基于FT 与BCCT 的采油管柱落井事故溯源

李威君，梁 伟，宋 迪，张来斌，姜 璐

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；2.中石油北京天然气管道有限公司华北储气库分公司，河北 廊坊 065000）

采油管柱是石油勘探开发所必须的重要设备，在整个建井成本中平均占20%～30%［1］。由于其工况十分恶劣（承受拉、压和弯等载荷），因此容易发生管柱断裂事故。此外，目前绝大多数的油井是斜井或定向井，使得采油管柱的受力更加复杂，一旦落井打捞困难甚至会造成油井失效。据统计，一般的采油管柱整体落井的经济损失大约在10～25万元之间［2］。因此，分析采油管柱落井原因，对于预防落井事故的发生，保证油田平稳生产具有重大意义。

目前，用于事故分析的方法有很多，如事故树分析、因果分析、故障类型与影响分析等。其中因事故树（Fault Tree，FT）分析过程思路清晰、表现形式直观、结果合理可靠，在系统安全领域应用广泛［3-5］。但事故树分析对于原因的追踪只停留在基本事件，通常是指导致顶事件发生的人的失误或设备故障。因此事故树虽然能深入挖掘事故的潜在原因，却很难发现其根本原因。而事故致因连锁理论（Causal Chain Theory，CCT）沿着事故发生发展的方向追溯事故，不仅能辨识与人和设备密切相关的直接原因、间接原因，而且能够挖掘与管理相关的根本原因［6-8］。鉴于此，笔者提出结合事故树与博德事故因果连锁理论（Bird’s Causal Chain Theory，BCCT）进行采油管柱落井事故溯源的方法，为彻底有效地预防事故的发生提供指导。

1 基于FT 与BCCT 的事故溯源原理

事故树（FT）分析运用逻辑推理对系统的危险性进行辨识和评价，将事故与原因之间的逻辑关系用树形图表示，通过逐层分析能够揭示出事故的潜在原因［9-11］。博德（Frank Bird）在海因里希多米诺骨牌理论的基础上［12］，提出了现代事故因果连锁理论，又称为博德事故因果连锁理论（BCCT），即：事故的直接原因是人的不安全行为、物的不安全状态［13］；间接原因包括个人因素及与工作有关的因素，如安全知识或技能的缺乏，安全操作规程不健全，设备、材料不合适等；根本原因是管理的缺陷，如缺乏设备维修计划，对人员的培训不够等；管理缺陷导致间接原因，间接原因的存在又导致直接原因，最终导致事故发生［14］。可见，BCCT 将追溯事故原因的重点放在管理缺陷上［15］。对应于FT，距离顶事件最近的中间事件是导致事故的直接原因，最底层的基本事件是间接原因，而深层次的根本原因是管理缺陷，对此单纯利用FT 未能辨识。本文将FT与BCCT 方法结合，对采油管柱落井事故进行深度溯源，其原理如图1所示。

图1 基于FT 与BCCT 的事故溯源原理图Fig.1 Schematic diagram of accident traceability based on fault tree and Bird’s Causal Chain theory

溯源的基本过程是：首先对采油管柱落井事故进行FT 分析，以采油管柱落井作为顶事件，找出直接导致采油管柱落井的因素作为中间事件，再对每个中间事件进行原因分析，逐级向下演绎推理直到基本事件，并计算最小割集；根据BCCT 总结FT 分析结果，得到事故的直接原因、间接原因，并由最小割集深入分析导致最小割集事件发生的管理缺陷。

2 采油管柱落井事故溯源

2.1 事故树分析

本文结合采油管柱的实际情况，总结采油管柱落井的常见事故形式，并根据FT 分析法的基本原理，编制采油管柱落井事故树，同时采用布尔代数法计算最小割集，绘制等效事故树。

2.1.1 构建事故树

通过调查生产现场采油管柱落井事故，忽略由于地质条件、工艺需求、自然灾害等不可抗力因素导致的事故，本文总结出导致采油管柱落井事故最直接的原因包括油管挂断裂、油管断裂、修井队操作失误和卡瓦故障四个方面，深入分析得出15个基本事件，构建了采油管柱落井事故树见图2，该事故树的事件见表1。

图2 采油管柱落井事故树Fig.2 Fault tree of oil production string falling accident

表1 采油管柱落井事故树的事件表Table 1 Event list of fault tree

2.1.2 计算最小割集

采用布尔代数法计算最小割集，分以下三个步骤：

（1）建立事故树的布尔表达式：

（2）将布尔表达式化简为析取标准式：

（3）用分离重复事件法化简析取标准式：

求得最小割集K，共14个：｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4，X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，即任何一组最小割集都可能导致采油管柱落井事故。

该主变A相在运行中底部其中一个注油阀门阀体开裂，裂口长度约300mm，目前虽未发现绝缘油渗漏，但是已经留下严重的安全隐患。（如图）

2.1.3 绘制等效事故树

根据最小割集的定义，任意一组最小割集都是顶事件发生的充分必要条件，即顶事件的发生状态实质上完全由最小割集的状态所决定。因此，为事故进一步溯源的简便，将图2原事故树简化为等效事故树，如图3所示。其中，K1指的是由X4和X5组成的最小割集，其他符号的含义与表1相同。

2.2 事故因果链分析

在FT 分析的基础上，根据BCCT 可知，导致采油管柱落井的直接原因是油管挂断裂、油管断裂、修井队操作失误、卡瓦故障；间接原因是油管挂质量差、油管挂长期服役、新油管质量差、油管长期服役、油管未及时检查更换、丝扣质量差、修井频繁、操作不稳、解卡不当、起下钻操作不当、对扣作业不当、设备失灵、卡瓦磨损严重、卡瓦质量差、卡瓦操作失误。可见FT 分析仅将事故追溯到人或设备的原因，下面沿着事故因果链的逆方向深入分析事故树中每个最小割集的根本原因，基于BCCT 的事故因果链分析如图4。

图3 采油管柱落井等效事故树Fig.3 Equivalent fault tree of oil production string falling accident

图4 基于BCCT 的事故因果链分析Fig.4 Accident causal chain analysis Based on BCCT

（1）产品质量差——X1（油管挂质量差）、X3（新油管质量差）、X6（丝扣质量差）、X14（卡瓦质量差）。在FT 分析中产品质量差之所以被当作基本事件，是因为普遍认为产品质量差的原因是设计不合理；而实际的应用中，从设备的设计到使用还经过了采购、校准、检验、试验等过程，因此BCCT 认为部件质量差的根本原因是管理的失误，未能在产品使用前发现其缺陷。

（2）设备长期服役——X2（油管挂长期服役）、K1（X4油管长期服役、X5油管未及时检查更换）。采油单位为了节约成本，普遍存在设备长期服役的现象，不可避免地导致设备老化严重，易引发油管挂或油管断裂。因此设备缺陷的根源在于管理不当，如缺少寿命预测或设备更新改造不合理。

（3）操作失误——X8（操作不稳）、X9（解卡不当）、X10（起下钻操作不当）、X11（对扣作业不当）、X15（卡瓦操作失误）。操作人员的专业技能、经验、安全意识等是影响其操作行为的关键因素，因此对人员的管理不当（如培训不足、考核不合格）直接导致其操作失误。

因此，通过事故因果链分析可以挖掘导致事故的深层原因，揭示了管理在钻井作业中发挥的重要作用；同时，也可为制定事故预防措施提供指导，即事故预防不能仅从设备、人的不安全行为等可能直接导致事故发生的方面入手，而应该要重点关注管理上的缺陷，从根源上控制事故的发生。

3 实例分析

某钻井队在钻井过程中发生钻具落井事故，事故发生的经过、结果、原因分析等信息详见表2。

表2 事故报告表Table 2 Accident report

图5 钻具落井事故树模型Fig.5 Fault tree model for the falling of drilling tool

构建该钻具落井事故的事故树模型见图5。根据FT 分析结果可制定相应的预防措施，如卡瓦使用前对其进行第三方检查，加强对卡瓦的检测与维护等。但通过FT 分析制定的预防措施只控制了导致事故发生的直接因素和间接因素，并不能够从根源上排除该钻井单位的安全隐患，因此需要进一步对该事故进行溯源。

根据BCCT事故因果链理论，事故报告中“井口气动卡瓦故障”是事故的直接原因，从FT 分析结果中可得到间接原因可能是卡瓦质量差或卡瓦长期工作磨损严重，进一步溯源分析导致间接原因发生的根源是管理上的缺陷：在卡瓦的设计、采购、校准、检验、试验或使用过程中未能发现其缺陷；已投入使用的卡瓦未制定合理的设备检验维修计划或检验维修执行不力。构建的钻具落井事故因果链模型见图6。

图6 钻具落井事故因果链模型Fig.6 Accident causal chain model for the falling of drilling tool

从事故因果链模型可知，保证井口气动卡瓦的可靠性是防止钻具落井事故的途径，深度溯源到保证设备采购、检验维修等职能部门管理的有效性。通过消除管理上的缺陷来控制导致事故发生的直接和间接因素，对于从根源上排除该钻井单位的安全隐患具有重要意义。

4 结论

（1）通过将FT 分析与BCCT 结合，以“采油管柱落井事故”为顶事件，沿着事故发展方向逆向分析采油管柱落井事故，得到其直接原因、间接原因和根本原因，实现了事故深度溯源。

（2）与传统单独使用FT 分析方法相比，融合事故致因连锁理论的事故溯源方法能深入挖掘事故的根本原因，并且强调管理在事故预防中的重要地位，为采油生产的安全管理提供了指导。

（3）事故溯源结果可为制定事故预防策略提供技术支持，如管理产品采购及试验等过程、对设备进行寿命预测或更新改造、加强人员的培训及考核、制定合理的设备检验维修计划等，而提高职能部门的管理决策水平可从根源上控制事故的发生。

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