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應用事故樹法對深水井控進行風險評估

文檔作者：高永海1 孫寶江1 曹式敬2 宋林松2 史作法3 文檔來源： 1. 中國石油大學石油工程學院 2. 中國海洋油田服務股份有限公司 3. 東方公司裝備事業部華北作業部,		點擊數：	更新時間： 2021年09月17日
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文章編號: 1000 - 7393 (2008) 02 - 0023 - 05
應用事故樹法對深水井控進行風險評估
3
高永海1 　孫寶江1 　曹式敬2 　宋林松2 　史作法3
(1. 中國石油大學石油工程學院,山東東營　257061; 2. 中國海洋油田服務股份有限公司,北京　100027;
3. 東方公司裝備事業部華北作業部,河北任丘　062552)
摘要:深水井噴事故危害極大,嚴重時可導致井眼報廢、船毀人亡等惡性后果,預防和控制深水井噴是國內外石油界的一
個技術難題。文中利用風險樹分析引發深水鉆井工程事故的頂事件,重點討論各底事件的相互聯系及對系統的影響程度,分
析頂事件的發生概率,為最大程度地減少深水井控事故的發生提供理論依據。通過對深水鉆井過程中存在的風險進行分析,
構建了深水井控風險分析事故樹,并對其進行了定性與定量分析。通過風險分析,認為深水井控最主要的影響因素是關井及
壓井時設備故障、設計方法及操作失誤的影響超過安全極限。分析表明,降低基本事件的發生概率對預防井噴作用明顯,基
本事件發生概率提高1倍,井噴發生概率提高近10倍。針對深水井控過程中存在的風險因素,從工藝、裝備及人員要求方面
提出了預防深水井噴的措施。
關鍵詞: 深水; 井控; 風險分析; 事故樹
中圖分類號: TE28　　　文獻標識碼:A
Risk a ssessmen t on well con trol in deepwa ter dr illing ba sed on fault tree ana lysis
GAO Yonghai1 , SUN Baojiang1 , CAO Shijing2 , SONG L insong2 　SH I Zuofa3
(1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Dongying 257061, China; 2. China Offshore O ilfield Services L im ited,
CNOOC, B eijing 100027, China; 3. N orth China Operation Departm ent of Eastern Com pany, Renqiu 062552, China)
　　Abstract: The harm of deepwater blowout is extremely serious, which may lead to useless wellbore and the disaster of rigs and
staff. At p resent, the well blowout p recaution and control technology in deepwater drilling is still a world - class technical p roblem for
the petroleum industry both at home and abroad. Based on the fault tree analysis, the top events resulting in the accidents in deepwater
drilling are discussed. Emphasis is laid on the discussion of the correlation between bottom events and their effect on the system. The
p robability of top events is also analyzed. All p rovides theoretical basis for reducing the deepwaterwell control accidents to the greatest
extent. Based on the analysis on risks in deepwater drilling, the fault tree for the analysis of well control in deepwater is established,
forwhich both qualitative analysis and quantitative analysis are conducted. Risk analysis shows that the critical factors affecting deep
water well control are that the negative effect of design methods and operating failures exceeds the safety limits. It is significantly help2
ful to p revent blowout by reducing the occurrence p robability of elementary events. The occurrence p robability of elementary events is
enhanced by one time, while that of blowout is increased by 10 times. In view of the risk elements in deepwaterwell control, measures
of p reventing blowout are put forward from the perspectives of technologies and equipments aswell as the requirements on operating per2
sonnel.
　　Key words: deepwater; well control; risk analysis; fault tree analysis
　　深海油氣資源勘探最直接的風險之一來自鉆
井,井噴是鉆井中最嚴重的事故之一。鉆井作業中,
一旦發生井噴將導致井下情況更加復雜,往往需要
壓井作業。在深水鉆井時,由于壓井技術難度大,井
噴不容易控制,若井噴失控,將嚴重破壞油氣資源,
并造成火災[ 1 ] 。如果發生井噴事故,其破壞程度以
第30卷第2期　　　　　　　　　　　石油鉆采工藝　　　　　　　　　Vol. 30 No. 2
　2008年4月　　　　　　　O IL DR ILL ING &amp;amp; PRODUCTION TECHNOLOGY　　　　　　　Ap r. 2008 　
3基金項目:國家“863”計劃重大項目課題“深水鉆完井關鍵技術”(編號: 2006AA09A106)和教育部博士點基金“深水鉆井井控水力參數
計算理論”(編號: 20060425502)資助。
　　作者簡介:高永海, 1977年生。中國石油大學(華東)博士研究生。電話: 0546 - 8392273, E - mail: gao_yonghai@yahoo. com. cn。
及造成的損失比陸上及淺海鉆井更為巨大。因此在
進行深水鉆井作業前需要進行嚴格的風險分析評
估,找出可能存在的風險因素,并提出改進措施,以
保證深水鉆完井工程的順利進行[ 2 - 5 ] 。
事故樹分析技術于20世紀60年代提出,興起
于70年代,通過采用邏輯的方法,形象地進行風險
分析,直觀明了,思路清晰,邏輯性強,既可定性分
析,又可定量分析。通過分析造成頂事件的各種可
能因素及其因果關系,透徹地了解系統,找出系統薄
弱環節,并針對其采取有效措施來避免或削減損失。
事故樹分析技術是系統工程風險分析的主要方法之
一[ 6 ] 。采用事故樹分析法對深水井控風險進行分
析評估,以獲得深水井控操作的最危險事件及其影
響因素,并通過分析,確定基本事件的重要程度。
1　深水井控的主要風險因素
深水井控的風險受一系列相關因素的影響,主
要有地質條件、地層壓力、井控裝備、水深、節流管線
尺寸、井涌檢測方法、關井、壓井方法以及人員操作
技術水平及應對突發事件的能力等。
(1)地質條件。泥線以下淺部地層地質年齡
輕,壓實時間短,地層滲透率一般較高,海底淺部地
層強度很低,上覆巖層壓力與陸地上相比偏低。地
層在這種低的上覆巖層壓力下壓實,趨向于顯出較
低的破裂壓力。由于海水密度比淡水密度大,深水
地層中的靜液壓力比同深度處陸上地層的靜液壓力
大,破裂壓力與地層壓力窗口非常窄。特別是表部
地層,鉆完井液密度窗口更是狹窄。鉆完井液密度
窗口狹窄導致套管層次增多、套管余量不足。如果
沒有足夠的套管層次可供選擇和更精確的鉆井液密
度計算,深水鉆井中就失去了對付淺層溢流、漏失
層、井控事故等最有效的方法。這就需要加大地層
壓力探測的研究,只有精確預測不同深度的地層壓
力和斷層,才能較準確地設計鉆井液密度。對易漏
失的地層,采用適宜的鉆井工藝和鉆井液。
(2)深水低溫增加了深水井控的難度。龐大的
水體覆蓋使得深水環境中的鉆井與陸上鉆井有著很
大的區別,深水中水體要比陸上鉆井中等深處的巖
石溫度低很多,溫度隨井深增大而降低,這就使鉆井
液的溫度降低。由圖1可見,陸上鉆井外部溫度通
常隨井深增加而增加,而海底鉆井則相反。在水深
超過1500 m處會有60 ℃以上的溫度差異。鉆井液
的流變性等性質受其影響明顯變差,導致井控難度
增加和鉆井事故的發生[ 7 ] 。
圖1　陸上和深水井的環境溫度比較
另外,深水鉆井時,受泥線處的高壓低溫環境以
及井筒內的復雜溫度環境影響,井筒中還易形成天
然氣水合物,對井筒內的壓力控制帶來了難題。其
不利影響主要有[ 8 ] : ①節流壓井管線堵塞,無法恢
復循環作業; ②隔水管、防噴器或套管與鉆具的環
空形成堵塞,無法移動鉆具; ③鉆具與防噴器之間
形成堵塞,使防噴器不能完全被關閉; ④被關閉的
防噴器閘板腔中形成堵塞,而不能完全打開防噴器。
因為水合物的存在造成上述問題,因此在深水鉆
井作業中,水合物的形成將使鉆井工作變得非常復雜,
增加鉆井作業的風險,并增加作業成本;同時,天然氣
水合物堵塞節流壓井管線,阻止防噴器的開關,堵塞環
空,無法活動鉆具,從而增加井控作業的風險。影響水
合物形成的主要因素是氣/液相成分、溫度和壓力。進
行深水作業前,必須評估井控作業時在井口、防噴器及
節流壓井管線中形成水合物的可能性。評估的重要參
數包括溫度、壓力以及氣/液相成分等[9 ]。
(3)節流管線摩阻損失給深水井控帶來另一個
風險。深水鉆井井口多裝在海底,節流管線隨水深
增加而延長。井口回壓高及節流管線的明顯壓力損
失,導致深水井控壓井參數計算方法與陸地不同。
狹小的節流管線中循環的壓力損失很大,這些壓力
可能大于最大允許環空壓力并壓漏地層。氣侵情況
下,節流管線的體積減小也會在管線底部產生“氣
體交換效應”,管線內迅速被氣體充滿,并極快地減
小靜水壓頭,需要迅速的節流操作來保證穩定的井
底壓力,若調節不及時,會導致壓力無法控制。
(4)井控裝備也是影響井控作業能否順利進行
的風險因素。發展新的井控裝備,如自動補償式旋
轉防噴器及其液壓控制系統、大容量除氣器、節流管
匯、固控設備、點火器、燃燒器、阻火器等,在發生較
大規模的井涌時能夠有效處理,避免井噴的發生。
(5)關井、壓井方法以及操作人員技術水平及
24 石油鉆采工藝 　2008年 4月 (第 30卷 )第 2期 　
應對突發事件的能力影響井控操作能否成功。深水
井控由于低的破裂壓力,有時常規的司鉆法與工程
師法不適合深水壓井,動態壓井法及附加流速法是
適合深水壓井較好的替代法[ 10, 11 ] 。另外,井噴經常
由于疏忽大意或操作不當引起。由于缺乏深水鉆井
的經驗,對深水鉆井的許多相關技術和設備缺乏系
統的了解與認識,對處理深水井控更是缺乏實際經
驗。因此需要充分調研與分析國外深水鉆井作業尤
其是深水井控作業相應的設備與技術,制訂合理的
規劃,在遇到井涌等險情時可以順利排除。
(6)淺層氣、淺層水問題[ 12 - 15 ] 。海底淺部地層
地質年齡輕,壓實時間短,地層滲透率一般較高。通
常欠壓實層的高滲透率使得高壓層內地層水以很高
的流速流向低壓區,即淺部水層的井涌。淺部水層
井涌是許多鉆井問題的起因,表現為鉆井、下套管固
井出現困難,嚴重時會導致井眼坍塌甚至引起海底
沉降。最壞的情況是造成油井報廢。淺層氣埋藏在
淺部地層,俗稱“雞窩氣”,是蘊藏在海床面以下800
m范圍內未膠結地層中的天然氣。淺層氣井噴有如
下特點: ①易發生,速度快。②處理困難。③危害
大。④允許波動壓力低。⑤預見性差。
2　深水井控風險分析模型的建立
頂事件是風險分析所關心的結果事件,位于事
故樹頂端;而底事件是在特定風險分析中無須或暫
時不能探明其發生原因的事件。割集是事故樹若干
底事件的集合,如果這些事件都發生,則頂事件發
生。最小割集是底事件不能再減少的割集,即最小
割集中任意去掉一個底事件之后,剩下的底事件就
不是割集。一個最小割集代表引起事故樹頂事件發
生的一種風險模式。事故樹定性分析的任務就是尋
找事故樹全部最小割集的集合在此基礎上計算或估
計頂事件發生的概率。圖2為事故樹分析流程。
在石油工業各類事故中,無論從事故數量還是
造成損失上,井噴都名列前茅。按照“Willis能源損
失數據庫”的統計資料,井噴占所有事故的90% ,而
井控最終的目的就是防止井噴出現,排除危險。因
此將井噴失控確定為深水井控的頂事件。
2. 1　創建事故樹
以井噴失控為頂事件,通過事故樹分析法構建
事故樹,以全面清晰地反映整個井噴事故發生的原
因,了解其對頂事件的影響程度以及各底事件的內
在聯系(圖3) 。
　高永海等:應用事故樹法對深水井控進行風險評估 25
2. 2　事故定性分析
事故樹分析中,最小割集和最小徑集占有非常
重要的地位。對定性和定量分析都起著重要的作
用,對合理地控制頂事件的發生,提供重要的信息經
過分析,本事故樹的最小割集很多,達100個。因此
分析其最小徑集,來對深水井控的風險進行定性分
析。用布爾代數化簡求事故樹的最小徑集
T =A ′+B ′=C′X1 ′+ J ′K′
= X1 ′X2 ′X3 ′X4 ′X5 ′X6 ′X7 ′X8 ′X9 ′X10 ′+
[X11 ′X12 ′X13 ′X14 ′X15 ′X16 ′+ X21 ′]·
[X17 ′X18 ′X20 ′X13 ′X14 ′X15 ′X19 ′+ X22 ′]
= X1 ′X2 ′X3 ′X4 ′X5 ′X6 ′X7 ′X8 ′X9 ′X10 ′+
X11 ′X12 ′X13 ′X14 ′X15 ′X16 ′X17 ′X18 ′X19 ′X20 ′+
X11 ′X12 ′X13 ′X14 ′X15 ′X16 ′X22 ′+
X13 ′X14 ′X15 ′X17 ′X18 ′X19 ′X21 ′+ X21 ′X22 ′
由此可以得到事故樹的5個最小徑集,即
P1 = { X1 , X2 , X3 , X4 , X5 , X6 , X7 , X8 , X9 , X10 }
P2 = {X11 , X12 , X13 , X14 , X15 , X16 , X17 , X18 , X19 , X20 }
P3 = { X11 , X12 , X13 , X14 , X15 , X16 , X22 }
P4 = { X13 , X14 , X15 , X17 , X18 , X19 , X21 }
P5 = { X21 , X22 }
因為X21 , X22出現在2個基本事件和7個基本
事件的最小徑集中,是最重要的事件。同理,可得到
事件的結構重要順序為
IΦ (21) = IΦ (22) > IΦ (13) = IΦ (14) = IΦ (15) >
IΦ (11) = IΦ (12) = IΦ (16) = IΦ (17) = IΦ (18) =
IΦ (19) > IΦ (1) = IΦ (2) = IΦ (3) = IΦ (4) =
IΦ (5) = IΦ (6) = IΦ (7) = IΦ (8) = IΦ (9) = IΦ (10)
這個順序說明,事件21, 22是最容易導致頂事
件即井噴失控的條件事件,這2個條件事件是: ①關
井時設備故障、設計方法及操作失誤的影響超過關
井安全極限; ②壓井時,設備故障、設計方法及操作
失誤的影響超過壓井安全極限。因此要保證設備故
障、設計及操作失誤不能超過安全許可范圍。對于
基本事件的重要度來說,防噴器、節流閥及管線的安
全是最重要的,防止發生井噴首先要從這方面得到
保證。其余事件尤其是前10個事件的重要度相同,
而且并集較多,說明要想保證井噴不發生,需要眾多
因素同時保證。但是由于井控裝備條件、海面狀況
惡劣、地質條件、深水低溫影響、平臺甲板限制以及
員工素質及操作水平的限制,可能會在某些方面存
在問題,這表明深水鉆井存在一定井噴風險。
2. 3　事故定量分析
假定事故樹中20個基本事件發生的概率均為
0. 1,則井控成功率為
q′= 1 - (1 - 0. 910 ) (1 - 0. 910 ) (1 - 0. 97 ) ×
(1 - 0. 97 ) (1 - 0. 92 ) = 0. 978
即井噴發生概率為q = 1 - q′= 0. 022。
當事故樹中20個基本事件發生的概率均為0. 2
時,井控成功率為
q = 1 - (1 - 0. 810 ) (1 - 0. 810 ) (1 - 0. 87 ) ×
(1 - 0. 87 ) (1 - 0. 82 ) = 0. 821
即井噴發生概率為q = 1 - q′= 0. 179。
從以上結果來看,當底事件的概率不同時,頂事
件發生的概率亦有很大區別。當底事件的概率增大
一倍時,頂事件的概率會增大若干倍,基本事件概率
為0. 1時,井噴概率僅為0. 022,當各基本事件概率
均上升到0. 2 時。井噴發生的概率上升到0. 179,
增加了8倍。因此,深水井控要嚴格控制各底事件
的發生概率,從而控制井噴發生的概率。
3　預防井噴措施
(1)從鉆井源頭做起,制定合理的工程設計。
對井口裝置、井身結構、鉆井液、地質錄井、鉆具、井
涌檢測方法及關井壓井程序進行優化設計。
(2)采用合適的排量鉆進,鉆井液的黏度、切力
可適當降低。
(3)根據隨鉆氣測資料及相關鉆探資料確定氣
測異常井段,并根據顯示情況,確定合理的鉆井液密
度。
(4)鉆井過程中要密切觀察鉆井液池體積的變
化情況,儲備足夠的堵漏材料及加重材料,接單根及
下鉆到底,開泵要平緩,防止憋漏地層。
(5)起鉆前要進行短起下作業,測量后效,準確
計算油氣上竄速度。
(6)最大限度地減小起鉆抽吸壓力,嚴禁“拔活
塞”。起下鉆過程中專人觀察井眼液面變化情況,
用計量罐嚴格計量鉆井液的灌入量和返出量。發現
有輕微“拔活塞”現象,要立即接頂驅或方鉆桿頂
通。起鉆后及空井期間要注意觀察井眼液面的變化
情況,防止鉆井液在表層滲濾速度過快。井眼液面
快速下降,會導致液柱壓力降低,故必須及時灌滿鉆
井液。
(7)加強對地層壓力的預測工作,對淺層氣、淺
層水及其他異常高壓地層及早做好預防工作。
(8)保證井控裝備的完好,在遇到危險情況時
26 石油鉆采工藝 　2008年 4月 (第 30卷 )第 2期 　
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能夠立即發揮作用。
(9)做好水合物預防工作,防止水合物在防噴
器及管線中生成,以免阻礙關井與壓井操作。
(10)加強對相關人員防范井噴事故的安全培
訓,熟悉掌握深水井涌特點、危害性和控制的安全作
業應急程序,提高防控意識和技能。開鉆前要制定
切實可行的設計、施工措施及應急計劃。鉆井施工
中要嚴格執行工藝紀律,做好井控演習工作。
總之,要完全杜絕井控事故是不可能的,必須不
斷強化鉆井質量意識和鉆井風險意識,完善鉆井技
術管理制度,做到對鉆井事故“早預防,早解除”,化
大事故為小事故或零事故,盡量避免和減少由此帶
來的損失。
4　結論
(1)通過分析,結合深水鉆井的特點,認為地質
條件、井深、深水低溫、大的節流管線摩阻損失、井控
裝備、關井、壓井方法以及人員操作技術水平、淺層
氣、淺層水問題、井涌檢測與控制是影響井控風險的
主要因素。
(2)采用事故樹法對深水井控進行了定性與定
量的風險分析。結合深水井控的特點,建立了深水
井控的風險分析事故樹,事故樹共包括22 個底事
件, 100個最小割集。
(3)通過風險分析,認為壓井、關井時,設備故
障、設計方法及操作失誤對井控風險影響最大。想
保證井噴不發生,必須同時滿足多種條件,但是由于
井控裝備條件、惡劣的海面狀況、地質條件、深水低
溫等因素的影響,平臺甲板限制以及員工素質及操
作水平的限制,可能會在某些方面存在問題,這表明
深水鉆井存在一定井噴風險。
(4)針對風險分析的結果,提出應從鉆井源頭
做起,制定合理的工程設計,同時加強地層壓力的預
測及井涌監測工作,并熟悉掌握深水井涌特點、危害
性和控制的安全作業應急程序,提高防控意識和技
能,最大程度降低深水井噴發生的可能性與危害。
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〔編輯　薛改珍〕
　高永海等:應用事故樹法對深水井控進行風險評估 27

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