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動力定位鉆井作業(yè)的風險評估

文檔作者：李春樓李根生		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年11月20日
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⑧
3
Fhorogood 等著
動力定位鉆井l'le業(yè)
引 言
的風險評估
風險評估是鉆井工程師的一種基本工具。
當計劃采用新的或不熟悉的技術進行鉆井作
業(yè)時，用這種工具可以達到好的效果。嚴格
地、結構化地進行風險評估為工程師提供了
寶貴的洞察力，使他認識到穩(wěn)藏在作業(yè)問題
后面的一系列原因和結果 這種方法幫助工
程師培養(yǎng)一種透視的感覺，將注意力主要集
中在那些可能對作業(yè)造成最大威協(xié)的風險上，
而不是集中在憑直覺表面上顯示重要的那些
風險上。
在世界上一些地方用動力定位鉆井組合
進行鉆井作業(yè)有著曲折的歷史 在管理者缺
乏用動力定位方法鉆井經(jīng)驗的情況下，應有
效采用量化風險評估技術。他們的主要目的
是通過系統(tǒng)化的分析揭示出所有故障情況，
經(jīng)過評估保證該系統(tǒng)可以安全運行 在某些
情況下，用這種分析可以認識到哪些地方可
以通過改進而取得最佳效果，哪些地方根本
不可能進行有效的改進
本文描述的分析方法是為了揭示出在鉆
機跟蹤記錄、水下設備的歷史以及海底地質(zhì)
固有的不確定性等因素的基礎上，可以安全
實行動力定位鉆井作業(yè)。
風險評估方法
在正常情況下船體應保持在原位。發(fā)生
弋
李春樓譯
李根生校
緊急情況而定位失控時，應使作業(yè)有規(guī)則地
停止，并從井口脫開而不會發(fā)生麻煩 但是
如果在脫開時出現(xiàn)故障，就有可能導致以下
幾種后果：井口溢流、損壞設備或使井報廢。
定位失控時出現(xiàn)以下情況， 才會發(fā)生井
口溢流：
(1)定位失控引發(fā)緊急切斷，幾率為P
(SL)；
(2)切斷造成失去油井的完整性， 幾率
為P (DF)：
(3)切斷時喪失了隔水管安全系數(shù)， 幾
率為P (RM)；
(4)滲透性地層外露，幾率為P (FM)；
(5)該外露地層含有油氣， 幾率為P
(HC)。
所以．發(fā)生井口溢流的幾率可以表示為：
P(S)= P(SL)×PtDF)
×P(RM )×P( )×P( )
風險接受標準
可以采用風險評估方法確定損失的所有
方面：人員的、財政的和環(huán)境的 在本文討
論的情況下，沒有一種故障機制會對人員造
成傷害。因為這類風險通常綜合包括在鉆機
安全事例分析及有關文獻之內(nèi)， 所以人員風
險超出了本文討論的范疇。
避免財物損失是風險評估價值體現(xiàn)的一
個重要領域 在這種情況下，通常目的是說
^
T
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國外鉆井技術 第l5卷2OO0年第3期
明緩和方法的成本小于事故后果的風險成本。
在切斷失敗可能產(chǎn)生破壞而不會造成污染的
情況下，合理的辦法是估計破壞的成本[．d，
并與修改或改進作業(yè)程序的成本Cm 相比較．
這可以將風險從最初的幾率P (5)，， 降到
一個較低的值P (5) ，即：
Cm < Cd P(5)1一P(S)，
為了節(jié)省一美元而花費一美元通常沒有什么
意義，所 防御措施的成本一般應顯著低于
損失的風險成本。這種比例一般由有關的經(jīng)
營小組進行商業(yè)性評定
本文描述的評估工作的根本動機是說明
環(huán)境破壞風險的確定、量化及可容忍性。理
論上可以從清除溢流的成本和解決所有破壞
索賠兩方面的量化確定損失。但是嚴重溢流
的后果并不能從金錢方面考慮，尤其是后果
卷人了公眾輿論， 并使得油公司失去了作業(yè)
執(zhí)照的情況下 管理者和操作者越來越傾向
于從可接受頻率方面確定這種事故的可接受
標準，根據(jù)事故的嚴重程度不同，該頻率也
不同。
不同公司的風險接受標準也不同。根據(jù)
挪威石油條例，作業(yè)者必須在風險分析標準
中確定他的接受標準 這一組值將作為一種
評價量化風險評估結果的尺度。
以下描述的風險評估的主要目的是確定
所有不利后果出現(xiàn)的幾率 該幾率應該低于
風險可接受的預定標準。否則必須采取緩和
措施將其降到可接受的水平。挪威作法要求
首先要考慮降低出現(xiàn)幾率的措施而不是力圖
限制后果的措施。
失去定位能力
在1995年匯報給國際海上承包商協(xié)會的
資料中有22例定位失控事故。假設該計劃中
有7O艘船，大約有60％ 的時間花在動力定
位(DP)上．得到的比例為每個動力定位日
14，3×10 。Noble Denton認為這個數(shù)據(jù)可
以代表近年來的情況 1993年的數(shù)據(jù)中包括
與參考傳感器有關的事故比例很大。多數(shù)與
新上市的DGPS有關，或與對鉆牛作業(yè)不夠
準確不太適用的系統(tǒng)有關， 如繃緊電纜 總
之，1995年的事故可以分為以下幾種原因：
原因 比率／DP日
計算機 2，0×10
電力方面 2．0×10
其他 2．O×1(t 4
推進器 2．6×10—4
參考 2．6×10
操作者 3．1×10—
或者它們可以歸納為：
原因 比率／D] 日
漂移 7，1×10
驅(qū)動 3 4×10
大的漂移 3．8×10—4
這些故障與所有DP船有關 它們包括
在平臺和船體附近操作的深潛器(DSV)，及
其在潛水和高水流中的作業(yè)。這些數(shù)據(jù)包括
在動力定位方式下作業(yè)的所有類型的船只，
從第一類的輸油油輪到第三類的鉆機。因為
這些數(shù)據(jù)覆蓋了所有的情況，所以對經(jīng)驗豐
富的船組人員和應用良好的定位系統(tǒng)來說，
該結果是保守的
1．電力故障
由于電力故障而發(fā)生的DP故障的歷史
數(shù)據(jù)4，8×10 ／DP 日，是基于對1983年以
來的事故報告的比較。近年來操作者已經(jīng)提
高了保養(yǎng)標準，前面引用的1995年的數(shù)據(jù)表
明改善到2，0×10 。
2．推進器故障
由推進器引起的定位失控包括各種類型
和形狀的船。如果帶有大桿臂的船體發(fā)生故
障就會出現(xiàn)慘重的后果。相反，我們研究的
主題，DP半潛式平臺，有八個同樣大小的推
進器． 所以任何一個出現(xiàn)故障帶來的后果都
不會導致定位失控。
3 參考系統(tǒng)失效
從1995年的數(shù)據(jù)中得出的比例2，6×
1O 是以所有參考系統(tǒng)為根據(jù)的， 其中包
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括：淺水中的緊繃電纜和局部輻射干擾結果。
l995年，IMCA發(fā)表一個有關雙DGPS系統(tǒng)
的QRA 的報告，開始量化雙DGPS在惟一
共同因素為衛(wèi)星的30分鐘里同時損失的幾
率。估計的幾率為：
衛(wèi)星數(shù)量 失效幾率
3 2．8× 10一
4 6．9× 10
5 6 4× 10
對“全球定位系統(tǒng)” 人們普遍擔 tk,的是
它的獲得受美國軍事控制 基于以下兩個原
因，在實踐中它并投構成對作業(yè)的嚴重威協(xié)：
(1)航空工業(yè)越來越依靠DGf 獲得準
確導航，這就降低了失去貨源的機率。
(2)在戰(zhàn)爭時期可能撤消該系統(tǒng)之前會
先發(fā)出充分的警告．這樣，謹慎的操作者就
會相應地作出其它計劃。
其它一些普通故障也會發(fā)生，但它們由
IMCA記錄，只要對每次安裝都檢驗已知原
因，它們就不會導致有可能改變上述幾率的
嚴重危險。將來如果研制出能接收
GL0NASS的接收器． 相當于接收蘇聯(lián)的
GPD，衛(wèi)星定位系統(tǒng)就更加富余。
對水聲系統(tǒng)來說，類似的系統(tǒng)分析表明
故障幾率為：
脈沖應答器數(shù)目 故障幾率
3 6．7× 10
4 3．1× 10—
5 1 2× 10
移到一個新的地方時，除了系統(tǒng)本身的
可靠性之外，人們對水聲系統(tǒng)主要關心的是
脈沖應答器的信號強度以及斜溫層效應帶來
的干擾。信號強度取決于鉆機的噪音信號，
如果現(xiàn)場有溫度測量裝置，就可以評估斜溫
層可能產(chǎn)生的影響。將這些收集起來做為當
地調(diào)查水流監(jiān)測項目的一部分。
因此總的來說，雙DGPS和水聲系統(tǒng)兩
種系統(tǒng)的聯(lián)臺故障幾率最差(3個衛(wèi)星，3個
應答器)為1．9x 10～ ，最好為7．7×10～ 。
41
認識參照系統(tǒng)故障的重點是所有系統(tǒng)同時損
壞的可能性非常小 更重要的是，無論是衛(wèi)
星還是水聲系統(tǒng)，參照系統(tǒng)的任何一部分發(fā)
生故障時，其余系統(tǒng)都能為油井保持正常狀
態(tài)提供足夠時間， 因此就不再需要緊急切斷
4．操作者失誤
歷史上，操作者失誤是導致定位失控的
最大單一因素。操作者失誤有許多原因， 主
要出現(xiàn)在高強度作業(yè)中。由于提高了培訓標
準．增加了認識，從而減少了事故的發(fā)生
操作者經(jīng)驗和培訓是絕對重要的
隔水管切斷故障
在 下條件下隔水管切斷失敗， 結果會
失去井口完整性：
(1)LMRP連接器不能松開
(2)BOP控制系統(tǒng)不能發(fā)揮作用
(3)切斷超過計劃的時間
(4)由于大的套管穿過閘板而使剪切失
敗
(5)由于井底組臺經(jīng)過閘板而使剪切失
敗
(6)剪切閘板不能封閉
(7)由于鉆桿工具接頭經(jīng)過閘板而使剪
切失敗
切斷失敗幾率為：
P(DF)= P(1)+P(2)+P(3)+P(4)
+P(5)+P(6)+P(7)
BOP接頭的可靠性數(shù)據(jù)可以從幾個方面加以
考慮，1984年OREDA 可靠性數(shù)據(jù)和SIN—
TEF的研究。這兩方面都表明失敗率為1％ ，
例如P (1) =0．01
有關BO P控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)表的很少。
SINTEF研究提供了水力控制的資料。將這
些數(shù)據(jù)應用到兩個吊艙系統(tǒng)，說明控制系統(tǒng)
故障幾率P (2) =0．001。
由于不僅要預測實際鉆機沖程、發(fā)送警
報和啟動切斷的次數(shù)，而且還要做一些關于
機組人員反應次數(shù)和鉆機上通訊的假設，所
估計切斷超過預計時間的可能性是一項非
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42 國外鉆井技術 第15卷2OOO年第3期
常復雜的任務。這些幾率必須以對壓力下人
員反應的實際評估為依據(jù) 從發(fā)出警報到切
斷完成通常需花費60秒。在溫和條件下，超
過所需反應時間的幾率可能低至1％ ， 而在
嚴酷的天氣下這個幾率可能定為l0～20％ ，
例如0．01< P 【3)<0．2
閘板剪切鉆桿失敗是導致危險的一個重
要方面。研究表明，對標準的切口／直線或切
口／切口剪切閘板設計來說，18 防噴器組
內(nèi)能剪切的最大鉆桿外徑為l0 套管 試
驗已證實直徑更大的鉆桿會發(fā)生塑性變形并
擠出切削刀片的端部之外。這在很大的作業(yè)
壓力范圍內(nèi)都造成剪切失敗。工業(yè)部正調(diào)查
設計一種新的閘板，便能以剪切更大直徑的
高強度套管。
避免這種危險的方法是在含油氣地層暴
露的井中避免下人這種鉆桿。在某些井段還
建議作業(yè)過程中包括下套管部分。研究所需
的作業(yè)以及鉆桿落人井中的不確定時間，說
明切斷程序完成以前套管未被切斷，因此為
防止這種條件下發(fā)生泄漏應下人可剪切的套
管，這樣P (4) =0，這種情形回復到剪切
閘板密封失敗。
在BHA穿過BOP的深水井中，據(jù)估計
每次切斷平均需要20分鐘 典型井為
0．755，即：P (5) =0．0075。這一危險同
樣可 通過在關鍵井段細心計劃、人員警覺
得到某種程度的減輕。
EDA的資料說明役有發(fā)生過BOP剪
切閘板不能按要求關閉的事故。如果閘板關
閉而不能徹底分開鉆柱，那么就假設削弱的
鉆柱將分開，然后閘板關閉 這種條件下存
在的問題為閘板封閉的幾率。ORDEA 數(shù)據(jù)
庫沒有這種失敗的記錄，這時保守的假設為
P (6) =0．001。
總之，剪切閘板不能可靠地剪斷鉆桿工
具接頭。在沒有預防措施的條件下， 根據(jù)接
頭和聯(lián)接器的長度，在鉆桿上關閉閘板的大
約幾率為l0％左右 然而，在動力定位鉆機
上，該程序有助于避免這樣的事故，估計可
將問題幾率降低一個數(shù)量級， 因此P (7)
= 0．01
考慮所有這些因素得出：
P(DF)= 0．04
油氣溢流
最后必須考慮發(fā)生油氣外溢的三個必要
條件即：
(1)切斷時喪失了隔水管安全系數(shù)
(2)必須暴露一個可滲透性地層
(3)該地層必須含油氣
隔水管安全系數(shù)的問題是鉆井工程師設
計油井的中心工作。評價這種情況的一種方
法是根據(jù)地質(zhì)預測估計遇到超過最大設計值
的壓力的幾率P (RM ) =1％ 。在探井中，
遇到含油氣的可滲透地層的危險， 其幾率為
P (FM) ×P (HC)的總危險為25％。因為
定位失去控制是由每天的事故表達的，所以，
該表達式必須乘上地層暴露的時間，時間為
l0天。在這些條件下，鉆典型井期間發(fā)生泄
漏的幾率為：
PfS)= 1．4 X 10—
在關鍵時候，設計者可能會希望組織作
業(yè)程序時，要確保一鉆遇到未知儲層就進行
地層壓力測試。以這種方法，他能確保他面
臨失去隔水管安全系數(shù)的幾率受測試和調(diào)整
泥漿比重所花時間的限制，該時間為1天
在這種情況下， 我們確定油氣危險為1。在
這些條件下：
P(S)= 0．6 X 10
然后，作業(yè)者可以將此結果與他的危險可接
受標準相比較。
討 論
本文提供的分析表明了用動力定位鉆井
組合進行鉆井作業(yè)時，作業(yè)商如何評價對環(huán)
境造成的危險。有幾個關鍵因素影響著他的
工程的完整性， 其中一些在他直接控制下，
如油井設計、選擇作業(yè)程序以及鉆井船上人
員的競爭力。鉆機系統(tǒng)的可靠性在很大程度
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國外鉆井技術
上由設計預先決定， 但由于動力定位系統(tǒng)的
經(jīng)驗不斷豐富．這種可靠性還受鉆機所有者
不斷的更新和改進的影響。雖然工程師對鉆
機系統(tǒng)可能無能為力，但他必須徹底了解它
們的局限性以及可能的故障方式。
在此提出的分析中，作者作了兩點關鍵
假設，即油井可以設計成：
(1)任何時候都保持隔水管安全系數(shù)為
正
(2)當含油氣地層暴露時要確保不下人
不能被剪斷的鉆桿
這些理想條件井不能得到．或有可能給
油井目標帶來不可容忍的犧牲。他們解釋了
為什么工業(yè)部門將所有精力投入到研制可以
切割大直徑厚壁鉆桿的剪切閘板上。一些作
業(yè)者已經(jīng)考慮在BOP防噴器組中安裝兩套剪
切閘板，這就能克服首次嘗試或者碰撞工具
接頭或者剪切鉆桿成功但密封失敗而不會影
響密封的危險。
所有這些分析結果的有效性絕對取決于
所用資料的質(zhì)量。定位可靠性所用的數(shù)據(jù)反
應了1995年整個DP工業(yè)的性能資料。由于
DP鉆井作業(yè)水平提高了，現(xiàn)在有一個好機會
徹底回顧動力定位鉆井作業(yè)，將性能僅限于
這種組臺范圍
本文提出的分析結構也可用來將任何牽
涉到的具體危險因素列入影響系統(tǒng)可靠性的
所有其它因素中。例如，如果鉆機不能完全
符臺管理要求，制造時就要對照系統(tǒng)進行量
化危險評估。為使鉆機符合要求而進行的改
造所產(chǎn)生的結果應該加入評估，估計它們對
降低(或增加)危險程度而產(chǎn)生的影響。對
照將危險降到“臺理可行” 的程度的原則，
測試對油井完整性的全面影響，該原則的結
果為實行風險降低措施所需的成本明顯與危
43
險后果降低的消耗不相稱
這個分析可以方便地進行改造，使計劃
者可以進行其它作業(yè)的安全評估，例如試井。
在這種情況下， 根據(jù)可以采取的具體預防措
施，可以檢查定位系統(tǒng)的可靠性。協(xié)斷失敗
就取決于剪切實驗鉆柱元件和完成的能力
在BOP上下人不可剪切元件的次數(shù)和具有的
氣候窗將控制風險圖象。切斷失敗將包括閘
板不能密封的可能性。射孔地層在井中暴露
的時候+測試作業(yè)的狀態(tài)將決定會失去隔水
管安全系數(shù)。
原則上，這種分析也能用在其它作業(yè)上．
例如評估在極深水和惡劣條件下操作錨系鉆
機會遇到的風險。在這里， 主要的焦點是使
用推進器的作業(yè)程序和控制及監(jiān)測系統(tǒng)的完
整性
這種分析確定的危險的重要來源中， 最
主要的與切斷隔水管失敗有關 具體來說，
風險高的事件有：松開接頭失敗 松開超過
計劃時間以及試圖剪斷工具接頭。這些因素
的影響幾乎是其它因素的10倍。松開接頭失
敗的根源可能是動力定位作業(yè)時泄漏風險的
主要原因，并應歸于人為失誤。影響油井完
整性的主要因素為該作業(yè)涉及到的所有人員
的培訓和能力，不僅包括鉆機船上DP系統(tǒng)
操作者，而且還包括油井設計者、設備保養(yǎng)
和鉆井人員。
結 論
本文提出了對動力定位鉆井作業(yè)進行量
化風險評估的框架。這種方法使我們可以評
價不同風險因素的影響。這里提出的數(shù)值說
明了人為失誤是影響整體風險的主要因素。
譯自1ADC／SPE 39338

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