也將繼續(xù)增長[1]。深水油氣開發(fā)平臺具有投資高、周期長、風(fēng)險高的特點(diǎn)，項(xiàng)目能否安全生產(chǎn)對經(jīng)濟(jì)效益的好壞影響巨大。在深水氣田開發(fā)早期進(jìn)行風(fēng)險管理研究，并制訂針對性的風(fēng)險應(yīng)對策略，從而實(shí)現(xiàn)有效的風(fēng)險防控，對項(xiàng)目的成功實(shí)施至關(guān)重要[2]。目前，國內(nèi)外在這一領(lǐng)域采用的研究方法主要包括模糊理論、故障樹分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Entropy-based Bayesian Network）分析法等。Lavasani[3]、Yu等[4]分別采用模糊故障樹分析方法研究了油氣田、海底管道等泄露風(fēng)險；Rozuhan等[5-8]應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法，開展了風(fēng)險分析。部分學(xué)者針對深水大型半潛式平臺開展了研究，如Jin等[9-10]對半潛式鉆井平臺的火災(zāi)、爆炸風(fēng)險進(jìn)行了評估。然而上述研究大多數(shù)都針對某些具體風(fēng)險因素，未對深水半潛式平臺面臨的諸多風(fēng)險因素進(jìn)行系統(tǒng)性的識別與分析，并且其研究對象也都不具有大量儲存凝析油的功能。

位于南海北部的陵水17-2半潛式生產(chǎn)平臺是國內(nèi)首個1 500 m水深、立柱內(nèi)大容量儲存凝析油的半潛式生產(chǎn)平臺，國內(nèi)外尚無相關(guān)風(fēng)險管理經(jīng)驗(yàn)。為此，筆者基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法和熵權(quán)理論，建立了針對深水大型半潛式平臺的風(fēng)險管理流程，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，對該類大型深水油氣開發(fā)平臺的風(fēng)險防控和風(fēng)險管理工作進(jìn)行了探索。

1 風(fēng)險管理流程與分析方法

深水大型半潛式天然氣生產(chǎn)平臺面臨的諸多風(fēng)險可以大體分為常規(guī)風(fēng)險和特有風(fēng)險兩類。常規(guī)風(fēng)險即一般油氣生產(chǎn)平臺所面臨的各種風(fēng)險因素，包括油品泄漏、化學(xué)品泄漏、落物、船舶碰撞、系泊失效、壓載問題、儀器儀表故障等。特有風(fēng)險是指由平臺性質(zhì)、用途所帶來的風(fēng)險，包括天然氣擴(kuò)散、凝析油泄漏及其引發(fā)的平臺火災(zāi)爆炸事故等，具有一定的特殊性，需要依托歷史數(shù)據(jù)、結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，才能完成分析和評價。筆者基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法和熵權(quán)理論，建立了深水大型半潛式天然氣生產(chǎn)平臺的風(fēng)險管理流程。

1.1 風(fēng)險管理流程

依據(jù)海洋工程和油氣領(lǐng)域的相關(guān)規(guī)范[11-12]，參考油氣管道風(fēng)險評估的分析方法[13]和設(shè)備完整性管理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[14-15]，結(jié)合深水大型半潛式天然氣生產(chǎn)平臺的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工程需求[16-18]，構(gòu)建了一套適合于南海天然氣開發(fā)及凝析油儲存平臺的風(fēng)險管理流程，如圖1所示。

圖1 天然氣開發(fā)及凝析油儲存平臺風(fēng)險分析流程圖

風(fēng)險管理流程包括風(fēng)險識別、評價、防控3個階段：風(fēng)險識別是指在項(xiàng)目設(shè)計及建設(shè)階段需對所面臨的風(fēng)險加以判斷、分類，是風(fēng)險評價與防控的前提；風(fēng)險評價是指在風(fēng)險識別的基礎(chǔ)上采用一定的方法度量風(fēng)險程度，通常采用定性與定量相結(jié)合的方法；風(fēng)險防控是在風(fēng)險評價后，制訂相應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對措施，實(shí)施管理和跟蹤，從而有效規(guī)避風(fēng)險。

在風(fēng)險識別環(huán)節(jié)，主要采用HAZID（Hazard Identification）方法識別平臺的風(fēng)險源。評估常規(guī)風(fēng)險時采用的方法包括HAZOP（Hazard and Operability Analysis）、SIL（Safety Integrity Level） 等。 其 中，HAZOP以工藝流程為線索尋找潛在風(fēng)險，進(jìn)而分析風(fēng)險產(chǎn)生的原因、可能導(dǎo)致的后果以及應(yīng)采取的措施。SIL是一種基于特定安全儀表功能和功能失效概率的分析方法，對平臺上包括軟、硬件在內(nèi)的所有安全相關(guān)系統(tǒng)元器件進(jìn)行安全等級確認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)對平臺油氣處理、電力控制等設(shè)備系統(tǒng)的評價。對于特有風(fēng)險的分析難點(diǎn)和重點(diǎn)，采用基于熵權(quán)理論的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)與專家經(jīng)驗(yàn)，可以對事故發(fā)生概率及原因進(jìn)行計算、推理。

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種統(tǒng)計學(xué)方法，通過有向無環(huán)圖來描繪一組隨機(jī)變量和條件依賴關(guān)系的概率圖模型，具有推理能力強(qiáng)、易于理解、便于計算的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)主要包含節(jié)點(diǎn)、弧和若干條件概率表，其中節(jié)點(diǎn)代表變量，而節(jié)點(diǎn)間的有向弧代表變量之間的因果關(guān)系。

式中Pa（Xi）表示變量Xi（i=1,…,n）所有父節(jié)點(diǎn)的集合；P（Xi,…,Xn）反映的是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的特性。

在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系是由條件概率函數(shù)決定的，而條件概率的計算則應(yīng)用貝葉斯定理。給定變量Y，那么X的條件概率為：

根據(jù)已知的先驗(yàn)概率和條件概率，就可以計算出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)的概率，由不同的觀測結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的因果推理。

1.3 熵權(quán)理論

熵值反映了信息無序化程度，其值越小，系統(tǒng)無序度越小。對于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)事故中部分條件概率，由于缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料，難以計算其條件概率，而一般的專家打分存在一定的主觀性及波動性，故可用信息熵來確定指標(biāo)權(quán)重。其計算步驟如下：

1）對n個樣本、m個指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到新的Xij值，Xij表示第i個樣本的第j個指標(biāo)的數(shù)值。j=1,2,…,m；i=1,2,…,n。

2）計算第j個指標(biāo)下第i個樣本值占該指標(biāo)的比重：

3）計算第i個指標(biāo)j個指標(biāo)的熵值：

4）評價指標(biāo)的熵權(quán)式：

2 實(shí)例分析

2.1 陵水17-2半潛式天然氣生產(chǎn)平臺概況

以陵水17-2大型半潛式天然氣生產(chǎn)平臺為研究實(shí)例。該平臺排水量10.5×104t，用于開采深水天然氣。通過平臺油氣處理裝置提煉出凝析油，并存儲在平臺的立柱中，初步純化的天然氣則通過海底管道運(yùn)輸至岸上的天然氣生產(chǎn)基地。該平臺是國內(nèi)首個1 500 m水深、立柱內(nèi)大容量儲存凝析油的半潛式平臺，國內(nèi)外沒有相關(guān)風(fēng)險管理經(jīng)驗(yàn)。同時，海洋深水區(qū)域特殊的自然環(huán)境、復(fù)雜的油氣儲藏條件、深水高壓開采、上部模塊復(fù)雜的天然氣處理系統(tǒng)和浮式平臺動態(tài)運(yùn)動等因素[17,19-20]，都增加了風(fēng)險分析與管理的難度。

2.2 風(fēng)險識別

在風(fēng)險識別環(huán)節(jié)中，首先將該半潛式平臺劃分為系泊、立管、平臺上部（氣體接收和分離、氣體壓縮、氣體脫水和燃?xì)?、生產(chǎn)水、凝析油處理、排水管和火焰）、船體設(shè)施、生活區(qū)以及貨物裝卸區(qū)等11個區(qū)域。再針對每一個區(qū)域進(jìn)行HAZID分析，識別出平臺火災(zāi)爆炸、煙氣擴(kuò)散、船舶碰撞、落物、逃生撤離救生、化學(xué)品泄漏以及凝析油儲存和外輸風(fēng)險源（圖2）。在識別結(jié)果中，未發(fā)現(xiàn)影響凝析油儲油的重大風(fēng)險。因此，從風(fēng)險管理角度看，該平臺設(shè)計方案具備合理性。

圖2 陵水17-2半潛式平臺HAZID風(fēng)險識別內(nèi)容圖

2.3 風(fēng)險分析

在整個油氣生產(chǎn)的過程中，天然氣在立管及處理系統(tǒng)或輸送管道中可能發(fā)生擴(kuò)散；凝析油在立柱油艙內(nèi)或外輸過程中可能泄漏；而擴(kuò)散的天然氣和泄漏的凝析油以及其他因素還可能進(jìn)一步引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。以上述三類特有風(fēng)險為例，對陵水17-2平臺展開風(fēng)險分析。

2.3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

以HAZID、HAZOP、SIL等分析結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合深水油氣平臺事故類型及致因的相關(guān)資料，綜合分析天然氣擴(kuò)散、凝析油泄漏及火災(zāi)爆炸安全事故，最終確定事故節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系，建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型（圖3）。

圖3 陵水17-2半潛式平臺特有風(fēng)險的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型圖

其中，網(wǎng)絡(luò)圖中各根節(jié)點(diǎn)的概率可以通過查閱國際石油和天然氣生產(chǎn)者協(xié)會（International Association of Oil and Gas Producers，IOGP）數(shù)據(jù)庫中近10年海上油氣平臺各類風(fēng)險因素統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到。中間事件的條件概率可以依據(jù)美國安全和環(huán)境執(zhí)法局（Bureau of Safety and Environmental Enforcement，BSEE）1964—2012年海上油氣平臺碰撞、泄漏、火災(zāi)、管道、撞擊等事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由公式（2）計算得到。

表1中定義了包括凝析油泄漏、天然氣擴(kuò)散及平臺火災(zāi)爆炸在內(nèi)的事故等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。然而由于缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持，難以計算相關(guān)條件概率。因此利用熵權(quán)理論，由平臺設(shè)計、建造、安裝與運(yùn)營管理等方面的專家進(jìn)行評分，再由公式（3）～（6）計算確定。

表1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)事故的等級劃分表

計算可知，陵水17-2半潛式平臺上凝析油泄漏、天然氣擴(kuò)散及火災(zāi)爆炸的發(fā)生概率分別為0.001 290次/（船·年）、0.001 008次/（船·年）和0.017 125次/（船·年）。其中，凝析油泄漏1級事故最有可能出現(xiàn)；天然氣擴(kuò)散3級事故概率最高；平臺發(fā)生2、3級火災(zāi)爆炸事故的可能性較高，出現(xiàn)1、4級火災(zāi)爆炸事故的可能性則大致相同。

2.3.2 事故致因分析

在進(jìn)行事故致因分析時，先假定某一事故節(jié)點(diǎn)的各個根節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分別為“YES”，再求出事故節(jié)點(diǎn)為“YES”的概率，比較概率大小，即可找到最可能的事故致因，形成最大事故致因鏈。以凝析油泄漏、天然氣擴(kuò)散及平臺火災(zāi)爆炸為例，事故致因分析結(jié)果如表2所示。

表2 事故最大致因分析表

2.3.3 敏感性分析

為了明確事故發(fā)生的薄弱環(huán)節(jié)，展開事故致因敏感性分析。首先，分別設(shè)置“凝析油泄漏”“天然氣擴(kuò)散”和“平臺火災(zāi)爆炸”的事故等級為1、2、3、4級，針對各等級對應(yīng)的各根節(jié)點(diǎn)基本事件的后驗(yàn)概率，結(jié)果如圖4所示?；臼录篁?yàn)概率相對于先驗(yàn)概率的變化率體現(xiàn)了該事件對事故的敏感程度，變化率越大則敏感性程度越高，意味著該基本事件是否發(fā)生會很大程度地影響事故發(fā)生的概率。

由分析結(jié)果可知，總體上凝析油泄漏和平臺火災(zāi)爆炸的根節(jié)點(diǎn)后驗(yàn)概率變化率要比天然氣擴(kuò)散的高出一個數(shù)量級，這意味著凝析油泄漏和平臺火災(zāi)爆炸更容易受到基本事件的影響。對于凝析油泄漏和天然氣擴(kuò)散，落物撞擊的敏感性最高，油氣處理設(shè)備的振動疲勞、高壓高溫及內(nèi)部流體的腐蝕也具有較高的敏感性。因此，一旦發(fā)生這些事件，將很有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。凝析油艙液壓安全閥故障、液位損失和海水腐蝕、節(jié)點(diǎn)老化、人員誤操作等敏感性較低，對事故發(fā)生概率影響較小。對于平臺火災(zāi)爆炸事故，污油罐壓力過高、排水泵及生產(chǎn)水系統(tǒng)誤操作和污油罐密封失效的敏感性顯著，這與火災(zāi)爆炸致因分析的結(jié)果保持一致，再次證明這些基本事件是引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的關(guān)鍵因素。

2.4 風(fēng)險防控

根據(jù)平臺風(fēng)險識別與分析結(jié)果，經(jīng)過統(tǒng)計、評估、修正，得出該平臺各子系統(tǒng)的潛在風(fēng)險及相應(yīng)的應(yīng)對措施建議共65項(xiàng)。以特有風(fēng)險相關(guān)建議為例，按照敏感性大小順序排列，如表3所示。

3 結(jié)束語

借鑒國外深水項(xiàng)目的風(fēng)險應(yīng)對策略，結(jié)合風(fēng)險分析的方法和理論，建立了深水天然氣開發(fā)及凝析油儲存平臺風(fēng)險管理流程，涉及風(fēng)險的識別、分析與防控環(huán)節(jié)。利用HAZOP、SIL和基于熵權(quán)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，對陵水17-2半潛式平臺的常規(guī)和特有風(fēng)險進(jìn)行了分析評價。以平臺特有風(fēng)險為例，首先確定事件與事故的因果關(guān)系，建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；再進(jìn)行事故致因分析，確定最大事故致因鏈；然后開展敏感性分析，找出對事故發(fā)生概率影響最大的事件，為風(fēng)險防控提供重要依據(jù)。最后，依據(jù)風(fēng)險識別與分析結(jié)果，針對平臺各子系統(tǒng)提出了相應(yīng)的風(fēng)險防控建議。

該研究針對南海深水天然氣開發(fā)及凝析油儲存的半潛式平臺的風(fēng)險分析進(jìn)行了積極的探索與工程實(shí)踐，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對我國未來深水項(xiàng)目的風(fēng)險管理具有重要的參考價值。由于篇幅有限，筆者未對平臺抵抗臺風(fēng)和內(nèi)波等平臺環(huán)境引起的風(fēng)險進(jìn)行分析，可以在未來研究中重點(diǎn)關(guān)注。

圖4 陵水17-2半潛式平臺事故根節(jié)點(diǎn)敏感性分析圖

表3 陵水17-2半潛式平臺特有風(fēng)險點(diǎn)及應(yīng)對措施表

續(xù)表3