基于模糊事故樹(shù)的水下井口回收風(fēng)險(xiǎn)分析

劉書(shū)杰 黃熠 孟文波 黃亮 李磊 付光明

1. 中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司；2. 非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)(華東)

深水油氣田開(kāi)發(fā)是國(guó)內(nèi)油氣儲(chǔ)量的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。水下井口系統(tǒng)是海洋油氣開(kāi)發(fā)的重要裝備。在海上油氣井不再具備開(kāi)采價(jià)值或者水下開(kāi)采設(shè)備海試完成后，按照海洋油氣開(kāi)發(fā)的要求需要對(duì)水下井口系統(tǒng)進(jìn)行回收。水下井口系統(tǒng)的回收程序復(fù)雜，需要先將套管密封總成回收，再將生產(chǎn)套管、技術(shù)套管逐層切割回收，再對(duì)表層套管和導(dǎo)管切割后連同高壓井口和低壓井口一起回收［1］。水下井口系統(tǒng)回收過(guò)程中套管切割不完整，回收工具與井口和套管咬合不緊等情況時(shí)有發(fā)生，容易導(dǎo)致水下井口系統(tǒng)回收失效。因此，對(duì)水下井口系統(tǒng)回收過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，進(jìn)而識(shí)別潛在的高風(fēng)險(xiǎn)因素，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施具有重要意義。

目前，各類風(fēng)險(xiǎn)分析方法廣泛應(yīng)用于海洋油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，吳翔飛［2］利用貝葉斯方法對(duì)水下井口疲勞進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析；劉健、劉超和羅建梅等［3-5］基于不同的風(fēng)險(xiǎn)分析算法對(duì)油管掛安裝過(guò)程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別了影響油管掛安裝過(guò)程中的高風(fēng)險(xiǎn)因素；李晶晶等［6］基于邏輯樹(shù)模型對(duì)海洋平臺(tái)的應(yīng)急撤離進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析；張靜［7］運(yùn)用故障類型及其影響分析法(FMEA)對(duì)海洋鉆井作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析,識(shí)別鉆井井架是高風(fēng)險(xiǎn)因素并制定了相應(yīng)的防護(hù)措施；尹群等［8］以事件樹(shù)和ALARP 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，利用SAFETI 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算軟件定量評(píng)估了油氣泄漏災(zāi)害下海洋平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)。然而，針對(duì)水下井口系統(tǒng)回收作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析研究鮮有報(bào)道。

筆者結(jié)合水下井口系統(tǒng)回收操作流程和專家現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)梳理導(dǎo)致水下井口系統(tǒng)回收失效的基本事件，建立了以水下井口系統(tǒng)回收失效為頂事件的事故樹(shù)；通過(guò)引入專家評(píng)價(jià)機(jī)制，對(duì)基本事件的發(fā)生概率進(jìn)行語(yǔ)言評(píng)價(jià)；利用模糊數(shù)學(xué)算法將專家對(duì)基本事件的語(yǔ)言評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為基本事件發(fā)生的概率；基于敏感性分析識(shí)別水下井口系統(tǒng)回收過(guò)程中的高風(fēng)險(xiǎn)因素，為水下井口系統(tǒng)的安全回收提供參考。

1 水下井口系統(tǒng)回收過(guò)程

套管通過(guò)套管懸掛器懸掛在水下井口內(nèi)，因此水下井口回收的第一步是逐層切割和回收技術(shù)套管、生產(chǎn)套管。第二步是切割表層套管和導(dǎo)管并回收井口系統(tǒng)。工程中使用割撈一體的鉆具組合對(duì)技術(shù)套管和生產(chǎn)套管進(jìn)行切割和回收。該鉆具組合能一趟起下實(shí)現(xiàn)套管的切割和回收，經(jīng)濟(jì)性好，廣泛應(yīng)用于水下井口技術(shù)套管和生產(chǎn)套管的回收。水下井口系統(tǒng)的回收工具主要分為提拉式切割回收和坐壓旋轉(zhuǎn)切割回收工具。提拉式切割井口回收工具具有可靠性高、作業(yè)平穩(wěn)、切割效率高且對(duì)井口沒(méi)有破壞性等特點(diǎn)［9-12］，提拉式切割回收過(guò)程中，外懸掛組合工具卡住并鎖緊井口，過(guò)提鉆具組合使井口頭處于受拉的狀態(tài)下切割回收套管，套管切割完成后連同井口系統(tǒng)一起上提回收，適應(yīng)深水和超深水水下井口切割回收要求。

技術(shù)套管和生產(chǎn)套管切割回收過(guò)程：①確定切割深度并組合切割回收管串；②將管串下入到指定位置，下壓鉆柱推動(dòng)撈矛進(jìn)入套管內(nèi)部；上提鉆桿，上部解鎖殼體與解鎖環(huán)分離，過(guò)提一定力即可保證卡瓦鎖緊套管；③切割套管，待切割完成后上提工具管串至轉(zhuǎn)盤，實(shí)現(xiàn)套管的回收；④拆卸回收的套管。

提拉式井口系統(tǒng)切割回收工具的過(guò)程：①確定切割深度并組合切割和回收鉆具；②對(duì)割刀和外懸掛工具進(jìn)行功能測(cè)試；③連接外懸掛工具和井口頭，使外懸掛工具從解鎖狀態(tài)過(guò)渡到鎖緊狀態(tài)，并確認(rèn)鎖緊；④過(guò)提100～200 kN 的力切割表層套管和導(dǎo)管；⑤通過(guò)鉆柱懸重變化和鉆具上行高度以及ROV 綜合判斷套管是否割斷成功；⑥套管和導(dǎo)管逐層割斷后，起出井口系統(tǒng)于甲板，解鎖外懸掛器卡爪，取出切割工具，完成水下井口系統(tǒng)回收作業(yè)。針對(duì)割撈一體的技術(shù)套管和生產(chǎn)套管回收工具和提拉式切割井口系統(tǒng)回收工具進(jìn)行回收風(fēng)險(xiǎn)分析。

2 井口回收過(guò)程模糊事故樹(shù)

根據(jù)井口系統(tǒng)的回收過(guò)程，結(jié)合井口系統(tǒng)的回收過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)專家的經(jīng)驗(yàn)，分析頂事件失效原因及失效模式，梳理了導(dǎo)致井口系統(tǒng)回收失效的基本事件和中間事件以及邏輯關(guān)系，建立以井口系統(tǒng)回收失效為頂事件的事故樹(shù)。通過(guò)專家評(píng)分機(jī)制對(duì)基本事件進(jìn)行評(píng)估，首先選擇相關(guān)領(lǐng)域不同職務(wù)、工齡、教育背景等評(píng)判專家，并確立專家權(quán)重，利用專家評(píng)估對(duì)井口系統(tǒng)發(fā)生失效的基本事件的可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)；其次，通過(guò)模糊化和去模糊化數(shù)學(xué)方法將專家對(duì)井口系統(tǒng)失效的語(yǔ)言評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)描述，實(shí)現(xiàn)井口系統(tǒng)回收失效概率的定量描述，同時(shí)根據(jù)量化結(jié)果確定各專家評(píng)價(jià)結(jié)果的相似度、平均相似度、相對(duì)相似度等評(píng)價(jià)系數(shù)。根據(jù)專家權(quán)重和評(píng)價(jià)系數(shù)確定一致性系數(shù)，確定專家組最終評(píng)價(jià)結(jié)果，得到各基本事件的概率模糊數(shù)；通過(guò)數(shù)學(xué)算法將基本事件概率模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)，并進(jìn)一步求得頂事件失效概率，使用各基本事件失效概率及頂事件失效概率，基于敏感性分析求得各基本事件臨界重要性系數(shù)及概率重要性系數(shù)，提出高風(fēng)險(xiǎn)事件預(yù)防措施。水下井口系統(tǒng)回收模糊事故樹(shù)分析流程如圖1 所示。

圖1 水下井口系統(tǒng)回收失效的模糊事故樹(shù)分析流程Fig. 1 Fuzzy fault tree analysis process of subsea wellhead system recovery failure

3 模糊事故樹(shù)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用分析

3.1 事故樹(shù)的建立

梳理了導(dǎo)致水下井口系統(tǒng)回收失效發(fā)生的基本事件和中間事件，通過(guò)頂事件發(fā)生的邏輯關(guān)系，利用邏輯“與”、“或”關(guān)系將基本事件、中間事件和頂事件連接形成倒立的樹(shù)狀圖［13-14］；模糊事故樹(shù)如圖2 所示，4 個(gè)中間事件X1～X4和19 個(gè)基本事件M1～M19如表1所示。

表1 水下井口回收事件編碼表Table 1 Codes of subsea wellhead recovery events

圖2 水下井口回收失效模糊事故樹(shù)Fig. 2 Fuzzy fault tree of subsea wellhead recovery failure

3.2 專家組選擇及權(quán)重計(jì)算

引入現(xiàn)場(chǎng)專家評(píng)分機(jī)制對(duì)基本事件發(fā)生的可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。專家評(píng)價(jià)語(yǔ)言分為低(L)、比較低(FL)、中(M)、比較高(FH)、高(H)共5 個(gè)等級(jí)。邀請(qǐng)的14 位本領(lǐng)域?qū)＜?，包括主管、?jīng)理、工人等，具有豐富的水下井口系統(tǒng)回收的知識(shí)背景和工程作業(yè)背景，其評(píng)價(jià)能較為客觀和全面地反映水下井口系統(tǒng)回收的實(shí)際情況。根據(jù)專家的職務(wù)、教育背景和工齡設(shè)定不同的等級(jí)分值，確立專家權(quán)重值如表2所示［15-16］。

表2 水下井口安裝及回收專家組權(quán)重值Table 2 Panel weight value of subsea wellhead installation and recovery

3.3 基本事件概率模糊化與去模糊化處理

模糊理論是通過(guò)引入模糊集使用語(yǔ)言描述替換數(shù)值描述的理論方法。模糊集合中的元素對(duì)集合的隸屬度不再僅限于0 和1，而是擴(kuò)展到[0,1]間的任意數(shù)值。將專家組的語(yǔ)言評(píng)價(jià)概率表達(dá)歸一化模糊數(shù)處理，三角模糊分布隸屬度函數(shù)如式(1)～(5)所示。結(jié)合專家權(quán)重值，將專家的評(píng)價(jià)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化成隸屬函數(shù)，利用式(11)可得相應(yīng)概率模糊數(shù)［17］。

式中，uL(x)，uFL(x)，uM(x)，uFH(x)和uH(x)分別為低概率、比較低概率、中概率、比較高概率和高概率三角模糊數(shù)分布函數(shù)；x為模糊數(shù)。

專家組成員(Eu，u=1,2,…,l)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)作出不同的判斷，重要的是將所有的專家評(píng)價(jià)匯總起來(lái)，并獲得專家們的共識(shí)。假設(shè)每個(gè)專家用自然語(yǔ)言表達(dá)自己的觀點(diǎn)，將自然語(yǔ)言通過(guò)下面的算法轉(zhuǎn)換為模糊數(shù)［18］。專家們的評(píng)價(jià)用R表示，=(ru1,ru2,ru3,ru4) 和=(rv1,rv2,rv3,rv4)是2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梯形模糊數(shù)，其中u，v指某專家代碼，ru1、ru2、ru3、ru4和rv1、rv2、rv3、rv4分別表示第u和v個(gè)專家對(duì)基本事件評(píng)價(jià)結(jié)果的模糊集。

專家評(píng)價(jià)的相似度S滿足下式。

S值的范圍在[0,1] 之間，值越大表示專家們的觀點(diǎn)一致性越高。當(dāng)S=1 時(shí)，專家們的觀點(diǎn)相同。由于涉及的專家較多，研究以基本事件X12表層套管與導(dǎo)管回收刀片損壞為例，計(jì)算專家組評(píng)價(jià)結(jié)果的相似性函數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 專家組對(duì)X12 評(píng)價(jià)的相似函數(shù)值Table 3 Similarity function value to X12 evaluation by panel

專家評(píng)價(jià)的平均相似度為

專家評(píng)價(jià)的相對(duì)相似度為

利用式(7)和(8)求得專家組針對(duì)基本事件X12的平均相似度和相對(duì)相似度如表4 所示。

專家評(píng)價(jià)的一致性系數(shù)［16］為

式中，β為松弛因子，表示權(quán)重w(Eu)對(duì)于相對(duì)相似度RA(Eu)的重要性，松弛因子β=0.5，求得基本事件X12的專家組一致性系數(shù)如表5 所示。

表5 專家組的一致性系數(shù)(X12)Table 5 Consistence coefficient of panel(X12)

專家組評(píng)價(jià)結(jié)果為

梯形模糊數(shù)代表每個(gè)專家的意見(jiàn)。專家組的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致性系數(shù)和相對(duì)模糊數(shù)的每個(gè)值相乘的總和，專家組對(duì)X12的評(píng)價(jià)結(jié)果為r1=0.230 9，r2=0.399 2，r3=0.405 3，r4=0.579 6。將概率模糊數(shù)進(jìn)行去模糊化處理，得到模糊數(shù)P*為

將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為基本事件失效概率P，然后根據(jù)布爾代數(shù)法計(jì)算頂事件水下井口系統(tǒng)回收失效的概率Por為0.016 5。

式中，Pi為基本事件失效概率；n為基本事件個(gè)數(shù)。

3.4 基本事件敏感度分析

針對(duì)水下井口系統(tǒng)回收的敏感度分析結(jié)果，可以為回收過(guò)程中的高風(fēng)險(xiǎn)事故的預(yù)防和工具的設(shè)計(jì)及工藝的改進(jìn)提供重要參考?；臼录膬?nèi)容和所在的位置對(duì)頂事件都會(huì)有影響。通常這種影響程度用基本事件概率、概率重要度、臨界重要度進(jìn)行表征，這些參數(shù)也是敏感度分析涉及的主要參數(shù)，其中概率重要度、臨界重要度分別根據(jù)式(15)、(16)進(jìn)行求解［19］，結(jié)果如表6 所示。

表6 水下井口回收風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)分析結(jié)果Table 6 Analysis result of risk parameters of subsea wellhead recovery

式中，I(i)為第i個(gè)基本事件的概率重要度系數(shù)，Ig(i)為第i個(gè)基本事件的關(guān)鍵重要度系數(shù)，P(T)為頂事件發(fā)生概率，qi為第i個(gè)基本事件發(fā)生概率。

由計(jì)算可知，基本事件中表層套管與導(dǎo)管回收刀片損壞(X12)失效概率最大，表層套管與導(dǎo)管回收時(shí)定位基座損壞(X16)失效概率最小。通過(guò)對(duì)比基本事件的概率重要度，確定了對(duì)水下井口回收失效的影響程度較大的基本事件及其影響的中間事件，如表7 所示。因此，在水下井口回收過(guò)程中應(yīng)特別關(guān)注割刀卡死和刀片損壞以及切割位置不準(zhǔn)的情況，同時(shí)減少人為的操作失誤。

表7 水下井口系統(tǒng)回收關(guān)鍵影響因素分析Table 7 Key factors influencing subsea wellhead system recovery

4 結(jié)論

(1)結(jié)合水下井口系統(tǒng)回收操作流程和現(xiàn)場(chǎng)專家經(jīng)驗(yàn)，識(shí)別了水下井口回收過(guò)程中存在的刀片損壞、割刀卡死以及操作失誤等19 項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素。

(2)建立了水下井口回收失效為頂事件的模糊事故樹(shù)，采用模糊化算法將專家對(duì)基本事件的評(píng)價(jià)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為基本事件的失效概率，并分析計(jì)算得到頂事件失效的概率為0.016 5。

(3)敏感性分析結(jié)果表明，表層套管與導(dǎo)管回收刀片損壞的風(fēng)險(xiǎn)最高；在制定井口系統(tǒng)回收方案時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注割刀卡死和刀片損壞以及切割位置不準(zhǔn)的情況，并避免操作失誤；此外，應(yīng)針對(duì)上訴因素提出預(yù)防措施以降低井口系統(tǒng)回收風(fēng)險(xiǎn)。