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应用事故树法对深水井控进行风险评估

文档作者：高永海1 孙宝江1 曹式敬2 宋林松2 史作法3 文档来源： 1. 中国石油大学石油工程学院 2. 中国海洋油田服务股份有限公司 3. 东方公司装备事业部华北作业部,		点击数：	更新时间： 2021年09月17日
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文章编号: 1000 - 7393 (2008) 02 - 0023 - 05
应用事故树法对深水井控进行风险评估
3
高永海1 　孙宝江1 　曹式敬2 　宋林松2 　史作法3
(1. 中国石油大学石油工程学院,山东东营　257061; 2. 中国海洋油田服务股份有限公司,北京　100027;
3. 东方公司装备事业部华北作业部,河北任丘　062552)
摘要:深水井喷事故危害极大,严重时可导致井眼报废、船毁人亡等恶性后果,预防和控制深水井喷是国内外石油界的一
个技术难题。文中利用风险树分析引发深水钻井工程事故的顶事件,重点讨论各底事件的相互联系及对系统的影响程度,分
析顶事件的发生概率,为最大程度地减少深水井控事故的发生提供理论依据。通过对深水钻井过程中存在的风险进行分析,
构建了深水井控风险分析事故树,并对其进行了定性与定量分析。通过风险分析,认为深水井控最主要的影响因素是关井及
压井时设备故障、设计方法及操作失误的影响超过安全极限。分析表明,降低基本事件的发生概率对预防井喷作用明显,基
本事件发生概率提高1倍,井喷发生概率提高近10倍。针对深水井控过程中存在的风险因素,从工艺、装备及人员要求方面
提出了预防深水井喷的措施。
关键词: 深水; 井控; 风险分析; 事故树
中图分类号: TE28　　　文献标识码: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
　　深海油气资源勘探最直接的风险之一来自钻
井,井喷是钻井中最严重的事故之一。钻井作业中,
一旦发生井喷将导致井下情况更加复杂,往往需要
压井作业。在深水钻井时,由于压井技术难度大,井
喷不容易控制,若井喷失控,将严重破坏油气资源,
并造成火灾[ 1 ] 。如果发生井喷事故,其破坏程度以
第30卷第2期　　　　　　　　　　　石油钻采工艺　　　　　　　　　Vol. 30 No. 2
　2008年4月　　　　　　　O IL DR ILL ING &amp;amp; PRODUCTION TECHNOLOGY　　　　　　　Ap r. 2008 　
3基金项目:国家“863”计划重大项目课题“深水钻完井关键技术”(编号: 2006AA09A106)和教育部博士点基金“深水钻井井控水力参数
计算理论”(编号: 20060425502)资助。
　　作者简介:高永海, 1977年生。中国石油大学(华东)博士研究生。电话: 0546 - 8392273, E - mail: gao_yonghai@yahoo. com. cn。
及造成的损失比陆上及浅海钻井更为巨大。因此在
进行深水钻井作业前需要进行严格的风险分析评
估,找出可能存在的风险因素,并提出改进措施,以
保证深水钻完井工程的顺利进行[ 2 - 5 ] 。
事故树分析技术于20世纪60年代提出,兴起
于70年代,通过采用逻辑的方法,形象地进行风险
分析,直观明了,思路清晰,逻辑性强,既可定性分
析,又可定量分析。通过分析造成顶事件的各种可
能因素及其因果关系,透彻地了解系统,找出系统薄
弱环节,并针对其采取有效措施来避免或削减损失。
事故树分析技术是系统工程风险分析的主要方法之
一[ 6 ] 。采用事故树分析法对深水井控风险进行分
析评估,以获得深水井控操作的最危险事件及其影
响因素,并通过分析,确定基本事件的重要程度。
1　深水井控的主要风险因素
深水井控的风险受一系列相关因素的影响,主
要有地质条件、地层压力、井控装备、水深、节流管线
尺寸、井涌检测方法、关井、压井方法以及人员操作
技术水平及应对突发事件的能力等。
(1)地质条件。泥线以下浅部地层地质年龄
轻,压实时间短,地层渗透率一般较高,海底浅部地
层强度很低,上覆岩层压力与陆地上相比偏低。地
层在这种低的上覆岩层压力下压实,趋向于显出较
低的破裂压力。由于海水密度比淡水密度大,深水
地层中的静液压力比同深度处陆上地层的静液压力
大,破裂压力与地层压力窗口非常窄。特别是表部
地层,钻完井液密度窗口更是狭窄。钻完井液密度
窗口狭窄导致套管层次增多、套管余量不足。如果
没有足够的套管层次可供选择和更精确的钻井液密
度计算,深水钻井中就失去了对付浅层溢流、漏失
层、井控事故等最有效的方法。这就需要加大地层
压力探测的研究,只有精确预测不同深度的地层压
力和断层,才能较准确地设计钻井液密度。对易漏
失的地层,采用适宜的钻井工艺和钻井液。
(2)深水低温增加了深水井控的难度。庞大的
水体覆盖使得深水环境中的钻井与陆上钻井有着很
大的区别,深水中水体要比陆上钻井中等深处的岩
石温度低很多,温度随井深增大而降低,这就使钻井
液的温度降低。由图1可见,陆上钻井外部温度通
常随井深增加而增加,而海底钻井则相反。在水深
超过1500 m处会有60 ℃以上的温度差异。钻井液
的流变性等性质受其影响明显变差,导致井控难度
增加和钻井事故的发生[ 7 ] 。
图1　陆上和深水井的环境温度比较
另外,深水钻井时,受泥线处的高压低温环境以
及井筒内的复杂温度环境影响,井筒中还易形成天
然气水合物,对井筒内的压力控制带来了难题。其
不利影响主要有[ 8 ] : ①节流压井管线堵塞,无法恢
复循环作业; ②隔水管、防喷器或套管与钻具的环
空形成堵塞,无法移动钻具; ③钻具与防喷器之间
形成堵塞,使防喷器不能完全被关闭; ④被关闭的
防喷器闸板腔中形成堵塞,而不能完全打开防喷器。
因为水合物的存在造成上述问题,因此在深水钻
井作业中,水合物的形成将使钻井工作变得非常复杂,
增加钻井作业的风险,并增加作业成本;同时,天然气
水合物堵塞节流压井管线,阻止防喷器的开关,堵塞环
空,无法活动钻具,从而增加井控作业的风险。影响水
合物形成的主要因素是气/液相成分、温度和压力。进
行深水作业前,必须评估井控作业时在井口、防喷器及
节流压井管线中形成水合物的可能性。评估的重要参
数包括温度、压力以及气/液相成分等[9 ]。
(3)节流管线摩阻损失给深水井控带来另一个
风险。深水钻井井口多装在海底,节流管线随水深
增加而延长。井口回压高及节流管线的明显压力损
失,导致深水井控压井参数计算方法与陆地不同。
狭小的节流管线中循环的压力损失很大,这些压力
可能大于最大允许环空压力并压漏地层。气侵情况
下,节流管线的体积减小也会在管线底部产生“气
体交换效应”,管线内迅速被气体充满,并极快地减
小静水压头,需要迅速的节流操作来保证稳定的井
底压力,若调节不及时,会导致压力无法控制。
(4)井控装备也是影响井控作业能否顺利进行
的风险因素。发展新的井控装备,如自动补偿式旋
转防喷器及其液压控制系统、大容量除气器、节流管
汇、固控设备、点火器、燃烧器、阻火器等,在发生较
大规模的井涌时能够有效处理,避免井喷的发生。
(5)关井、压井方法以及操作人员技术水平及
24 石油钻采工艺 　2008年 4月 (第 30卷 )第 2期 　
应对突发事件的能力影响井控操作能否成功。深水
井控由于低的破裂压力,有时常规的司钻法与工程
师法不适合深水压井,动态压井法及附加流速法是
适合深水压井较好的替代法[ 10, 11 ] 。另外,井喷经常
由于疏忽大意或操作不当引起。由于缺乏深水钻井
的经验,对深水钻井的许多相关技术和设备缺乏系
统的了解与认识,对处理深水井控更是缺乏实际经
验。因此需要充分调研与分析国外深水钻井作业尤
其是深水井控作业相应的设备与技术,制订合理的
规划,在遇到井涌等险情时可以顺利排除。
(6)浅层气、浅层水问题[ 12 - 15 ] 。海底浅部地层
地质年龄轻,压实时间短,地层渗透率一般较高。通
常欠压实层的高渗透率使得高压层内地层水以很高
的流速流向低压区,即浅部水层的井涌。浅部水层
井涌是许多钻井问题的起因,表现为钻井、下套管固
井出现困难,严重时会导致井眼坍塌甚至引起海底
沉降。最坏的情况是造成油井报废。浅层气埋藏在
浅部地层,俗称“鸡窝气”,是蕴藏在海床面以下800
m范围内未胶结地层中的天然气。浅层气井喷有如
下特点: ①易发生,速度快。②处理困难。③危害
大。④允许波动压力低。⑤预见性差。
2　深水井控风险分析模型的建立
顶事件是风险分析所关心的结果事件,位于事
故树顶端;而底事件是在特定风险分析中无须或暂
时不能探明其发生原因的事件。割集是事故树若干
底事件的集合,如果这些事件都发生,则顶事件发
生。最小割集是底事件不能再减少的割集,即最小
割集中任意去掉一个底事件之后,剩下的底事件就
不是割集。一个最小割集代表引起事故树顶事件发
生的一种风险模式。事故树定性分析的任务就是寻
找事故树全部最小割集的集合在此基础上计算或估
计顶事件发生的概率。图2为事故树分析流程。
在石油工业各类事故中,无论从事故数量还是
造成损失上,井喷都名列前茅。按照“Willis能源损
失数据库”的统计资料,井喷占所有事故的90% ,而
井控最终的目的就是防止井喷出现,排除危险。因
此将井喷失控确定为深水井控的顶事件。
2. 1　创建事故树
以井喷失控为顶事件,通过事故树分析法构建
事故树,以全面清晰地反映整个井喷事故发生的原
因,了解其对顶事件的影响程度以及各底事件的内
在联系(图3) 。
　高永海等:应用事故树法对深水井控进行风险评估 25
2. 2　事故定性分析
事故树分析中,最小割集和最小径集占有非常
重要的地位。对定性和定量分析都起着重要的作
用,对合理地控制顶事件的发生,提供重要的信息经
过分析,本事故树的最小割集很多,达100个。因此
分析其最小径集,来对深水井控的风险进行定性分
析。用布尔代数化简求事故树的最小径集
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 ′
由此可以得到事故树的5个最小径集,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 }
因为X21 , X22出现在2个基本事件和7个基本
事件的最小径集中,是最重要的事件。同理,可得到
事件的结构重要顺序为
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)
这个顺序说明,事件21, 22是最容易导致顶事
件即井喷失控的条件事件,这2个条件事件是: ①关
井时设备故障、设计方法及操作失误的影响超过关
井安全极限; ②压井时,设备故障、设计方法及操作
失误的影响超过压井安全极限。因此要保证设备故
障、设计及操作失误不能超过安全许可范围。对于
基本事件的重要度来说,防喷器、节流阀及管线的安
全是最重要的,防止发生井喷首先要从这方面得到
保证。其余事件尤其是前10个事件的重要度相同,
而且并集较多,说明要想保证井喷不发生,需要众多
因素同时保证。但是由于井控装备条件、海面状况
恶劣、地质条件、深水低温影响、平台甲板限制以及
员工素质及操作水平的限制,可能会在某些方面存
在问题,这表明深水钻井存在一定井喷风险。
2. 3　事故定量分析
假定事故树中20个基本事件发生的概率均为
0. 1,则井控成功率为
q′= 1 - (1 - 0. 910 ) (1 - 0. 910 ) (1 - 0. 97 ) ×
(1 - 0. 97 ) (1 - 0. 92 ) = 0. 978
即井喷发生概率为q = 1 - q′= 0. 022。
当事故树中20个基本事件发生的概率均为0. 2
时,井控成功率为
q = 1 - (1 - 0. 810 ) (1 - 0. 810 ) (1 - 0. 87 ) ×
(1 - 0. 87 ) (1 - 0. 82 ) = 0. 821
即井喷发生概率为q = 1 - q′= 0. 179。
从以上结果来看,当底事件的概率不同时,顶事
件发生的概率亦有很大区别。当底事件的概率增大
一倍时,顶事件的概率会增大若干倍,基本事件概率
为0. 1时,井喷概率仅为0. 022,当各基本事件概率
均上升到0. 2 时。井喷发生的概率上升到0. 179,
增加了8倍。因此,深水井控要严格控制各底事件
的发生概率,从而控制井喷发生的概率。
3　预防井喷措施
(1)从钻井源头做起,制定合理的工程设计。
对井口装置、井身结构、钻井液、地质录井、钻具、井
涌检测方法及关井压井程序进行优化设计。
(2)采用合适的排量钻进,钻井液的黏度、切力
可适当降低。
(3)根据随钻气测资料及相关钻探资料确定气
测异常井段,并根据显示情况,确定合理的钻井液密
度。
(4)钻井过程中要密切观察钻井液池体积的变
化情况,储备足够的堵漏材料及加重材料,接单根及
下钻到底,开泵要平缓,防止憋漏地层。
(5)起钻前要进行短起下作业,测量后效,准确
计算油气上窜速度。
(6)最大限度地减小起钻抽吸压力,严禁“拔活
塞”。起下钻过程中专人观察井眼液面变化情况,
用计量罐严格计量钻井液的灌入量和返出量。发现
有轻微“拔活塞”现象,要立即接顶驱或方钻杆顶
通。起钻后及空井期间要注意观察井眼液面的变化
情况,防止钻井液在表层渗滤速度过快。井眼液面
快速下降,会导致液柱压力降低,故必须及时灌满钻
井液。
(7)加强对地层压力的预测工作,对浅层气、浅
层水及其他异常高压地层及早做好预防工作。
(8)保证井控装备的完好,在遇到危险情况时
26 石油钻采工艺 　2008年 4月 (第 30卷 )第 2期 　
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能够立即发挥作用。
(9)做好水合物预防工作,防止水合物在防喷
器及管线中生成,以免阻碍关井与压井操作。
(10)加强对相关人员防范井喷事故的安全培
训,熟悉掌握深水井涌特点、危害性和控制的安全作
业应急程序,提高防控意识和技能。开钻前要制定
切实可行的设计、施工措施及应急计划。钻井施工
中要严格执行工艺纪律,做好井控演习工作。
总之,要完全杜绝井控事故是不可能的,必须不
断强化钻井质量意识和钻井风险意识,完善钻井技
术管理制度,做到对钻井事故“早预防,早解除”,化
大事故为小事故或零事故,尽量避免和减少由此带
来的损失。
4　结论
(1)通过分析,结合深水钻井的特点,认为地质
条件、井深、深水低温、大的节流管线摩阻损失、井控
装备、关井、压井方法以及人员操作技术水平、浅层
气、浅层水问题、井涌检测与控制是影响井控风险的
主要因素。
(2)采用事故树法对深水井控进行了定性与定
量的风险分析。结合深水井控的特点,建立了深水
井控的风险分析事故树,事故树共包括22 个底事
件, 100个最小割集。
(3)通过风险分析,认为压井、关井时,设备故
障、设计方法及操作失误对井控风险影响最大。想
保证井喷不发生,必须同时满足多种条件,但是由于
井控装备条件、恶劣的海面状况、地质条件、深水低
温等因素的影响,平台甲板限制以及员工素质及操
作水平的限制,可能会在某些方面存在问题,这表明
深水钻井存在一定井喷风险。
(4)针对风险分析的结果,提出应从钻井源头
做起,制定合理的工程设计,同时加强地层压力的预
测及井涌监测工作,并熟悉掌握深水井涌特点、危害
性和控制的安全作业应急程序,提高防控意识和技
能,最大程度降低深水井喷发生的可能性与危害。
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〔编辑　薛改珍〕
　高永海等:应用事故树法对深水井控进行风险评估 27

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