深水淺層氣井噴致因分析與風(fēng)險(xiǎn)控制研究

魏超南 孫舒

（天津保泰安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著各國(guó)對(duì)石油能源需求量的增加，海洋石油尤其是深水開采強(qiáng)度在增加，然而油氣開采過(guò)程中由于井噴導(dǎo)致天然氣爆炸事故時(shí)有發(fā)生，造成重大損失。2010 年4 月20 日，BP 公司位于墨西哥灣的“深水地平線（Deepwater Horizon)”鉆井平臺(tái)Missssippi Canyon 252 號(hào)1-01 井發(fā)生的井噴爆炸著火事故，造成重大損失；井噴爆炸事故所造成損失難以衡量，因此，分析解決井噴問(wèn)題十分必要。

1 井噴事故案例調(diào)研與原因分析

在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外發(fā)生的淺層氣井噴事故，統(tǒng)計(jì)SINTEF（挪威科學(xué)和工業(yè)研究基金會(huì)）海上淺層氣井噴數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，分別從操作失誤，設(shè)備失效，設(shè)計(jì)不合理，管理因素，環(huán)境危險(xiǎn)因素五個(gè)方面分析淺層氣井噴的事故致因因素。

1.1 淺層氣井噴原因統(tǒng)計(jì)

來(lái)自SINTEF 海上井噴數(shù)據(jù)庫(kù)[1]中1980—_1994年美國(guó)墨西哥灣大陸架和北海地區(qū)的案例，共有52 起淺層氣井噴的記錄，表1 是對(duì)淺層氣井噴的原因統(tǒng)計(jì)。

表1 淺層氣井噴原因統(tǒng)計(jì)

淺層氣井噴的原因統(tǒng)計(jì)主要包括設(shè)備失效、操作失誤、設(shè)計(jì)不合理以及其他的原因。統(tǒng)計(jì)中這52 起淺層氣井噴事故中至少有30 起使用了或曾試圖使用導(dǎo)流器系統(tǒng)，導(dǎo)流器系統(tǒng)的失效是造成井噴事故的主要原因。

1.2 井噴事故致因因素分析

在淺層氣井噴的原因統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)淺層氣井噴事故致因因素從操作失誤、設(shè)備失效、設(shè)計(jì)不合理、管理因素、環(huán)境危險(xiǎn)因素這5 個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.2.1 操作失誤

一般來(lái)說(shuō)操作失誤是指導(dǎo)致事故發(fā)生或者影響事故進(jìn)程的人的操作失誤行為。根據(jù)1970—2006 年中國(guó)重大井噴事故案例分析，其中操作失誤占井噴事故直接原因的93.53%，所以人的操作失誤是導(dǎo)致事故發(fā)生的一個(gè)重要因素。由于人的操作失誤造成井噴的原因有起鉆抽汲、不合理的灌漿程序、機(jī)械鉆速過(guò)高、靜止時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、固井質(zhì)量差、未及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流這6 類。在鉆遇淺層氣發(fā)生井噴的事故中，抽吸現(xiàn)象較為常見，它主要是因?yàn)槠疸@速度過(guò)快、起鉆灌漿不及時(shí)造成的。在大港灘海鉆井[2]過(guò)程中，作業(yè)進(jìn)行到下放頂驅(qū)準(zhǔn)備繼續(xù)起鉆第16 柱時(shí)，約0.5 min 后鉆具內(nèi)噴出大量氣侵泥漿，事后通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)致井噴的原因在于鉆頭、扶正器泥包，其在起鉆過(guò)程中發(fā)生抽吸，使鉆具內(nèi)液柱壓力低于氣層的孔隙壓力。在葡萄花油田[3]淺氣層井噴事故中，在靜止?fàn)顟B(tài)下氣體通過(guò)擴(kuò)散作用侵入井內(nèi)，氣體積聚并形成氣柱逐漸上升，在上升過(guò)程中，隨著壓力的降低，氣體體積不斷膨脹，最終導(dǎo)致井噴。

1.2.2 設(shè)備失效

從設(shè)備失效分析淺層氣井噴事故的致因因素可以分為防噴器失效、導(dǎo)流器系統(tǒng)失效、套管鞋破壞、井口密封裝置失效、回壓閥失效5 類。挪威石油公司W(wǎng)est Vanguard 事故由于頂部井眼沒有使用防噴器，天然氣氣流直接涌入分流器系統(tǒng)，系統(tǒng)不能控制氣流，釋放出的氣體爆炸吞沒整個(gè)平臺(tái)。爆炸造成1 人死亡，鉆井甲板結(jié)構(gòu)、兩個(gè)樁腿和輪機(jī)艙在大火中被毀壞，整個(gè)平臺(tái)傾斜10°。其他設(shè)備失效比如在關(guān)井的過(guò)程中容易導(dǎo)致套管鞋的破裂；井口、井下裝置不合格或者部分裝置失效，造成無(wú)法及時(shí)關(guān)井；封隔器、控制閥失效會(huì)造成靜水壓力低，進(jìn)而發(fā)生井噴事故。

1.2.3 設(shè)計(jì)不合理

設(shè)計(jì)不合理一般是在鉆井作業(yè)之前，鉆井作業(yè)的程序設(shè)計(jì)或者設(shè)備設(shè)計(jì)制造等不合理，這在本質(zhì)上就為鉆井過(guò)程留下安全隱患。事故調(diào)研中由于設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的淺層氣井噴的原因有鉆井液密度設(shè)計(jì)不合理、套管程序設(shè)計(jì)不合理、防噴設(shè)備缺乏、鉆具搭配不合理、不合適的鉆井方位5 類。在森林石油公司Ensco 51 事故中，公司員工沒有將淺層氣危害與合同水泥公司取得聯(lián)系，這導(dǎo)致水泥層的設(shè)計(jì)不能阻止天然氣進(jìn)入水泥層，在鉆井作業(yè)中鉆遇淺層氣發(fā)生井噴，后升級(jí)為井噴失控發(fā)生大火，Ensco 51 的直升機(jī)甲板和下部結(jié)構(gòu)全被摧毀，直升機(jī)甲板倒塌到平臺(tái)上，平臺(tái)和它的生產(chǎn)設(shè)備全部被毀壞。1981 年8 月27 日美孚石油公司(Mobil)Petromar V 鉆井船，在中國(guó)南海鉆井過(guò)程中遇到淺層氣藏，由于分流器失效與不合適的鉆井方位導(dǎo)致事故井發(fā)生不可控制的井噴，最終致使鉆井船傾覆。

1.2.4 管理因素

管理失誤是指管理者在實(shí)施管理行為過(guò)程中，管理者個(gè)人管理決策偏離，背離管理目標(biāo)的一種行為，尤其發(fā)生井漏、井涌時(shí)，管理決策失誤極易導(dǎo)致井噴事故發(fā)生。深水鉆井過(guò)程中將發(fā)生淺層氣井噴的管理因素分為監(jiān)管不嚴(yán)，指揮失誤，不按照規(guī)定程序操作，缺少檢查制度這4 類。由于管理因素導(dǎo)致井噴事故最典型的案例就是“深水地平線事故”[4]，筆者對(duì)該事故的做過(guò)一定的分析和研究，經(jīng)過(guò)分析得出以下管理方面的原因：未及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、采取不當(dāng)?shù)牟僮鞒绦颉p少了防噴器控制系統(tǒng)的配置、監(jiān)管不力。該事故最終造成7 人重傷，11 人失蹤，原油污染面積超過(guò)4 000 km2，造成了嚴(yán)重的生態(tài)污染和環(huán)境損失。

1.2.5 環(huán)境危險(xiǎn)因素

導(dǎo)致淺層氣井噴的環(huán)境危險(xiǎn)因素主要是淺層地質(zhì)因素，如鉆井作業(yè)中一旦鉆遇未預(yù)料的異常高壓氣層，可能造成井口基底沖垮、發(fā)生井噴，嚴(yán)重可能發(fā)生平臺(tái)沉沒事故。這里將導(dǎo)致淺層氣井噴的環(huán)境因素分為異常高壓氣層、氣侵鉆井液、固井水泥候凝、環(huán)空漏失4 類。

濱里海地區(qū)[5]由于地層的異常高壓氣層，F(xiàn)IOC公司在該地區(qū)一共發(fā)生過(guò)5 次井噴事故，在W 區(qū)塊鉆遇的5 口井當(dāng)中只有2 口井順利完井。地層的異常高壓很難控制，侵入井內(nèi)的氣體隨著返出鉆井液一起返至井口，導(dǎo)致鉆井液密度降低，環(huán)空的靜水壓力降低。另一個(gè)重要因素是固井水泥漿，固井水泥從流態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，水泥開始黏固在井壁和套管壁上，這也會(huì)降低地層的靜液柱壓力，天然氣會(huì)通過(guò)水泥或者沿著水泥外壁流動(dòng)。

2 基于層次分析法的事故致因權(quán)重分析

2.1 事故致因評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

層次分析法(AHP)是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[6-7]。根據(jù)層次分析法、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)理念，考慮現(xiàn)階段深水鉆井淺層氣井噴事故的特點(diǎn)，根據(jù)以上建立的深水淺層氣井噴事故致因因素分析，將操作失誤(U1)、設(shè)備失效(U2)、設(shè)計(jì)不合理(U3)、管理因素(U4)、環(huán)境危險(xiǎn)因素(U5)列為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分解，形成二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終建立深水淺層氣井噴事故致因評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖1 所示。

2.2 事故致因因素權(quán)重確定

根據(jù)以上的指標(biāo)劃分首先構(gòu)造一級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣，根據(jù)事故原因的調(diào)查分析得到淺層氣井噴的主要原因是操作失誤，所以把操作失誤作為最重要的因素，其次是設(shè)計(jì)的不合理因素，設(shè)備失效和管理因素占同樣重要的位置，最后的是環(huán)境危險(xiǎn)因素。構(gòu)造一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的事故致因因素構(gòu)建體系案例[8]，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到本文的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值如表2 所示。

表2 一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣

表4 設(shè)備失效的二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣

表5 設(shè)計(jì)不合理的二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣

表6 管理因素的二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣

類似地可以得到人因失誤、設(shè)備失效、設(shè)計(jì)不合理、管理因素、環(huán)境危險(xiǎn)因素的二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣如表3-表7 所示。

表3 人因失誤的二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣

表7 環(huán)境危險(xiǎn)因素的二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣

2.2.1 求解權(quán)重利用特征根方法求解判斷矩陣的權(quán)重：

式中，A指的是判斷矩陣；λmax是判斷矩陣A的最大特征根，w是相應(yīng)的特征向量。所得到的w 經(jīng)歸一化后就可以作為權(quán)重向量。將所有的判別矩陣通過(guò)公式（1）的計(jì)算，可以求出它們的權(quán)重如表8 所示。

表8 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.2.2 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣是計(jì)算權(quán)向量的依據(jù)，在計(jì)算單準(zhǔn)則下排序權(quán)向量時(shí)，必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其步驟如下：

1） 計(jì)算一致性指標(biāo)C.I.( consistency index )

式中，n 為矩陣階數(shù)。

2）查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.(random index )

3） 計(jì)算一致性比例C.R.(consistency ratio)

表9 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.

當(dāng)C.R.＜ 0.1 時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，當(dāng)C.R.＞0.1 時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)判斷矩陣做適當(dāng)修正。

根據(jù)以上步驟求得一級(jí)一致性指標(biāo)為0.014 2，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為1.12，計(jì)算的一致性比例為0.012 7 ＜ 0.1 判斷一級(jí)矩陣的一致性是可以接受的。同理分別求得二級(jí)指標(biāo)的一致性比例分別為0.0 242、0.019 5、0.012 7、0.003 8、0.007 6 均滿足一致性要求。

2.2.3 權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)化

一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如表10 所示。

表10 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)二級(jí)指標(biāo)權(quán)重的標(biāo)準(zhǔn)化，并且分別計(jì)算出每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層影響因素的大小，根據(jù)這些影響因素的按照從大到小的順序排列，最終得出的權(quán)重結(jié)果分別如表11 和表12 所示。

表11 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)化

表12 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重排序

綜上所述，最終得到深水淺層氣井噴事故致因評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的權(quán)重。對(duì)目標(biāo)層影響較大，權(quán)重值較大的因素有起鉆抽汲(C1)，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流(C6)，導(dǎo)流器系統(tǒng)失效(C8)，鉆井液密度設(shè)計(jì)(C12)，不合理的灌漿程序(C2)，固井質(zhì)量差(C5)。針對(duì)導(dǎo)致井噴發(fā)生的主要因素，應(yīng)該采取對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

3 基于魚骨法的風(fēng)險(xiǎn)控制措施

3.1 魚骨分析法

魚骨圖又稱樹枝圖或特性因素圖，1953 年由日本東京大學(xué)的ISHIKAWA 教授設(shè)計(jì)的一種找出問(wèn)題原因的方法，首次應(yīng)用于日本后逐漸引進(jìn)到其他國(guó)家。一般多用于企業(yè)的質(zhì)量管理等方面，隨著近些年對(duì)安全研究的重視，魚骨法也被移植到安全分析領(lǐng)域。

魚骨圖是一種定性分析方法，用集合論建立魚骨圖的數(shù)學(xué)模型。按照魚骨圖的作用和各個(gè)因素的相互關(guān)系，分為問(wèn)題型魚骨、原因型魚骨和對(duì)策型魚骨三種。

3.2 井噴風(fēng)險(xiǎn)控制措施

風(fēng)險(xiǎn)控制是指采取各種措施減小風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性或者把可能發(fā)生的損失控制在一定范圍。根據(jù)層次分析法中計(jì)算的權(quán)重值較大的因素，制定相應(yīng)的措施。

1) 起鉆抽吸控制措施

① 減小起鉆抽吸壓力，嚴(yán)禁“拔活塞”起鉆；

② 合理規(guī)定起下鉆和下套管速度；

③ 及時(shí)進(jìn)行短起下作業(yè)。

2) 未及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流

① 在起下鉆過(guò)程中，專人觀察井眼液面變化；

② 起鉆后和空井期間要注意觀察井眼的液面變化。

3) 灌漿不及時(shí)的控制措施

不要超過(guò)允許停泵時(shí)間，若停泵時(shí)間較長(zhǎng)，及時(shí)灌滿鉆井液。

4) 導(dǎo)流器系統(tǒng)的失效對(duì)應(yīng)措施

改進(jìn)導(dǎo)流器設(shè)計(jì)，加大導(dǎo)流器管線的直徑，降低氣流速度，減小彎頭和節(jié)流點(diǎn)的數(shù)量，減少管線的沖蝕。

5) 鉆井液密度不合理的對(duì)應(yīng)措施

對(duì)淺層氣層采用適當(dāng)密度鉆井液鉆開，鉆井液密度按規(guī)定附加值的高值進(jìn)行附加；鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要盡量簡(jiǎn)化，入井鉆具中應(yīng)有內(nèi)防噴裝置，可有效防止發(fā)生鉆具內(nèi)井噴。

6) 不合理的灌漿程序

按照規(guī)定的操作程序操作，制定合理的操作規(guī)程和考核制度，建立和執(zhí)行監(jiān)管制度。

7) 固井質(zhì)量差的應(yīng)對(duì)措施

檢驗(yàn)固井質(zhì)量是否合格，并且進(jìn)行負(fù)壓測(cè)試。

對(duì)上述事故的原因和對(duì)應(yīng)的控制措施，結(jié)合魚骨圖法做出淺層氣井噴事故的綜合型魚骨圖，如圖2 所示。

4 結(jié)論

筆者在對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)生多起淺層氣井噴事故調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)淺層氣井噴的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立淺層氣井噴事故致因框架，確定淺層氣井噴的事故評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法(AHP)計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重值，根據(jù)得出的權(quán)重值大小確定淺層氣井噴的主要原因，利用魚骨法針對(duì)這些因素提出相應(yīng)的控制措施，以期降低事故發(fā)生的可能性。