动力定位钻井作业的风险评估.pdf

⑧ 3 F h o r o g o o d等著 动 力 定 位 钻 井 l le 业 引 言 的 风 险 评 估 风险评估 是钻井工程师的一种基本工具 。 当计划采 用新 的或不熟 悉 的技 术进 行钻井 作 业时 ，用这 种工 具可 以达到 好 的效 果。严 格 地 、结构 化地进行 风险 评估 为工程 师 提供 了 宝贵 的洞 察力 ，使 他认 识到 稳藏在 作 业 问题 后面的一系列 原 因和 结果 这种 方法 帮 助工 程师培养一种 透视 的感 觉 ，将注 意力 主 要集 中在那些可能对作业造成最大威协 的风险上 ， 而不是 集 中在凭 直 觉表 面上 显示 重要 的那些 风险上。 在世界上一 些地方 用 动力定 位钻 井组 合 进行钻井作业 有着 曲折 的历 史 在 管理 者缺 乏用动力定位 方法 钻 井经验 的情 况下 ，应 有 效采用量化 风险评估 技术。他们 的主要 目的 是通过 系统 化 的分 析揭 示 出所有 故 障 情 况 ， 经过评估保 证该 系统 可 以安全 运行 在某些 情况下 ，用这种 分 析可 以认识 到 哪些地 方可 以通过改进 而取得 最 佳效 果 ，哪些 地方 根本 不可能进行有效 的改 进 本 文描述 的分析方 法是 为 了揭 示 出在钻 机跟踪记录 、水 下设 备 的历史 以及 海底 地质 固有的不确 定性等 因 素的基 础 上 ，可 以安 全 实行动力定位钻井作业 。 风 险评估方法 在正常情 况下船体 应 保 持在 原位 。发生 弋 李春楼译 李根 生校 紧急 情况 而定 位 失控时 ，应 使 作 业有规 则 地 停止 ，并从 井 口脱 开而 不会 发生 麻烦 但 是 如果 在脱 开 时 出现故 障 ，就有 可能 导致 以下 几种后果 井 口溢 流 、损坏 设备或使井报废 。 定位失控 时 出现 以 下情 况 ，才会发 生 井 口溢 流 1 定位 失 控 引发 紧急 切断 ，几 率 为 P S L ； 2 切 断造成 失去 油 井 的完 整 性 ，几率 为 P DF 3 切 断时丧 失 了隔水 管安 全 系数 ，几 率为 P R M ； 4 渗 透性 地层 外露 ，几率为 P F M ； 5 该 外 露 地 层 含 有 油 气 ，几 率 为 P HC 。 所 以 ．发生 井 口溢流的几率可 以表示 为 P S P S LPt DF P RM P P 风 险接受标准 可以采 用风 险评估 方法 确定 损失 的所 有 方面 人员 的 、财政 的 和环 境 的 在 本 文讨 论的情况下 ，没有 一种 故障 机制 会对人 员 造 成伤害 。因为 这类 风险 通常 综合包 括在 钻 机 安全事例分 析及 有关 文献 之 内，所 以人 员 风 险超出 了本文讨论 的范畴。 避免 财物损失 是风 险评 估价 值体 现 的一 个重要领 域 在这 种 情况 下 ，通 常 目的是 说 T 维普资讯 国外 钻井 技 术 第 l 5卷2 O O 0年 第 3期 明缓 和方法的成本小 于事故后 果的风险成本 。 在切断 失败可 能产 生破坏 而不 会造成 污染 的 情况 下 ，合理 的办 法是 估 计破 坏 的成 本 [ ．d ， 并与 修改或改进作业程序 的成 本 C m 相 比较 ． 这可 以将 风 险从 最 初 的几 率 P 5 ， ，降到 一 个较低 的值 P 5 ，即 C m C d P 5 1一P S ， 为了节省 一美元 而 花费一美元 通 常没有 什么 意义 ，所 防御措 施 的成本 一般 应 显著低 于 损失 的风 险成本 。这种 比例 一般 由有 关 的经 营小 组 进 行 商 业性 评 定 本文 描述 的评估 工作 的 根本 动机是 说 明 环境破坏 风险 的确定 、量化 及 可容 忍性 。理 论上 可以从 清除溢 流 的成本和 解决 所有破 坏 索赔 两方 面的量 化确定 损 失。但是 严 重溢 流 的后果并 不能从 金钱 方 面考虑 ，尤 其是 后 果 卷人 了公 众 舆论 ，并使得 油 公 司失去 了作 业 执照 的情 况 下 管 理者 和操 作者越 来越 倾 向 于 从 可 接 受 频 率 方 面 确 定 这 种 事 故 的 可 接 受 标准 ，根据 事故 的严重 程 度不 同 ，该频 率 也 不 同 。 不 同公 司的风 险接 受标 准也 不 同。根 据 挪威石 油条 例 ，作 业者必 须 在风 险分 析标 准 中确定他 的接受 标准 这 一组 值将 作 为一 种 评价量化风 险评估 结果的尺度。 以下描述 的风 险评 估 的主 要 目的 是确 定 所有不 利后 果 出现的 几率 该 几率 应 该低于 风险可接受 的预 定标准 。否则 必须采 取 缓 和 措施将 其降 到可 接受 的水 平。挪威 作 法要求 首先要 考虑 降低 出现几率 的措施 而不 是力 图 限制后果的措施 。 失去定位 能力 在 1 9 9 5年汇报给 国际海上承包商协会的 资料 中有 2 2例定 位失 控事故。假设该计划 中 有 7 O艘 船 ，大 约有 6 0 ％的 时 间花 在 动力 定 位 DP上 ．得到 的 比例 为每个 动力 定位 日 1 4 ， 31 0。No b l e D e n t o n认 为 这个 数 据可 以代表 近年来 的情况 1 9 9 3年的 数据 中包括 与参考传感 器 有关 的事故 比例很 大。多 数与 新上市 的 DGP S有关 ，或 与对 钻 牛作 业不 够 准确不 太适 用 的系 统有关 ，如绷 紧电缆 总 之 ，1 9 9 5年 的事故可 以分 为以下几 种原因 原因 比率 ／ DP 日 计算机 2， 0 1 0 电力 方 面 2 ． 01 0 其 他 2 ． O1 t 4 推 进 器 2 ． 61 0 4 参 考 2 ． 61 0 操 作 者 3 ． 1 1 0 或者它们可 以归 纳为 原因 比率 ／ D] 日 漂移 7， 1 1 0 驱 动 3 41 0 大 的 漂 移 3． 81 0 4 这些故 障与所 有 DP船 有 关 它们包 括 在平台和船体附近操作的深潜 器 DS V ，及 其在潜水 和高水 流 中的作业 。这些 数据包 括 在动力定 位 方式 下 作 业的 所有 类 型 的 船 只 ， 从第一类 的输 油 油轮 到第 三类 的钻机 。 因为 这些数据覆盖 了所 有的 情 况 ，所 以对 经 验 丰 富的船 组 人 员和 应用 良好 的 定位 系统 来 说 ， 该 结 果 是保 守 的 1 ．电力故 障 由于 电力 故 障而 发生 的 DP故 障 的历 史 数据 4 ， 81 0 ／ DP 日，是 基于对 1 9 8 3年 以 来的事 故报告 的 比较。近 年来操 作者 已经 提 高了保 养标 准 ，前面引用的 1 9 9 5年的数据表 明改善到 2 ， 01 0。 2 ． 推进器故 障 由推进 器引起的定 位失控包 括 各 种类型 和形状 的船 。如果 带有 大杆臂 的船 体 发生故 障就会 出现 惨重 的后 果。相反 ，我 们研 究的 主题 ，DP半潜式平 台 ，有八个 同样大小的推 进器 ．所以任何 一个 出现故 障带来 的后 果都 不会导致定位 失控 。 3 参考 系统失效 从 1 9 9 5年的 数 据 中得 出 的 比例 2 ， 6 1 O 是 以 所 有 参 考 系 统 为 根 据 的 ，其 中包 维普资讯 括 浅 水中的紧绷 电缆和局部 辐射 干扰结果。 l 9 9 5年 ，I MC A发 表一个 有关 双 DGP S系统 的 QR A 的 报 告 ，开 始 量 化 双 D GP S在 惟 一 共 同因素 为 卫星 的 3 0分 钟 里 同时 损 失 的几 率。估计的几率为 卫星数量 失效 几率 3 2． 8 1 0一 4 6． 9 1 0 5 6 4 1 0 对 “ 全球 定 位系统 ”人们 普遍 担 tk , 的是 它的获得 受美 国军 事控 制 基于 以下 两个 原 因 ，在实践 中它并投构成对作业 的严 重威 协 1 航空工业 越 来越 依 靠 DGf 获得 准 确导航 ，这就降低了失 去货 源的机率。 2 在战争 时期 可能撤 消该 系 统之前 会 先发出充分 的警 告 ．这样 ，谨慎 的操 作者 就 会相应地作 出其它计划 。 其它一些普 通故 障也 会 发生 ，但 它们 由 I MC A记录 ，只要 对每 次 安装 都 检验 已知 原 因 ，它们就不会 导致 有 可能 改变上 述几率 的 严 重 危 险 。 将 来 如 果 研 制 出 能 接 收 GL 0NAS S的 接 收 器 ．相 当于 接 收 苏 联 的 G P D，卫星定位系统就更加 富余 。 对水声系统 来说 ，类 似 的系统 分析 表 明 故 障几率为 脉 冲应答器 数 目 故 障几率 3 6． 7 1 0 4 3． 1 1 0 5 1 2 1 0 移到一 个新 的地 方 时 ，除 了系统 本身 的 可靠性 之外 ，人 们对 水声 系统 主要关 心 的是 脉 冲应 答器 的信号 强度 以及斜温 层效应 带来 的干扰。信 号 强 度 取 决于 钻机 的噪 音 信 号， 如果现场有温 度测 量装 置 ，就 可 以评 估 斜温 层可能产生 的影 响。将这 些 收集起来 做 为 当 地调查水流监测项 目的一 部分。 因此总 的来说 ，双 DG P S和水 声系统 两 种系统的联台故障几率最 差 3个卫星 ，3个 应答器为 1 ． 9x 1 0 ～ ，最好 为 7． 71 0 ～。 41 认 识参照 系统 故障 的重点是 所有 系统 同 时损 坏 的可 能性 非 常小 更重 要 的是 ，无 论 是卫 星还是水 声系 统 ，参 照系 统 的任何 一部 分发 生故 障时 ，其 余 系统都 能 为油井 保持 正 常状 态提供 足够 时间 ，因此就不再需要 紧急切 断 4 ． 操作者失误 历史上 ，操 作者 失 误是 导致 定位 失 控 的 最大单 一 因素 。操 作 者失 误有许 多原 因 ，主 要出现在 高强度 作业 中 。由于 提高 了培训 标 准 ．增 加 了 认识 ，从 而 减 少 了 事故 的发 生 操作 者经验和 培训 是绝 对重要的 隔水管切 断故障 在 下条 件下 隔水 管切 断失 败 ，结果 会 失去 井 口完整 性 1 L MRP连接器不 能松 开 2 B OP控制 系统不 能发挥作用 3 切断超过计划的时间 4 由于 大 的套 管穿过 闸板而 使 剪切 失 败 5 由于 井底组 台 经过 闸板而 使 剪切 失 败 6 剪切 闸板 不能封闭 7 由于 钻杆 工具 接头 经过 闸板 而使 剪 切失 败 切断失败几率 为 P D F P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 B OP接头 的可靠性数据 可 以从 几个 方面加 以 考虑 ，1 9 8 4年 ORE D A 可 靠性 数 据 和 S I N T EF的研究 。这 两方面都 表 明失 败率为 1 ％， 例如 P 1 0 ． 0 1 有关 BO P控制 系 统 的数 据发 表 的很 少 。 S I NTE F研究 提供 了水 力 控制 的 资料 。将这 些数据应 用到 两个 吊舱系 统 ，说 明控 制系 统 故 障几率 P 2 0 ． 0 0 1 。 由于不仅 要预 测实 际钻 机 冲程 、发送 警 报和启动切 断 的次 数 ，而且 还要做 一 些关 于 机组人员 反应 次数 和钻机 上通讯 的假设 ，所 估计切断 超 过预计 时间 的可能 性是一 项非 维普资讯 4 2 国外钻井技术 第 1 5卷2 O O O年第 3期 常复杂的 任务 。这 些 几率 必须 以对压 力下人 员反应 的实际 评估 为依 据 从发 出警 报 到 切 断完成 通常需花费 6 0秒 。在温和条件下 ，超 过所需 反应 时 间 的几 率 可 能低 至 1 ％，而在 严酷 的天 气下 这 个几 率可 能 定 为 l 0～2 0 ％ ， 例 如 0． 0 1 P 【 30． 2 闸板剪 切钻杆 失败是 导致危 险 的一 个重 要 方 面 。研 究 表 明 ，对 标 准 的切 口 ／ 直 线 或 切 口／ 切 口剪切 闸板设 计 来 说 ，1 8 防 喷器 组 内能 剪 切 的最 大钻 杆 外 径 为 l 0 套 管 试 验 已证 实 直径更 大 的钻杆会 发生塑 性变 形并 挤出切削 刀片 的端部 之外 。这在 很大 的作 业 压力范 围内都 造成 剪切失 败 。工业 部正 调 查 设计 一种新 的 闸板 ，便 能 以剪切 更大直 径 的 高 强 度 套 管 。 避免这种危 险 的方法 是在 含油 气地 层 暴 露 的井 中避 免下 人这 种钻 杆 。在某 些井 段 还 建议作业 过 程 中包括 下套 管部分 。研究 所需 的作业 以及 钻杆 落人 井 中的不确 定 时 间，说 明切断程序 完成 以前 套管 未被 切断 ，因此 为 防止这 种条件 下发 生泄漏 应下人 可剪切 的套 管 ，这样 P 4 0，这种情 形 回复 到 剪切 闸板密封失败 。 在 B HA穿过 B OP的 深水 井 中 ，据 估计 每 次 切 断 平 均 需 要 2 0 分 钟 典 型 井 为 0 ． 7 5 5，即P 5 0 ． 0 0 7 5 。这 一 危 险 同 样 可 通过 在关键 井段 细 心计划 、人 员警 觉 得 到某 种程度的减轻 。 E DA的 资料说 明役 有发生 过 B OP剪 切 闸板不 能按 要求 关 闭的事 故。如果 闸板 关 闭而不 能彻 底 分开 钻柱 ，那么 就假设 削弱 的 钻柱将分 开 ，然 后 闸板关 闭 这 种条 件下 存 在 的 问 题 为 闸 板 封 闭 的 几 率 。ORD E A 数 据 库没有这 种 失败的 记录 ，这 时保 守的 假设 为 P 6 0． 0 0 1 。 总之 ，剪切 闸板 不 能可靠 地剪 断 钻杆 工 具接头 。在 没 有预防措 施 的条 件下 ，根据 接 头和联接器 的长 度 ，在 钻杆上 关 闭闸板 的 大 约几率为 l 0 ％左右 然 而 ，在 动力定 位钻 机 上 ，该程序有 助于 避免这 样 的事 故 ，估 计 可 将 问题 几率 降低 一个 数量 级 ，因此 P 7 0． 01 考虑所有这些 因素得 出 P DF 0． 0 4 油 气溢 流 最后必须 考虑 发生 油气外 溢 的 三个 必要 条 件 即 1 切断 时丧 失 了隔水管安全 系数 2 必须暴露 一个 可渗透性地层 3 该地层必须含 油气 隔水管安全 系数 的 问题是 钻井 工程 师设 计油井 的 中心工 作。评价 这种 情况 的一 种 方 法是 根据地 质预测估 计遇 到超 过最大设 计值 的压力 的 几 率 P R M 1 ％。在 探 井 中， 遇到含 油气 的可 渗透地 层 的危 险，其几 率 为 P F M P HC的总危险 为 2 5 ％。 因为 定位失 去控制是 由每天 的事故表达 的 ，所 以， 该 表达 式必须 乘上 地层 暴露 的时 间 ，时 间 为 l 0天。在这 些条 件下 ，钻典 型井 期 间发 生泄 漏 的 几 率 为 Pf S 1． 4 X 1 0 在关键 时候 ，设计 者 可能会 希望 组织作 业程序 时 ，要确保 一钻 遇到 未 知储 层 就进行 地层压 力测 试 。 以这 种方法 ，他 能确保 他 面 临失去 隔水管 安全系数 的几率 受测试 和调 整 泥浆 比重所 花 时 间 的 限制 ，该 时 间 为 1天 在这种 情况 下 ，我们 确定 油 气 危 险为 1 。在 这些条件下 P S 0 ． 6 X 1 0 然后 ，作业者 可以将 此 结果与 他 的危 险可接 受标准相 比较 。 讨 论 本文提供的分 析表 明了用动 力 定位钻 井 组合进行钻井 作业 时 ，作业 商如何 评 价对 环 境造 成的危 险。有几个 关键 因素影 响着他 的 工程的完 整 性 ，其 中 一些 在 他 直 接控 制 下 ， 如油 井设 计 、选 择作业 程序 以及钻 井 船上 人 员的竞争 力。钻 机系统 的可 靠性在 很大 程 度 维普资讯 国外钻 井技 术 上 由设计 预先 决定 ，但 由于动力 定 位系 统 的 经验不断 丰富 ．这 种 可靠性 还受 钻 机所 有者 不断的更新 和 改进 的影 响。虽然 工 程师 对钻 机系统可 能无 能 为力 ，但他 必须 彻 底 了解 它 们 的局 限性 以及可能的故障方式 。 在此提 出的分 析 中 ，作 者作 了两点关 键 假设 ，即油 井可以设 计成 1 任何 时候 都保 持 隔水管 安全 系数 为 正 2 当含油气 地层 暴露 时要 确保 不下 人 不能被剪 断的钻 杆 这些理想条 件 井不 能得 到 ．或 有 可能 给 油井 目标 带来 不 可容 忍的 牺牲 。他 们 解释 了 为什 么工业部 门将 所有精 力投 入到研 制可 以 切割大 直径 厚壁钻 杆 的剪 切 闸板 上 。一些作 业 者 已经考虑在 B OP防喷器组 中安装 两套剪 切闸板 ，这 就能 克服 首 次尝试 或者碰 撞 工具 接 头或 者剪切 钻杆 成功但 密封 失败而 不会影 响密封 的危 险 。 所 有这 些分 析结果 的有 效性 绝 对取 决于 所用资料 的 质量。定 位 可靠性 所用 的数 据反 应 了 1 9 9 5年整个 DP工 业的性 能 资料。 由于 D P钻井 作业水 平提高了 ，现在有一个好机会 彻底 回顾动 力 定位 钻井 作业 ，将 性能 仅 限于 这种组台范 围 本文提 出的分 析结 构也 可用来 将 任何 牵 涉 到的具 体危 险 因素列入影 响系统 可靠性 的 所有其它 因 素中。例 如 ，如 果钻机 不 能完 全 符台管理要 求 ，制 造时 就 要对 照系统 进行 量 化危险评估 。为使 钻机 符合 要求 而进行 的改 造所产生 的结果 应该 加 入评估 ，估 计 它们 对 降低 或增 加 危 险程 度而产 生 的影 响。对 照将 危 险 降到“ 台 理 可 行 ” 的程 度 的原 则 ， 测试对油井 完整 性 的全 面影响 ，该 原 则 的结 果为 实行 风险 降低 措施 所需 的成本 明显 与危 43 险后果降低的 消耗不相称 这个分 析可 以方 便地 进 行改 造 ，使 计 划 者可以进行其它作业 的安全评 估 ，例如试井 。 在这种情 况下 ，根据 可 以采取 的 具体预 防措 施 ，可以检 查定 位系 统 的可 靠性 。协 断失 败 就取决 于 剪 切实 验 钻 柱 元件 和 完成 的能 力 在 B OP上下人不可剪切元件 的次数 和具有 的 气候窗将控 制 风险 图象 。切断失 败将 包 括 闸 板不能密封 的 可能性 。射 孔地层 在 井 中暴露 的时候 测试 作业 的状 态将 决定 会 失去 隔水 管 安 全 系数 。 原则上 ，这 种分 析也能用在 其它作业 上． 例如评 估在极 深水 和 恶劣条 件下 操作锚 系钻 机会遇 到 的风 险。在这 里 ，主要 的焦 点是 使 用推进 器 的作 业程 序和控 制及 监 测系统 的完 整 性 这 种分 析确 定 的危 险 的重要 来 源 中，最 主要 的 与 切断 隔 水 管 失 败 有 关 具体 来 说 ， 风 险高 的事 件有 松 开接 头 失败 松 开超 过 计划时 间 以及 试 图剪 断工具 接头 。这 些 因素 的影 响几乎 是其 它 因素的 1 0倍 。松 开接 头失 败 的根 源可能 是动力 定位 作业 时泄漏 风 险的 主要原 因 ，并应 归 于人为 失误 。影 响 油井 完 整 性 的主要 因素为该 作业 涉及 到 的所 有人 员 的培训和 能 力 ，不 仅 包 括钻 机 船 上 D P系统 操作者 ，而 且还 包括 油井 设计 者 、设 备保养 和钻井人员 。 结 论 本文提 出了对 动力 定位 钻井 作业 进 行量 化风险评估 的框 架 。这 种方 法 使我们 可 以评 价不同风 险 因素的 影响 。这 里 提 出的数 值说 明 了人为失误是 影响整体 风险的 主要因素 。 译 自 1 A DC／ S P E 3 9 3 3 8 维普资讯