基于模糊Bow-tie模型的深水钻井平台井喷溢油风险评价

刘保占，靳卫卫，安伟，赵建平

(中海油能源发展股份有限公司 安全环保分公司，天津 300457)

随着我国石油工业的迅猛发展，海上作业逐渐步入深水、超深水时代，带来巨大经济效益的同时，溢油风险也与日俱增。目前，国内外针对深水溢油事故发生概率、发生规模，以及危害后果评价方面取得较多的研究成果，建立了大量的评估模型[1-6]，并且开发了相关的计算机软件系统[7]。但之前研究存在一些问题，主要体现在：①分别计算深水溢油概率和危害后果等级，未综合得到溢油风险值；②现有研究多为主观评价，并且大多没有考虑主观评价模糊性带来的误差。因此，有必要引入一种减小主观误差的评价模型，对深水溢油风险进行综合评价，以期为深水溢油风险防治与应急管理提供依据。以我国南海某深水钻井平台井喷为例，在现有基础上引入模糊Bow-tie模型，分别计算井喷溢油可能性和后果值，得出钻井平台井喷溢油风险评价结果，并提出溢油风险缓解措施。

1 研究方法

1.1 模糊概率分析

对于深水钻井平台而言，由于可查的井喷溢油事故统计数据较少，所以溢油概率分析选用目前较为普遍的主观概率与模糊数学相结合的方法，主要步骤如下。

1)邀请专家。邀请海上钻井作业相关的专家及现场作业人员，(人数>20)，赋予每个专家或作业人员合适的评价权重值。

2)模糊数化。选择恰当的隶属度函数，将专家描述语言转化成模糊数，选用三角模糊数表示事件概率值，对溢油事件的模糊性进行量化[8]，分别计算出故障树和事件树顶上事件发生概率。

将引起深水钻井平台井喷溢油事件风险可能性分为11个等级[9-10]，相应的语言变量和模糊数见表1。

表1 风险可能性三角模糊数等级表

由于不同专家会赋予同一事件不同的风险等级，需要对专家的评估结果进行整合，采用线性整合理论对专家描述语言整合[11]，见式(1)。

式中：Mi为事件i的模糊总数；wj为赋予专家j的权重；Aij为专家j对事件i的模糊评分；m为事件总数；n为专家总数。

3)模糊数概率化。上述求得的风险值以模糊数表示，为更直观比较溢油风险大小，需将模糊数转化为概率值，选择最大最小集合方法对模糊数概率化[12]，如式(2)所示。

FM=[FMR+1-FML]/2

(2)

式中：FM为模糊数M的模糊概率；FMR和FML分别为模糊数M的右模糊概率和左模糊概率。

其中：

其中： fmax(x)为最大模糊集； fmin(x)为最小模糊集； fM(x)为整合后的模糊集。

4)模糊失效概率化。为保证真实概率和模糊概率一致，需将模糊可能值转化为模糊失效概率[13]。

式中：F为模糊失效概率；k=[(1-FM)/FM]1/3×2.301。

1.2 溢油后果分析

1)评价指标及权重。深水钻井平台井喷溢油会带来不同程度的影响后果，其中，一级指标有社会后果、经济后果和环境后果，各一级指标下列出二级指标，见表2。通过问卷调查方式由海上钻井作业人员及专家对各指标进行打分，应用层次分析法(AHP)对各后果指标权重进行计算，表2中所示权重分配仅为本研究使用。

2)模糊数计算。根据深水钻井井喷事故导致的危害后果程度，将后果等级分为5级，相应的语言变量和三角模糊数见表3。

由权重和三角模糊数可计算不同后果事件的后果值模糊数，见式(5)。

表2 溢油后果各风险指标权重值

表3 危害后果三角模糊数等级表

式中：Ch为某一后果事件的后果值模糊数；Wn为一级后果指标的权重值；Bhn为后果事件h对一级后果指标的影响程度模糊数；Mn为二级后果指标数量；Wnm为二级后果指标权重值；Bhnm为后果事件h对二级后果指标的影响程度模糊数。

2 案例分析

以我国南海某一深水钻井平台为例进行分析。通过对该钻井平台的综合评估及实地检测，得出引起深水钻井井喷溢油的主要原因，形成了应用于该深水钻井井喷溢油的模糊Bow-tie模型(见图1)，故障树中间事件见表4，故障树基本事件和事件树诱发事件见表5。

表4 故障树各中间事件名称

图1 模糊Bow-tie模型

表5 各基本事件聚合模糊数

2.1 概率计算

由故障树中各基本事件的三角模糊数，求出聚合后的模糊数(见表5)，求得故障树顶上事件的模糊三角数为(0.055,0.119,0.223)，顶上事件的模糊概率为0.157，最后计算求得顶上事件的失效概率为9.33×10-5。

2.2 溢油后果计算

根据井喷溢油危害后果三角模糊数等级表，评价井喷溢油对社会、经济和环境造成的后果，结果见表6。

表6 结果事件危害后果评价

溢油危害后果影响由各评价因子权重与对应的评价模糊数进行矩阵相乘求得[15]，以OE1事件为例，造成的社会后果如下。

同理可求得：

B12=[0.19,0.38,0.50]

B13=[0.44,0.69,0.94]

OE1事件的总危害后果值模糊数为

同理求得其他后果事件模糊数Ch，并求得各后果事件的可能性模糊数pOEh，见表7。

2.3 溢油风险分析结果

通过式(3)计算结果事件的可能性失效概率FL和后果值失效概率FC，最后计算得到结果事件的风险值R，见表8。

表8 结果事件风险值

由表8结果显示，一旦发生井喷溢油事故，发生火灾+污染的概率相对较高，所以需要从引起溢油事故的潜在因素中进行控制。由表5可见，异常高压、抽汲、泵故障、不压井起下作业装置失效、旋转装置密封失效对该深水钻井平台作业安全影响较大，针对这几项重点部分提出以下风险控制措施。

1)使用适当的设备和技术实时监测液柱压力和地质压力，并能够根据井底监测数据准确判断所需钻井液密度。

2)简化钻井结构，起钻前彻底循环，保证井眼清洁；实时监督观察灌浆和返浆情况，保证起钻过程中准确，及时进行灌浆作业。

3)加强平台设施日常维修、保养和更新，对关键部件需定期检查，保证装置正常运转和密封性。

4)在平台不同区域安装可燃气体报警器，在密闭区域设置排气设备以降低可燃物质的燃烧或达到爆炸极限。

5)建立应急预案和响应程序、加强作业人员在紧急情况下的应急能力。

3 结论

1)Bow-tie模型综合故障树和事件树两种分析方法优势，不仅可以清晰找出事故发生的原因，还可以把事故发生的后果直观展现出来，便于后续风险评价研究。

2)将模糊Bow-tie模型引入深水钻井平台井喷溢油风险评价，与其他定性或半定量评价方法相比，模糊Bow-tie模型既可以定量井喷溢油事件的失效概率，又可以分别计算各结果事件的风险值，实现了基本事件发生概率定量化。

3)深水钻井井喷溢油风险在分析过程中存在较多难以量化的事件概率，采用模糊数方法，实现这些较难概率的定量化，该方法核心问题之一是隶属度函数，其语言变量和模糊数可根据实际情况进行设定，并不局限于三角模糊数。