深水油气开采重大工艺灾害分析及抗爆减灾研究进展*

张红生 朱 渊 杨冬冬 陈国明

(1. 中海石油(中国)有限公司钻完井办公室 北京 100010; 2. 中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心 山东青岛 266580)

近年来，世界油气开发的重心逐渐向海洋转移，全球约一半的重大油气勘探发现来自深水海域[1-2]。我国南海深水海域油气资源丰富，是未来我国油气资源的主战场，提高深水油气资源的开发能力对我国海洋强国战略的推进具有重要意义。

我国深水油气开发起步较晚，但发展迅速。国际先进的深水钻井平台相继建成,首个深水自营千亿立方级大气田开发建设,水合物成功、稳定试采。一系列重大的突破振奋人心，彰显了我国海洋油气开发的快速发展和斐然成绩[3-5]。然而，不能忽视的是深水油气开采系统工艺交叉复杂、设备复杂密集，防控不当容易引发井喷、泄漏、爆燃等工艺事故，较大的人员密度以及紧张的应急资源可能进一步加剧事故后果的严重程度。譬如，1988年英国北海Piper Alpha平台天然气泄漏爆炸事故(图1a)[6]，2001年巴西P36平台爆炸沉没事故，2010年墨西哥湾“深水地平线”平台井喷[7]、爆炸事故(图1b)，均造成巨大的人员伤亡、财产损失和恶劣的社会影响。

图1 海洋平台工艺灾害事故[6-7]Fig .1 Process accidents of offshore platforms[6-7]

基于此，考虑到我国深水油气资源安全高效开采的需要，在国家重点研发计划的资助下，结合中国海油多项生产课题，对深水油气开采重大工艺灾害预测及抗爆减灾设计进行了深入的探索。主要研究进展包括：系统开展深水钻井及井喷防控作业安全性分析[8-13]，结合智能化算法发展海洋平台油气泄漏、爆燃后果预测模型[14-18]，进而针对波纹板、舱室泄压、水喷淋等抗爆减灾技术设计[19-22]。笔者对相关研究进展进行总结与回顾，以期为我国深水油气开发重大事故防控体系的构建提供参考。

1 深水钻井及井喷防控作业安全性分析

近年来，我国海洋油气行业发展迅速，然而潜在的井喷失控事故不容轻视。因此，面向深水钻井工艺，基于拓扑结构和风险熵概念研究钻井过程井喷失控灾变演化轨迹，基于系统理论分析井控工艺的安全性，结合实验与数值计算揭示井喷气体的扩散行为与蓄积特点，以期更系统地了解深水钻井井喷灾变演化。

1.1 井喷失控灾变演化过程分析方法

井喷失控是深水油气开发作业中最严重的工艺灾害之一，探索事故多因耦合失控演化致灾机理，认识井喷事故发生到灾变不可控的关键危机转化因素及其相互作用关系，对深水钻井井喷事故的预防与减缓具有重要意义。

深水钻井系统风险因素众多且具有很强的不确定性，人员、设备、环境之间的复杂非线性耦合交互[23]，激发了深水钻井系统的脆弱性并导致系统的异变与崩溃，最终导致灾难性的井喷事故发生。事故树、事件树等基于链式理论的传统风险分析模型无法表征复杂系统内部的关联性与交互性。为解构深水油气开采井喷失控事故灾变演化轨迹，直观揭示井喷事故发展演化过程，依据深水钻井流程和事故发展进程，可辨识诱发深水井喷事故的风险因素与风险传递关系。基于风险要素与风险传递关系构建了深水油气开发井喷风险演化拓扑模型，结合复杂网络理论表征深水钻井系统的脆弱性。事故过程中往往伴随着风险要素状态的变迁，状态跃迁引发风险传递的随机性与不确定性[24]。鉴于此，引入熵理论[25]描述系统的状态变化特征，衡量深水钻井系统的脆弱性。考虑关键设备更换与检维修引发的状态扰动，兼顾其动态可靠性特征建立设备元件失效概率分布函数，探究深水钻井系统井喷事故的最短路径及其变化趋势。

1.2 深水钻井井控工艺安全性分析方法

现代深水钻井系统中，信息化、智能化和数字化的融合使深水钻井系统具有复杂系统的典型特征。井控系统是深水钻井系统中的关键环节，考虑到深水井控的复杂性、动态性以及工艺设备之间的非线性耦合，以及传统方法对复杂系统内部交互作用的不适用性，从系统控制角度开展井控流程安全分析。

引入STAMP/STPA分析准则[26-27]，开展系统约束与系统危险辨识，基于钻井平台尺度分析安全管控行为，以控制和反馈表征井控工艺中的安全问题，构建了深水钻井控制与反馈模型。将控制系统和井控作业人员作为控制器，防喷器、节流管汇等井控装备作为执行器，井筒压力作为受控过程，随钻测压系统、液位计等作为传感器。提取面向井涌和井喷的安全控制结构，辨识不安全控制行为，分析不安全控制行为诱发事故的原因，并基于约束[28]的理念识别不安全控制行为对应的约束措施。进而建立包含“钻进—井涌—关井—压井”的深水钻井井控过程动力学模型，以井涌后未采取控制行为或控制行为延迟为例进行井控作业安全性分析，验证了STAMP/STPA分析准则在深水钻井井控安全分析方面的可用性。

1.3 深水钻井井喷气体扩散规律研究方法

井喷失控后地层流体喷涌而出，首当其冲的会造成资源浪费与环境污染，若遭遇点火源发展成火灾、爆炸事故，将引发更灾难性的后果。基于此，采用实验与数值分析相结合的方法开展井喷泄漏扩散规律研究。依据几何相似和动力相似原则[29]搭建超深水半潜式平台井喷气体扩散模拟实验系统(图2～3)。设计实验系统时建议通过考虑主导作用力实现近似或局部的动力相似。例如：研究天然气在封闭井筒中的流动过程重点关注雷诺数，对于井喷射流阶段的气体流动主要关注弗劳德数，井喷气体扩散阶段主要考虑雷诺数，设计风场参数时主要考虑欧拉数[30]。基于此，结合物理模型相似比例可实现实验工况参数的设计。

图2 井喷气体扩散模拟实验示意图Fig .2 Diagram of simulation experiment of blowout gas diffusion

图3 井喷气体扩散模拟实验系统Fig .3 Simulation experiment system of blowout gas diffusion

构建超深水半潜式平台井喷扩散数值仿真模型，基于实验数据与数值计算数据开展数值验证。设计正交试验，研究风场参数、泄漏参数等对井喷气体泄漏行为与积聚特点的影响，如图4所示。振动筛房作为钻井液返回首先经过的地方，具有较高的危险。建立振动筛房几何模型，分析井喷气体进入舱室后在受限空间内的蓄积特点，辨识爆燃危险区域，如图5所示。

图4 钻台区域井喷气体空间分布Fig .4 Space distribution of blowout gas in the drill block

图5 振动筛房泄漏气体空间分布Fig .5 Space distribution of released gas in the shale shaker house

2 海洋平台油气泄漏、爆燃风险分析

油气泄漏、爆燃是海洋油气开采过程中最普遍的工艺灾害。当前，国内外基于经验模型、实验和CFD模拟开展了大量相关研究。然而经验模型不适用于设备密集的油气设施，实验与CFD模拟时效性差，开发海洋平台油气泄漏、爆炸事故危险载荷快速预测模型事故的预防与减缓具有重要意义。

2.1 基于数据驱动模型的海洋平台扩散气云体积预测方法

油气泄漏扩散是海洋平台火灾、爆炸事故的触发事件。面向深水油气开采作业，量化油气泄漏扩散后果，科学预测泄漏油气发展趋势，可为事故的减缓与预防提供重要指导。

数值计算作为当前油气泄漏扩散分析的主流手段，计算效率低且计算负担大。基于此，引入贝叶斯正则化神经网络(BRANN)及莱文贝格-马夸特神经网络(LMANN)2种数据驱动模型[31-32]，构建海洋平台扩散气云体积预测器。借助基于计算流体力学所得油气泄漏数值计算结果，对比基于BRANN的数据驱动模型与基于LMANN的数据驱动模型在预测扩散气云峰值体积方面的性能，进一步对比了基于响应面(RSM)的数据驱动模型与冻云技术(FCA)[33]，论证了基于BRANN的数据驱动模型在预测非线性插值方面的优越性。考虑到海洋平台泄漏油气空间积聚的时变性，发展基于人工蜂群算法(ABC)与BRANN耦合的可燃气云扩散瞬时体积预测器，结合FLACS数值仿真结果验证预测器的准确度，从而实现了可燃气体泄漏积聚瞬态特性的合理预测。

2.2 基于BRANN的海洋平台爆燃风险分析方法

泄漏可燃气体在平台受限空间内蓄积，遭遇点火源后容易引发灾难性的后果。开展海洋平台油气爆燃事故后果分析，可为海洋平台的抗爆减灾设计提供支持。面向海洋平台早期概念阶段，发展基于BRANN模型的爆燃风险分析方法。首先借助油气扩散仿真计算建立扩散-BRANN预测器；开展油气爆燃仿真计算，基于钻台区域最大超压建立爆炸-BRANN预测器；基于拉丁抽样方法，结合概率模型分布函数，获取井喷爆燃载荷超越曲线，从而为海洋平台早期概念阶段的安全设计提供数据支持。面向详细设计阶段，考虑到BRANN算法在预测瞬时气云方面的局限性，耦合人工蜂群优化算法(Artificial Bee Colony,ABC)[34-35]，建立扩散-ABC-BRANN可燃气云体积瞬时预测器，结合OLF点火模型，获取针对详细设计阶段的爆炸超压超越曲线，并与广泛应用的冻云技术对比，如图6所示。由图6可知，基于所建立预测器获取的爆燃超越曲线几乎与仿真计算获取的爆燃超越曲线重合，而基于冻云技术获取的爆燃超越曲线与仿真计算的曲线相差较大，说明所建立预测器的可用性及准确性。

图6 基于ABC-BRANN与基于冻云技术的爆燃超越曲线对比Fig .6 Comparsion of exceedance frequency of deflagration between ABC-BRANN and FCA

3 海洋平台抗爆减灾技术研究

抗爆减灾技术是减缓深水油气开采工艺事故后果的重要屏障。国外对波纹板结构、舱室泄压、工艺模块水喷淋等防护措施开展了大量研究，并形成了相应的设计指导准则与模型。国内对相关领域的研究较少，设计建造时主要参考国外规范。鉴于此，开展海洋平台抗爆燃载荷波纹板结构设计研究，海洋平台含障碍物矩形舱室泄压面设计研究及海洋平台油气水喷淋设计研究，以期为我国海洋油气开采抗爆减灾设计提供支持。

3.1 海洋平台抗爆燃载荷波纹板结构设计方法

波纹板是海洋平台的一种爆炸减缓结构[36]，可以有效地吸收爆炸释放的能量从而减缓事故后果。发展可快速、准确预测波纹板结构抗爆能力的经验模型，可以为波纹板的结构设计提供参考。

建立波纹板结构有限元模型，借助实验数据验证了有限元模型的准确性。结合API规范破裂指标[37]，基于有限元预测波纹板结构在不同冲击载荷作用下的结构响应与破坏模式，结合最小二乘法[38]拟合P-I曲线数学方程。设计正交试验，研究不同截面参数对波纹板抗爆性能的影响。构建任意截面尺寸下的波纹板结构P-I曲线的超压、冲量渐近线经验公式，并获取波纹板结构抗爆P-I设计模型。结合试验模型、单自由度模型验证所建立P-I设计模型的准确性。同时相对于试验模型、单自由度模型，所构建的P-I设计模型计算效率高，可以为波纹板防爆墙抗爆能力的快速评估提供支持。

3.2 海洋平台含障碍物矩形舱室泄压面设计方法

如果海洋平台密闭舱室内发生油气爆燃，在受限空间障碍物及舱壁的激励下，往往会产生极大的爆炸载荷。泄压面是一种经济有效的爆炸减缓措施。现阶段，通常使用仿真模型、唯象模型或经验模型。然而相关模型在应对海洋平台含障碍物舱室泄压面设计方面缺乏适用性。因此，发展了对海洋平台含障碍物舱室泄压面设计更具适用性的NFPA-68-BRANN模型。

收集国内外含障碍物舱室爆炸泄压实验数据[39-42]，基于实验数据分析NFPA-68应对含障碍物舱室泄压面设计时的缺陷(图7)；随后揭示NFPA-68模型保守的原因，并结合Bauwens模型[43]、Rota火焰模型[44]对保守参数进行修正；进而结合BRANN算法考虑湍流火焰的强化系数与障碍物参数的非线性关系，发展NFPA-68-BRANN模型；最后将NFPA-68-BRANN模型泄压面面积预测值与实验值作对比，如图8所示。由图8可知，基于NFPA 68-BRANN模型获取的泄压面面积预测值与真实值误差小于30%，符合工程设计的需求。

图7 NFPA-68 模型泄压面预测值与实验值的对比Fig .7 Comparison of the vent area between NFPA-68 and experiment

图8 NFPA 68-BRANN模型泄压面预测值与实验值对比Fig .8 Comparison of the vent area between the NFPA-68-BRANN model and experiment

为快速预测海洋平台含障碍物舱室泄爆压力，结合实验数据调研解析Bauwens模型的缺陷，校核因泄压面引发Rayleigh-Taylor不稳定效应的参数及由障碍物引发褶皱的爆燃火焰加速机制参数，进一步引入BRANN算法发展Bauwens-BRANN数值模型，可实现海洋平台含障碍物舱室泄爆压力的快速准确预测。

3.3 面向海洋平台油气爆燃的水喷淋设计方法

水喷淋是防止海洋平台火灾爆炸事故升级的一道关键屏障[45-46]，而基于最恶劣事故场景的安全设计往往会极大地提高安全设计成本。鉴于此，为实现海洋平台水喷淋参数的准确设计，耦合人工蜂群优化算法和贝叶斯正则化神经网络算法，建立了基于爆燃风险分析的海洋平台水喷淋设计方法。在海洋平台爆燃数值模拟中引入水喷淋参数，进而借助ABC-BRANN耦合算法分别获取有无水喷淋作用下的爆炸超压超越曲线，如图9所示。由图9可知，基于ABC-BRANN耦合算法的爆炸超压超越曲线与基于数值仿真的爆炸超压超越曲线几乎重合，说明ABC-BRANN耦合算法在有无水喷淋作用下均可准确预测爆炸超压。进一步研究水滴直径、水利用率等参数对爆炸超压超越曲线的影响。基于方差分析发现，可燃气云体积较小时，水滴直径和水利用率均对爆炸超压有很大影响；随着可燃气云体积的增加，水滴直径对爆炸超压的影响明显大于水利用率对爆炸超压的影响。

图9 有无水喷淋下基于ABC-BRANN的超越曲线与基于仿真计算结果的对比Fig .9 Comparison of exceedance frequency curve between ABC-BRANN and CFD computations with/without water spray

4 结论与建议

本文阐述了深水钻井井喷防控作业安全性、海洋油气泄漏、爆燃风险、海洋平台抗爆减灾技术等方面的研究进展，得到认识及建议如下：

1) 基于拓扑结构和风险熵概念研究钻井过程井喷失控灾变演化轨迹，基于系统控制理论分析井控工艺的安全性，结合实验与数值计算揭示井喷气体扩散规律，可有效提升深水钻井井喷防控作业安全性。

2) 基于BRANN模型可实现海洋平台油气泄漏和爆燃风险的模拟分析，但由于海洋平台发生油气泄漏和爆燃风险的时变性强，快速预测模型的研究对事故的预防与减缓具有重要意义。

3) 波纹板结构、舱室泄压、水喷淋等是海洋平台抗爆减灾防护的重要措施，但国内对研究较少，设计建造时主要参考国外规范。

4) 为进一步推动我国深水油气开发重大事故防控体系的构建，建议提前布局海洋含硫油气田开采作业风险管控的研究；推进深水油气开采安全风险智能化防控研究，服务海上油田数字化转型。