李勁松

中海石油（中國）有限公司上海分公司（上海 200335）

0 引言

深水油氣開發(fā)是石油領(lǐng)域油氣開發(fā)的重點。然而，深水油氣勘探開發(fā)是公認(rèn)的高風(fēng)險行業(yè)，且我國南海環(huán)境多變、臺風(fēng)頻繁，嚴(yán)重影響到海上油氣作業(yè)的效率與安全。對深水鉆井作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險分析和安全評價可有效提高深水鉆井作業(yè)的安全性和高效性。

計劃評審技術(shù)（Program Evaluation&Review Technology,PERT）是由美國學(xué)者M(jìn)alcolm等人于20世紀(jì)50年代末提出的進(jìn)度計劃評審技術(shù)[1]，原理簡單、操作方便，是大型項目和工程進(jìn)度管理的有效工具。工作安全分析(Job Safety Analysis,JSA)最初是由美國葛理瑪教授于1949年提出風(fēng)險辨識和分析方法，由工作分析推演而來，主要用于對某項工作任務(wù)逐步進(jìn)行危險辨識和風(fēng)險評價，制定相應(yīng)風(fēng)險控制措施并改進(jìn)，目前在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于建筑等領(lǐng)域日常的作業(yè)安全管理工作[2]。近年來，國內(nèi)也逐漸開始將JSA方法應(yīng)用于項目安全管理[3]、海洋油氣作業(yè)[4]等領(lǐng)域。

海洋工程領(lǐng)域的風(fēng)險分析經(jīng)過長期的理論實踐研究，在海洋工程特定領(lǐng)域具有較為豐富的經(jīng)驗和完善的風(fēng)險評估體系。1981年，挪威石油管理局(NPD)頒布的《平臺設(shè)計概念安全評估方針》，成為海洋石油工業(yè)領(lǐng)域第一個有關(guān)定量風(fēng)險評價的官方指南。風(fēng)險評價的作用在1988年的Piper Alpha平臺大爆炸事故后被廣泛承認(rèn)，并迅速普及開來。目前，英國BP、荷蘭Shell、美國Phillips、中海油等著名的石油公司，都建立了比較完善的內(nèi)部風(fēng)險評估規(guī)范。此外，各國學(xué)者也開展了大量的海上作業(yè)風(fēng)險評估研究，國外Miri等[5]采用模糊評價方法開展海洋油氣開發(fā)風(fēng)險評估；Jan等[6-7]介紹了定量風(fēng)險評估方法在海上作業(yè)中的運用范圍和應(yīng)用方法，并對其在燃爆、碰撞等風(fēng)險分析中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。張圣坤等[8]綜述海洋工程風(fēng)險評估現(xiàn)狀；白勇等[9]通過建立海洋風(fēng)險評價方法對油氣開采作業(yè)風(fēng)險進(jìn)行了分析評估；余建星課題組[10]給出基于認(rèn)知可靠性和失誤分析方法和不確定性推理海洋工程人因可靠性分析方法。陳國明課題組在深水鉆井事故連鎖風(fēng)險分析[11]、天然氣井噴擴散[12]、深水溢油仿真[13]、爆燃風(fēng)險評估、深水表層鉆井風(fēng)險分析、深水鉆井事故應(yīng)急等方面初步開展深水鉆井風(fēng)險評價和管控技術(shù)研究。

在事故調(diào)研和分類基礎(chǔ)上，結(jié)合PERT方法，以南海某深水鉆井作業(yè)為例，提出利用改進(jìn)的JSA方法進(jìn)行風(fēng)險分析，這種方法通過PERT找出整個作業(yè)流程的關(guān)鍵路線和關(guān)鍵工作，在此基礎(chǔ)上利用常規(guī)JSA方法進(jìn)行風(fēng)險辨識和分析并制定風(fēng)險控制措施，在明確關(guān)鍵任務(wù)的同時可以有效降低JSA工作量，兼顧風(fēng)險成本和時間成本，為南海深水安全高效鉆井作業(yè)提供參考和決策依據(jù)。

1 深水鉆井作業(yè)事故分類

調(diào)研國內(nèi)深水鉆井作業(yè)事故，綜合事故類型和致因因素進(jìn)行分類[14]，探究導(dǎo)致重大事故的風(fēng)險因素和關(guān)鍵節(jié)點，在PERT分析中進(jìn)行流程的適當(dāng)簡化，并對這些因素在后續(xù)的JSA分析給予重點關(guān)注?？紤]事故后果發(fā)生頻率和后果嚴(yán)重程度，將深水鉆井作業(yè)重大事故分為4類：井噴事故、燃爆事故、倒塌傾覆事故、隔水管事故。

1.1 井噴事故

井噴是指海上鉆井作業(yè)中地層壓力大于井筒壓力導(dǎo)致大量流體迅速涌入井筒并噴出的異?，F(xiàn)象。井噴事故是海上鉆井作業(yè)中可能發(fā)生的最嚴(yán)重事故之一，極易引起后續(xù)的油氣泄漏和燃燒爆炸事故，不但會造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，同時還可能造成大范圍的環(huán)境污染和惡劣的社會影響。

如2010年4月20日，英國石油公司(BP)租賃的Deepwater Horizon鉆井平臺在美國墨西哥灣進(jìn)行深水作業(yè)時發(fā)生井噴，并引發(fā)了后續(xù)嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故。事故調(diào)查組認(rèn)為固井水泥失效是引起此次井噴及后續(xù)原油泄漏事故的主要原因[15]。

1.2 火災(zāi)爆炸事故

平臺火災(zāi)爆炸事故通常是油氣泄漏導(dǎo)致的后續(xù)升級事故，泄漏油氣與空氣混合形成可燃?xì)庠茍F(tuán)，遇火源發(fā)生燃爆，對周圍設(shè)備、人員造成損傷，引起油氣泄漏的原因也多種多樣，其中以井噴和管道腐蝕泄漏居多?；馂?zāi)爆炸事故發(fā)生迅速，施救困難，往往會造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

如1988年7月6日晚10點左右，西方石油公司的Piper Alpha鉆井平臺在距離蘇格蘭海岸120英里處先后發(fā)生兩次猛烈爆炸并引發(fā)火災(zāi)。事后調(diào)查顯示事故的原因是在天然氣壓縮區(qū)域臨時裝上的盲板法蘭不符合標(biāo)準(zhǔn)且未上緊引發(fā)泄漏，繼而引起后續(xù)的燃燒和爆炸[16]。

1.3 平臺（船）倒塌傾覆事故

鉆井平臺或鉆井船的傾覆坍塌是指在外部因素的作用下平臺（船）結(jié)構(gòu)受損失效進(jìn)而引起的整個平臺（船）沉入海中的嚴(yán)重事故。倒塌傾覆事故的原因可分為2種：一種是平臺發(fā)生火災(zāi)爆炸后燃燒的高溫和爆炸的沖擊波對結(jié)構(gòu)造成破壞；另一種是外界風(fēng)、浪、流和海冰等載荷引起的的平臺（船）結(jié)構(gòu)失效甚至坍塌傾覆。

如1983年10月25日，美國環(huán)球海洋鉆井公司所屬的“爪哇?！碧栥@井船在中國海南島西南側(cè)鶯歌海水域作業(yè)時，遭遇十六號強臺風(fēng)LEX的襲擊，鉆井船沉沒，船上的81名工作人員全部遇難[17]。美國國家運輸安全委員會在最后的調(diào)查報告中確認(rèn)，“爪哇?！碧栐贚EX臺風(fēng)期間沉沒的可能原因是艙壁附近結(jié)構(gòu)裂紋引起船體產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致船艙在臺風(fēng)下進(jìn)水，最終鉆井船傾覆[18]。

1.4 隔水管事故

深水鉆井隔水管受到深水惡劣環(huán)境和多方面復(fù)雜載荷的影響，在作業(yè)過程中容易發(fā)生事故。深水鉆井隔水管可能發(fā)生的事故主要包括隔水管意外脫離、隔水管斷裂、隔水管觸底等，后續(xù)處置不當(dāng)可能造成人員傷亡、油氣泄漏、工期延誤、平臺傾覆等嚴(yán)重后果[19]。

如2009年9月14日，West Hercules號鉆井平臺在位于我國南海LH34-2-1井位進(jìn)行鉆井作業(yè)時遭遇臺風(fēng)“巨爵”的襲擊，平臺在臺風(fēng)作用下發(fā)生漂移，隔水管底部總成（LMRP）與海底發(fā)生接觸，導(dǎo)致LMRP和下?lián)闲越宇^等損壞，耽誤工期50余天，損失高達(dá)5 000多萬美元[20]。

2 深水鉆井作業(yè)PERT評審

PERT的優(yōu)點在于操作簡單且結(jié)果直觀，在分析操作流程的關(guān)鍵路徑、時間成本、進(jìn)度控制和完工能力等方面可以發(fā)揮重要作用，能夠有效縮短工期、節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。PERT分析流程和基本概念如下[21]：

1）工作任務(wù)分解，確定工作先后順序和聯(lián)系及制約關(guān)系，確定工作時間t(i,j)。

2）繪制網(wǎng)格圖，從起始點到終點按照從小到大對事項節(jié)點進(jìn)行編號。

3）計算事項時間參數(shù)和工作時間參數(shù)，其中tES(i,j)為工作的最早可能工作時間，tLS(i,j)為工作的最遲必須開工時間，R(i,j)為工作的總時差。

2.1 工作任務(wù)分解

深水鉆井作業(yè)包括無隔水管深水鉆井作業(yè)和有隔水管深水鉆井作業(yè)2個階段。其中無隔水管深水鉆井作業(yè)是深水鉆井工程的主要特征，包括噴射安裝導(dǎo)管、鉆表層井眼及下入表層套管等工程作業(yè)。結(jié)合PERT分析流程，針對南海東部海域某深水區(qū)塊開展分析，該區(qū)塊信息見表1。

表1 區(qū)塊信息

鉆井機具選擇勘探船，鉆井方式為無隔水管開路鉆進(jìn)，鉆井液為海水加少量添加劑體系，設(shè)計井深為1 557 m（儲層下50 m口袋），井型為直井，根據(jù)鉆井作業(yè)計劃進(jìn)度安排進(jìn)行適當(dāng)簡化得到工作任務(wù)明細(xì)表（表2）。

表2 鉆井作業(yè)工作任務(wù)明細(xì)表

2.2 網(wǎng)格圖繪制

根據(jù)PERT分析流程，結(jié)合表2內(nèi)容，繪制網(wǎng)格圖，如圖1所示。

2.3 時間參數(shù)計算

計算相關(guān)工作的時間參數(shù)，詳見表3。

根據(jù)表3計算結(jié)果，在圖1的基礎(chǔ)上繪制帶有時間參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)圖（圖2），將tES(i,j)填于菱形方框上方，將tLS(i,j)填于菱形方框下方，將R(i,j)填于方括號內(nèi)。

圖1 鉆井作業(yè)網(wǎng)格圖

表3 鉆井作業(yè)工作時間參數(shù)表

分析表3和圖2可知，①→②→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩→⑩→?→?→?這條線上的工作總時差均為0，意味著每項工作必須緊接著上一項工作完成，在時間上沒有回旋余地，因此這條工作鏈即為關(guān)鍵路線，對應(yīng)圖2中序號，代表的工作任務(wù)為：鉆前準(zhǔn)備→組合一次鉆進(jìn)鉆具→一次鉆進(jìn)→組合下套管→套管固井→侯凝和起鉆→二次鉆進(jìn)→二次起鉆→試采作業(yè)→棄井打水泥塞。根據(jù)PERT分析出的關(guān)鍵路線可知，列出的工作任務(wù)為關(guān)鍵工作，必須嚴(yán)格按照預(yù)定安排進(jìn)行，以保證不影響整個工期。因此，JSA分析主要針對關(guān)鍵工作進(jìn)行，在保證分析結(jié)果可靠性的同時最大限度地減少工作量。

3 深水鉆井作業(yè)JSA分析

與其他風(fēng)險識別和評估方法相比，JSA更加關(guān)注整個運作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題，研究對象是生產(chǎn)活動和作業(yè)過程，基本原則是將作業(yè)任務(wù)按順序劃分若干個步驟，對作業(yè)逐步地進(jìn)行危害識別和分析，為保障作業(yè)過程的安全高效進(jìn)行提供分步建議和指導(dǎo)，其分析流程有如下3個主要步驟。

1）將作業(yè)任務(wù)按順序分解為若干工作步驟，步驟分解不宜太過詳細(xì)，一般不超過10步。

圖2 帶有工作時間參數(shù)的鉆井作業(yè)網(wǎng)絡(luò)圖

2）識別和評估每個工作步驟中的危害，危害因素的描述和分析應(yīng)簡潔明了。

3）針對識別出的危害因素制定相應(yīng)風(fēng)險控制措施。具體分析流程如圖3所示。

圖3 JSA分析流程

3.1 作業(yè)步驟劃分

在PERT得到的關(guān)鍵路線基礎(chǔ)上，將鉆井作業(yè)過程分為7個作業(yè)步驟：

①鉆前準(zhǔn)備；②組合下入311.15 mm（1214″）鉆具組合；③鉆進(jìn)311.15 mm（1214″）井段;④下/固229.23 mm（958″）套管；⑤候凝和起鉆；⑥鉆進(jìn)203.2 mm（8″）井段和起鉆；⑦試采和棄井。

3.2 風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)美國石油工程師協(xié)會等推薦[22-23]，結(jié)合深水鉆采作業(yè)實際情況，根據(jù)專家意見綜合得到風(fēng)險度等級評價標(biāo)準(zhǔn)，即風(fēng)險矩陣，見表4、表5及圖4所示。

3.3 JSA分析結(jié)果

按照劃分的作業(yè)步驟依次進(jìn)行工作安全分析，列舉鉆進(jìn)311.15 mm（1214″）井段部分分析結(jié)果，見表6。

匯總JSA分析結(jié)果，得出鉆井作業(yè)各階段各類風(fēng)險危害數(shù)量，見表7。

表4 風(fēng)險后果分類

表5 風(fēng)險概率分類

根據(jù)JSA分析結(jié)果和表7可知，此次JSA分析共識別出7個作業(yè)步驟的危害117項，其中低風(fēng)險危害6項，中風(fēng)險危害105項，高風(fēng)險危害6項。中風(fēng)險危害在整個作業(yè)階段中占比最多為89.7%，主要集中在試采、二次鉆井和一次鉆井階段，高低風(fēng)險危險占比較少，高風(fēng)險危害如導(dǎo)管下沉、鉆遇淺層氣井噴、形成水合物堵塞、臺風(fēng)應(yīng)急解脫失敗、DP定位失效和燃燒爆炸，主要集中在試采和一次鉆進(jìn)階段。

圖4 風(fēng)險矩陣

表7 JSA分析結(jié)果匯總

4 結(jié)論

1）通過事故調(diào)研和資料統(tǒng)計分析，得出深水鉆井作業(yè)中較為嚴(yán)重事故類型有井噴事故、火災(zāi)爆炸事故、平臺傾覆倒塌事故和隔水管事故。

2）針對南海某深水無隔水管鉆井作業(yè)展開研究，利用PERT對鉆井作業(yè)計劃安排進(jìn)行分析，得出鉆井作業(yè)關(guān)鍵路線為：鉆前準(zhǔn)備→組合一次鉆進(jìn)鉆具→一次鉆進(jìn)→組合下套管→套管固井→候凝和起鉆→二次鉆進(jìn)→二次起鉆→試采作業(yè)→棄井打水泥塞。

3）在PERT評審基礎(chǔ)上進(jìn)行JSA分析，風(fēng)險評估結(jié)果表明，深水無隔水管鉆井過程鉆井階段風(fēng)險最大，高風(fēng)險作業(yè)單元中鉆前準(zhǔn)備和一次鉆進(jìn)階段所占比重較大，應(yīng)重點關(guān)注這些作業(yè)步驟和危害因素，采取風(fēng)險控制措施以降低風(fēng)險，保證作業(yè)安全。