基于PERT和JSA的深水无隔水管钻井作业风险评估

0 引言

深水油气开发是石油领域油气开发的重点。然而，深水油气勘探开发是公认的高风险行业，且我国南海环境多变、台风频繁，严重影响到海上油气作业的效率与安全。对深水钻井作业进行风险分析和安全评价可有效提高深水钻井作业的安全性和高效性。

计划评审技术（Program evaluation&Review Technology,PERT）是由美国学者Malcolm等人于20世纪50年代末提出的进度计划评审技术[1]，原理简单、操作方便，是大型项目和工程进度管理的有效工具。工作安全分析(Job Safety Analysis,JSA)最初是由美国葛理玛教授于1949年提出风险辨识和分析方法，由工作分析推演而来，主要用于对某项工作任务逐步进行危险辨识和风险评价，制定相应风险控制措施并改进，目前在国内外被广泛应用于建筑等领域日常的作业安全管理工作[2]。近年来，国内也逐渐开始将JSA方法应用于项目安全管理[3]、海洋油气作业[4]等领域。

海洋工程领域的风险分析经过长期的理论实践研究，在海洋工程特定领域具有较为丰富的经验和完善的风险评估体系。1981年，挪威石油管理局(NPD)颁布的《平台设计概念安全评估方针》，成为海洋石油工业领域第一个有关定量风险评价的官方指南。风险评价的作用在1988年的Piper Alpha平台大爆炸事故后被广泛承认，并迅速普及开来。目前，英国BP、荷兰Shell、美国Phillips、中海油等著名的石油公司，都建立了比较完善的内部风险评估规范。此外，各国学者也开展了大量的海上作业风险评估研究，国外Miri等[5]采用模糊评价方法开展海洋油气开发风险评估；Jan等[6-7]介绍了定量风险评估方法在海上作业中的运用范围和应用方法，并对其在燃爆、碰撞等风险分析中的应用进行深入研究。张圣坤等[8]综述海洋工程风险评估现状；白勇等[9]通过建立海洋风险评价方法对油气开采作业风险进行了分析评估；余建星课题组[10]给出基于认知可靠性和失误分析方法和不确定性推理海洋工程人因可靠性分析方法。陈国明课题组在深水钻井事故连锁风险分析[11]、天然气井喷扩散[12]、深水溢油仿真[13]、爆燃风险评估、深水表层钻井风险分析、深水钻井事故应急等方面初步开展深水钻井风险评价和管控技术研究。

在事故调研和分类基础上，结合PERT方法，以南海某深水钻井作业为例，提出利用改进的JSA方法进行风险分析，这种方法通过PERT找出整个作业流程的关键路线和关键工作，在此基础上利用常规JSA方法进行风险辨识和分析并制定风险控制措施，在明确关键任务的同时可以有效降低JSA工作量，兼顾风险成本和时间成本，为南海深水安全高效钻井作业提供参考和决策依据。

1 深水钻井作业事故分类

调研国内深水钻井作业事故，综合事故类型和致因因素进行分类[14]，探究导致重大事故的风险因素和关键节点，在PERT分析中进行流程的适当简化，并对这些因素在后续的JSA分析给予重点关注。考虑事故后果发生频率和后果严重程度，将深水钻井作业重大事故分为4类：井喷事故、燃爆事故、倒塌倾覆事故、隔水管事故。

1.1 井喷事故

井喷是指海上钻井作业中地层压力大于井筒压力导致大量流体迅速涌入井筒并喷出的异常现象。井喷事故是海上钻井作业中可能发生的最严重事故之一，极易引起后续的油气泄漏和燃烧爆炸事故，不但会造成严重的人员伤亡和财产损失，同时还可能造成大范围的环境污染和恶劣的社会影响。

如2010年4月20日，英国石油公司(BP)租赁的Deepwater Horizon钻井平台在美国墨西哥湾进行深水作业时发生井喷，并引发了后续严重的火灾爆炸事故。事故调查组认为固井水泥失效是引起此次井喷及后续原油泄漏事故的主要原因[15]。

1.2 火灾爆炸事故

平台火灾爆炸事故通常是油气泄漏导致的后续升级事故，泄漏油气与空气混合形成可燃气云团，遇火源发生燃爆，对周围设备、人员造成损伤，引起油气泄漏的原因也多种多样，其中以井喷和管道腐蚀泄漏居多。火灾爆炸事故发生迅速，施救困难，往往会造成严重的人员伤亡和经济损失。

如1988年7月6日晚10点左右，西方石油公司的Piper Alpha钻井平台在距离苏格兰海岸120英里处先后发生两次猛烈爆炸并引发火灾。事后调查显示事故的原因是在天然气压缩区域临时装上的盲板法兰不符合标准且未上紧引发泄漏，继而引起后续的燃烧和爆炸[16]。

1.3 平台（船）倒塌倾覆事故

钻井平台或钻井船的倾覆坍塌是指在外部因素的作用下平台（船）结构受损失效进而引起的整个平台（船）沉入海中的严重事故。倒塌倾覆事故的原因可分为2种：一种是平台发生火灾爆炸后燃烧的高温和爆炸的冲击波对结构造成破坏；另一种是外界风、浪、流和海冰等载荷引起的的平台（船）结构失效甚至坍塌倾覆。

如1983年10月25日，美国环球海洋钻井公司所属的“爪哇海”号钻井船在中国海南岛西南侧莺歌海水域作业时，遭遇十六号强台风LEX的袭击，钻井船沉没，船上的81名工作人员全部遇难[17]。美国国家运输安全委员会在最后的调查报告中确认，“爪哇海”号在LEX台风期间沉没的可能原因是舱壁附近结构裂纹引起船体产生裂缝导致船舱在台风下进水，最终钻井船倾覆[18]。

1.4 隔水管事故

深水钻井隔水管受到深水恶劣环境和多方面复杂载荷的影响，在作业过程中容易发生事故。深水钻井隔水管可能发生的事故主要包括隔水管意外脱离、隔水管断裂、隔水管触底等，后续处置不当可能造成人员伤亡、油气泄漏、工期延误、平台倾覆等严重后果[19]。

如2009年9月14日，West Hercules号钻井平台在位于我国南海LH34-2-1井位进行钻井作业时遭遇台风“巨爵”的袭击，平台在台风作用下发生漂移，隔水管底部总成（LMRP）与海底发生接触，导致LMRP和下挠性接头等损坏，耽误工期50余天，损失高达5 000多万美元[20]。

2 深水钻井作业PERT评审

PERT的优点在于操作简单且结果直观，在分析操作流程的关键路径、时间成本、进度控制和完工能力等方面可以发挥重要作用，能够有效缩短工期、节约成本，提高经济效益。PERT分析流程和基本概念如下[21]：

1）工作任务分解，确定工作先后顺序和联系及制约关系，确定工作时间t(i,j)。

2）绘制网格图，从起始点到终点按照从小到大对事项节点进行编号。

3）计算事项时间参数和工作时间参数，其中tES(i,j)为工作的最早可能工作时间，tLS(i,j)为工作的最迟必须开工时间，R(i,j)为工作的总时差。

2.1 工作任务分解

深水钻井作业包括无隔水管深水钻井作业和有隔水管深水钻井作业2个阶段。其中无隔水管深水钻井作业是深水钻井工程的主要特征，包括喷射安装导管、钻表层井眼及下入表层套管等工程作业。结合PERT分析流程，针对南海东部海域某深水区块开展分析，该区块信息见表1。

表1 区块信息

钻井机具选择勘探船，钻井方式为无隔水管开路钻进，钻井液为海水加少量添加剂体系，设计井深为1 557 m（储层下50 m口袋），井型为直井，根据钻井作业计划进度安排进行适当简化得到工作任务明细表（表2）。

表2 钻井作业工作任务明细表

2.2 网格图绘制

根据PERT分析流程，结合表2内容，绘制网格图，如图1所示。

2.3 时间参数计算

计算相关工作的时间参数，详见表3。

根据表3计算结果，在图1的基础上绘制带有时间参数的网络图（图2），将tES(i,j)填于菱形方框上方，将t LS(i,j)填于菱形方框下方，将R(i,j)填于方括号内。

图1 钻井作业网格图

表3 钻井作业工作时间参数表

分析表3和图2可知，①→②→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩→⑩→⑪→⑫→⑬这条线上的工作总时差均为0，意味着每项工作必须紧接着上一项工作完成，在时间上没有回旋余地，因此这条工作链即为关键路线，对应图2中序号，代表的工作任务为：钻前准备→组合一次钻进钻具→一次钻进→组合下套管→套管固井→侯凝和起钻→二次钻进→二次起钻→试采作业→弃井打水泥塞。根据PERT分析出的关键路线可知，列出的工作任务为关键工作，必须严格按照预定安排进行，以保证不影响整个工期。因此，JSA分析主要针对关键工作进行，在保证分析结果可靠性的同时最大限度地减少工作量。

3 深水钻井作业JSA分析

与其他风险识别和评估方法相比，JSA更加关注整个运作系统的协调问题，研究对象是生产活动和作业过程，基本原则是将作业任务按顺序划分若干个步骤，对作业逐步地进行危害识别和分析，为保障作业过程的安全高效进行提供分步建议和指导，其分析流程有如下3个主要步骤。

1）将作业任务按顺序分解为若干工作步骤，步骤分解不宜太过详细，一般不超过10步。

图2 带有工作时间参数的钻井作业网络图

2）识别和评估每个工作步骤中的危害，危害因素的描述和分析应简洁明了。

3）针对识别出的危害因素制定相应风险控制措施。具体分析流程如图3所示。

图3 JSA分析流程

3.1 作业步骤划分

在PERT得到的关键路线基础上，将钻井作业过程分为7个作业步骤：

①钻前准备；②组合下入311.15 mm（12 1 4″）钻具组合；③钻进311.15 mm（12 1 4″）井段;④下/固229.23 mm（9 5 8″）套管；⑤候凝和起钻；⑥钻进203.2 mm（8″）井段和起钻；⑦试采和弃井。

3.2 风险标准

根据美国石油工程师协会等推荐[22-23]，结合深水钻采作业实际情况，根据专家意见综合得到风险度等级评价标准，即风险矩阵，见表4、表5及图4所示。

3.3 JSA分析结果

按照划分的作业步骤依次进行工作安全分析，列举钻进311.15 mm（12 1 4″）井段部分分析结果，见表6。

汇总JSA分析结果，得出钻井作业各阶段各类风险危害数量，见表7。

表4 风险后果分类

表5 风险概率分类

根据JSA分析结果和表7可知，此次JSA分析共识别出7个作业步骤的危害117项，其中低风险危害6项，中风险危害105项，高风险危害6项。中风险危害在整个作业阶段中占比最多为89.7%，主要集中在试采、二次钻井和一次钻井阶段，高低风险危险占比较少，高风险危害如导管下沉、钻遇浅层气井喷、形成水合物堵塞、台风应急解脱失败、DP定位失效和燃烧爆炸，主要集中在试采和一次钻进阶段。

图4 风险矩阵

表6 钻进311.15mm（12 1 4″）井段JSA分析结果（部分）

表7 JSA分析结果汇总

4 结论

1）通过事故调研和资料统计分析，得出深水钻井作业中较为严重事故类型有井喷事故、火灾爆炸事故、平台倾覆倒塌事故和隔水管事故。

2）针对南海某深水无隔水管钻井作业展开研究，利用PERT对钻井作业计划安排进行分析，得出钻井作业关键路线为：钻前准备→组合一次钻进钻具→一次钻进→组合下套管→套管固井→候凝和起钻→二次钻进→二次起钻→试采作业→弃井打水泥塞。

3）在PERT评审基础上进行JSA分析，风险评估结果表明，深水无隔水管钻井过程钻井阶段风险最大，高风险作业单元中钻前准备和一次钻进阶段所占比重较大，应重点关注这些作业步骤和危害因素，采取风险控制措施以降低风险，保证作业安全。