天然氣水合物鉆井風(fēng)險辨識與評估

王賢斯 單正鋒 王存芳

(中石油海洋工程公司鉆井事業(yè)部 北京 100028)

我國于2017 年及2020 年分別開展了兩輪水合物試采工作，但試采效果距商業(yè)化開采仍有幾個數(shù)量級差距，這與深水水合物開采作業(yè)危險系數(shù)較高、鉆井安全風(fēng)險辨識及評估工作不足息息相關(guān)[1-2]。具體來說，世界范圍內(nèi)水合物試采尚處于初步探索階段[3]，所獲水合物鉆井經(jīng)驗(yàn)少，且鉆井風(fēng)險缺乏有效理論支撐，這導(dǎo)致鉆井事故具有不可預(yù)知性[4-5]。因此，針對海洋水合物鉆井特點(diǎn)，亟需開展鉆井風(fēng)險辨識及評估等工作，為形成鉆井風(fēng)險控制措施，保障水合物安全鉆井奠定一定基礎(chǔ)。

水合物鉆井風(fēng)險方面，國際上開展了一些研究工作。相關(guān)研究者通過引入風(fēng)險矩陣、系統(tǒng)安全分析、故障樹分析、事件樹分析和蝴蝶結(jié)等方法進(jìn)行鉆完井過程屏障失效風(fēng)險的評價研究[6-8]。?üKRü M[9]收集了鉆速、鉆頭重量、扭矩、泥漿記錄等鉆井參數(shù)隨深度的變化，通過對鉆井參數(shù)的分析評估指出優(yōu)化鉆孔設(shè)計是降低水合物鉆井風(fēng)險的有效途徑。GAO Y H 等人[10]認(rèn)為鉆井過程中必須保持一定溫壓條件以抑制水合物生成導(dǎo)致的鉆井風(fēng)險。國內(nèi)水合物鉆井風(fēng)險研究尚處于起步階段，目前中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心開展了鉆井工藝對儲層水合物分解影響的一系列研究[11-12]。具體來說，主要從裸眼段及套管段井筒兩方面研究了水合物鉆井過程中的井壁穩(wěn)定性，明確了儲層水合物飽和度與穩(wěn)定性的時空演化規(guī)律，建立了水合物鉆井作業(yè)過程中的井筒失效模型，初步探索了井筒可能存在的失效模式[13]。

目前，國際深水水合物開發(fā)尚處于探索階段，未形成水合物鉆井系統(tǒng)的風(fēng)險辨識、風(fēng)險評估方法和安全保障技術(shù)，其中關(guān)于水合物鉆井工藝風(fēng)險及關(guān)鍵設(shè)備風(fēng)險與的分析尤為薄弱，預(yù)防和控制鉆井事故的經(jīng)驗(yàn)更是接近于零，因此亟需對關(guān)鍵設(shè)備以及鉆井作業(yè)工序開展風(fēng)險辨識和安全評估[14-15]。鑒于此，該文以“Bluewhale II”半潛式鉆井平臺[16]為例，概述了平臺關(guān)鍵系統(tǒng)與設(shè)備，簡要分析了平臺危險源與鉆井風(fēng)險的關(guān)系，從危險源的所屬風(fēng)險類型、風(fēng)險等級兩個角度進(jìn)行危險源分類，采用頭腦風(fēng)暴法、作業(yè)風(fēng)險評估、危險源識別分析等方法對鉆井工藝、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險辨識，選取風(fēng)險矩陣法定量評估鉆井風(fēng)險，從風(fēng)險預(yù)防措施和應(yīng)急控制措施兩方面細(xì)化、完善了安全風(fēng)險控制措施，落實(shí)了各個崗位風(fēng)險控制責(zé)任，這對深水水合物鉆采提供了技術(shù)支持。

1 鉆井風(fēng)險分析基礎(chǔ)

1.1 鉆井平臺概況

2020 年，我國借助“Bluewhale II”半潛式鉆井平臺進(jìn)行了為期30天的天然氣水合物第二輪試采（試驗(yàn)性試采）[16]，試采累計產(chǎn)氣總量為86.14×104m3，日均產(chǎn)氣2.87×104m3，創(chuàng)造了產(chǎn)氣總量、日均產(chǎn)氣量兩項(xiàng)世界紀(jì)錄[16]?！癇luewhale II”平臺主要由上部平臺、下浮體和中間立柱三部分組成，具有自航、定位、鉆井功能，該平臺關(guān)鍵系統(tǒng)與設(shè)備可如表1 所示?！癇luewhale II”平臺鉆井工程設(shè)計采用降壓試采方式，主要工序是采用低密度泥漿鉆井以減小井底壓力。

1.2 危險源與鉆井風(fēng)險

鉆井風(fēng)險是鉆井過程中危險源可能導(dǎo)致?lián)p失及其他不利影響可能性和后果的綜合表征，其與某個危險源和特定事件相聯(lián)系，鉆井風(fēng)險大小常由危險源的失效可能性（概率表示）和危險源失效后的影響后果（嚴(yán)重度表示）所構(gòu)成。鉆井過程中危險源分類是制定和實(shí)現(xiàn)鉆井風(fēng)險分析目標(biāo)的前提。該文基于《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理?xiàng)l例》，將鉆井過程中危險源所屬鉆井風(fēng)險類型劃分為人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境因素以及管理缺陷四類，把危險源的風(fēng)險值劃分為Ⅰ級可接受風(fēng)險、Ⅱ級中度風(fēng)險、Ⅲ級高度風(fēng)險、Ⅳ級嚴(yán)重風(fēng)險四大類，其中特別重大風(fēng)險、重大風(fēng)險及中等風(fēng)險是需要重點(diǎn)考慮的對象。

2 鉆井風(fēng)險辨識及評估

2.1 風(fēng)險辨識及評估方法

鉆井風(fēng)險分析的第一步是對鉆井過程中的所有危險源進(jìn)行辨識?；谒衔镢@井作業(yè)工序特點(diǎn)，利用頭腦風(fēng)暴法、作業(yè)風(fēng)險評估（TRA）、危險源識別分析（HAZID）等方法對鉆井工藝、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險辨識。鉆井風(fēng)險評價分為定性評價、定量評價兩類方法，根據(jù)“Bluewhale II”平臺的實(shí)際鉆進(jìn)工況并保證評價的簡便快捷、強(qiáng)可操作性，選取風(fēng)險矩陣法實(shí)現(xiàn)鉆井風(fēng)險的定量評估，它根據(jù)危險源導(dǎo)致事故發(fā)生的可能性與造成后果嚴(yán)重度的乘積得出風(fēng)險值，依據(jù)風(fēng)險矩陣圖對風(fēng)險劃分等級以衡量風(fēng)險大小，具體見表2。

表2 風(fēng)險辨識與風(fēng)險評估方法

2.2 鉆井及關(guān)鍵設(shè)備風(fēng)險分析與評估

通過普查水合物鉆井工藝及平臺運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，共識別關(guān)鍵作業(yè)點(diǎn)86個，辨識出危險源1 724個，其中人的方面1 081個、設(shè)備方面373個，環(huán)境方面259個，管理方面11個。由于鉆井作業(yè)工藝紛繁復(fù)雜，該文以“Bluewhale II”平臺航行過程為例對風(fēng)險辨識、風(fēng)險評估及風(fēng)險控制措施進(jìn)行說明，借助專家打分及風(fēng)險矩陣，各鉆井危害源的風(fēng)險等級及風(fēng)險控制措施實(shí)施后鉆井危害源的風(fēng)險等級被給出（見表3），最終形成深水水合物鉆井作業(yè)風(fēng)險數(shù)據(jù)庫和設(shè)備風(fēng)險數(shù)據(jù)庫。

表3 航行工序下危險源的風(fēng)險辨識及評估情況

3 結(jié)論

（1）“Bluewhale II”平臺鉆井關(guān)鍵系統(tǒng)主要有提升與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、升沉補(bǔ)償系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、固井系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、航行與錨泊系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)。鉆井作業(yè)劃分為拖航/自航、就位、鉆前準(zhǔn)備、起下鉆、起下防噴器/隔水管、鉆進(jìn)、下套管、固井、棄井、打撈等工序。

（2）鉆井風(fēng)險大小常由危險源的失效可能性（概率表示）和危險源失效后的影響后果（嚴(yán)重度表示）所構(gòu)成。鉆井過程中危險源所屬鉆井風(fēng)險類型可劃分為人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境因素以及管理缺陷四類，根據(jù)風(fēng)險值大小，危險源可劃分為Ⅰ級可接受風(fēng)險、Ⅱ級中度風(fēng)險、Ⅲ級高度風(fēng)險、Ⅳ級嚴(yán)重風(fēng)險四大類。

（3）采用頭腦風(fēng)暴法、作業(yè)風(fēng)險評估、危險源識別分析等方法對鉆井工藝、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險辨識，選取風(fēng)險矩陣法進(jìn)行鉆井風(fēng)險的定量評估，從風(fēng)險預(yù)防措施和應(yīng)急控制措施兩方面提出了相應(yīng)風(fēng)險控制措施。

（4）水合物鉆井工藝及平臺關(guān)鍵設(shè)備共辨識出危險源1 724 個，其中人的方面1 081 個、設(shè)備方面373個，環(huán)境方面259 個，管理方面11 個，風(fēng)險預(yù)防措施實(shí)施后共消除風(fēng)險491 條，應(yīng)急控制措施實(shí)施后共降低風(fēng)險537 條，形成了深水水合物鉆井作業(yè)風(fēng)險數(shù)據(jù)庫和設(shè)備風(fēng)險數(shù)據(jù)庫。