張紅生 朱 淵 楊冬冬 陳國明

(1. 中海石油(中國)有限公司鉆完井辦公室 北京 100010; 2. 中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580)

近年來，世界油氣開發(fā)的重心逐漸向海洋轉(zhuǎn)移，全球約一半的重大油氣勘探發(fā)現(xiàn)來自深水海域[1-2]。我國南海深水海域油氣資源豐富，是未來我國油氣資源的主戰(zhàn)場，提高深水油氣資源的開發(fā)能力對我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的推進(jìn)具有重要意義。

我國深水油氣開發(fā)起步較晚，但發(fā)展迅速。國際先進(jìn)的深水鉆井平臺相繼建成,首個(gè)深水自營千億立方級大氣田開發(fā)建設(shè),水合物成功、穩(wěn)定試采。一系列重大的突破振奮人心，彰顯了我國海洋油氣開發(fā)的快速發(fā)展和斐然成績[3-5]。然而，不能忽視的是深水油氣開采系統(tǒng)工藝交叉復(fù)雜、設(shè)備復(fù)雜密集，防控不當(dāng)容易引發(fā)井噴、泄漏、爆燃等工藝事故，較大的人員密度以及緊張的應(yīng)急資源可能進(jìn)一步加劇事故后果的嚴(yán)重程度。譬如，1988年英國北海Piper Alpha平臺天然氣泄漏爆炸事故(圖1a)[6]，2001年巴西P36平臺爆炸沉沒事故，2010年墨西哥灣“深水地平線”平臺井噴[7]、爆炸事故(圖1b)，均造成巨大的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和惡劣的社會影響。

圖1 海洋平臺工藝災(zāi)害事故[6-7]Fig .1 Process accidents of offshore platforms[6-7]

基于此，考慮到我國深水油氣資源安全高效開采的需要，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助下，結(jié)合中國海油多項(xiàng)生產(chǎn)課題，對深水油氣開采重大工藝災(zāi)害預(yù)測及抗爆減災(zāi)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探索。主要研究進(jìn)展包括：系統(tǒng)開展深水鉆井及井噴防控作業(yè)安全性分析[8-13]，結(jié)合智能化算法發(fā)展海洋平臺油氣泄漏、爆燃后果預(yù)測模型[14-18]，進(jìn)而針對波紋板、艙室泄壓、水噴淋等抗爆減災(zāi)技術(shù)設(shè)計(jì)[19-22]。筆者對相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)與回顧，以期為我國深水油氣開發(fā)重大事故防控體系的構(gòu)建提供參考。

1 深水鉆井及井噴防控作業(yè)安全性分析

近年來，我國海洋油氣行業(yè)發(fā)展迅速，然而潛在的井噴失控事故不容輕視。因此，面向深水鉆井工藝，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和風(fēng)險(xiǎn)熵概念研究鉆井過程井噴失控災(zāi)變演化軌跡，基于系統(tǒng)理論分析井控工藝的安全性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算揭示井噴氣體的擴(kuò)散行為與蓄積特點(diǎn)，以期更系統(tǒng)地了解深水鉆井井噴災(zāi)變演化。

1.1 井噴失控災(zāi)變演化過程分析方法

井噴失控是深水油氣開發(fā)作業(yè)中最嚴(yán)重的工藝災(zāi)害之一，探索事故多因耦合失控演化致災(zāi)機(jī)理，認(rèn)識井噴事故發(fā)生到災(zāi)變不可控的關(guān)鍵危機(jī)轉(zhuǎn)化因素及其相互作用關(guān)系，對深水鉆井井噴事故的預(yù)防與減緩具有重要意義。

深水鉆井系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素眾多且具有很強(qiáng)的不確定性，人員、設(shè)備、環(huán)境之間的復(fù)雜非線性耦合交互[23]，激發(fā)了深水鉆井系統(tǒng)的脆弱性并導(dǎo)致系統(tǒng)的異變與崩潰，最終導(dǎo)致災(zāi)難性的井噴事故發(fā)生。事故樹、事件樹等基于鏈?zhǔn)嚼碚摰膫鹘y(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析模型無法表征復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性與交互性。為解構(gòu)深水油氣開采井噴失控事故災(zāi)變演化軌跡，直觀揭示井噴事故發(fā)展演化過程，依據(jù)深水鉆井流程和事故發(fā)展進(jìn)程，可辨識誘發(fā)深水井噴事故的風(fēng)險(xiǎn)因素與風(fēng)險(xiǎn)傳遞關(guān)系。基于風(fēng)險(xiǎn)要素與風(fēng)險(xiǎn)傳遞關(guān)系構(gòu)建了深水油氣開發(fā)井噴風(fēng)險(xiǎn)演化拓?fù)淠Ｐ?，結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論表征深水鉆井系統(tǒng)的脆弱性。事故過程中往往伴隨著風(fēng)險(xiǎn)要素狀態(tài)的變遷，狀態(tài)躍遷引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)傳遞的隨機(jī)性與不確定性[24]。鑒于此，引入熵理論[25]描述系統(tǒng)的狀態(tài)變化特征，衡量深水鉆井系統(tǒng)的脆弱性?？紤]關(guān)鍵設(shè)備更換與檢維修引發(fā)的狀態(tài)擾動，兼顧其動態(tài)可靠性特征建立設(shè)備元件失效概率分布函數(shù)，探究深水鉆井系統(tǒng)井噴事故的最短路徑及其變化趨勢。

1.2 深水鉆井井控工藝安全性分析方法

現(xiàn)代深水鉆井系統(tǒng)中，信息化、智能化和數(shù)字化的融合使深水鉆井系統(tǒng)具有復(fù)雜系統(tǒng)的典型特征。井控系統(tǒng)是深水鉆井系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，考慮到深水井控的復(fù)雜性、動態(tài)性以及工藝設(shè)備之間的非線性耦合，以及傳統(tǒng)方法對復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部交互作用的不適用性，從系統(tǒng)控制角度開展井控流程安全分析。

引入STAMP/STPA分析準(zhǔn)則[26-27]，開展系統(tǒng)約束與系統(tǒng)危險(xiǎn)辨識，基于鉆井平臺尺度分析安全管控行為，以控制和反饋表征井控工藝中的安全問題，構(gòu)建了深水鉆井控制與反饋模型。將控制系統(tǒng)和井控作業(yè)人員作為控制器，防噴器、節(jié)流管匯等井控裝備作為執(zhí)行器，井筒壓力作為受控過程，隨鉆測壓系統(tǒng)、液位計(jì)等作為傳感器。提取面向井涌和井噴的安全控制結(jié)構(gòu)，辨識不安全控制行為，分析不安全控制行為誘發(fā)事故的原因，并基于約束[28]的理念識別不安全控制行為對應(yīng)的約束措施。進(jìn)而建立包含“鉆進(jìn)—井涌—關(guān)井—壓井”的深水鉆井井控過程動力學(xué)模型，以井涌后未采取控制行為或控制行為延遲為例進(jìn)行井控作業(yè)安全性分析，驗(yàn)證了STAMP/STPA分析準(zhǔn)則在深水鉆井井控安全分析方面的可用性。

1.3 深水鉆井井噴氣體擴(kuò)散規(guī)律研究方法

井噴失控后地層流體噴涌而出，首當(dāng)其沖的會造成資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，若遭遇點(diǎn)火源發(fā)展成火災(zāi)、爆炸事故，將引發(fā)更災(zāi)難性的后果。基于此，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法開展井噴泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究。依據(jù)幾何相似和動力相似原則[29]搭建超深水半潛式平臺井噴氣體擴(kuò)散模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖2～3)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)建議通過考慮主導(dǎo)作用力實(shí)現(xiàn)近似或局部的動力相似。例如：研究天然氣在封閉井筒中的流動過程重點(diǎn)關(guān)注雷諾數(shù)，對于井噴射流階段的氣體流動主要關(guān)注弗勞德數(shù)，井噴氣體擴(kuò)散階段主要考慮雷諾數(shù)，設(shè)計(jì)風(fēng)場參數(shù)時(shí)主要考慮歐拉數(shù)[30]?；诖耍Y(jié)合物理模型相似比例可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)的設(shè)計(jì)。

圖2 井噴氣體擴(kuò)散模擬實(shí)驗(yàn)示意圖Fig .2 Diagram of simulation experiment of blowout gas diffusion

圖3 井噴氣體擴(kuò)散模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig .3 Simulation experiment system of blowout gas diffusion

構(gòu)建超深水半潛式平臺井噴擴(kuò)散數(shù)值仿真模型，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)開展數(shù)值驗(yàn)證。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究風(fēng)場參數(shù)、泄漏參數(shù)等對井噴氣體泄漏行為與積聚特點(diǎn)的影響，如圖4所示。振動篩房作為鉆井液返回首先經(jīng)過的地方，具有較高的危險(xiǎn)。建立振動篩房幾何模型，分析井噴氣體進(jìn)入艙室后在受限空間內(nèi)的蓄積特點(diǎn)，辨識爆燃危險(xiǎn)區(qū)域，如圖5所示。

圖4 鉆臺區(qū)域井噴氣體空間分布Fig .4 Space distribution of blowout gas in the drill block

圖5 振動篩房泄漏氣體空間分布Fig .5 Space distribution of released gas in the shale shaker house

2 海洋平臺油氣泄漏、爆燃風(fēng)險(xiǎn)分析

油氣泄漏、爆燃是海洋油氣開采過程中最普遍的工藝災(zāi)害。當(dāng)前，國內(nèi)外基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)和CFD模擬開展了大量相關(guān)研究。然而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贿m用于設(shè)備密集的油氣設(shè)施，實(shí)驗(yàn)與CFD模擬時(shí)效性差，開發(fā)海洋平臺油氣泄漏、爆炸事故危險(xiǎn)載荷快速預(yù)測模型事故的預(yù)防與減緩具有重要意義。

2.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的海洋平臺擴(kuò)散氣云體積預(yù)測方法

油氣泄漏擴(kuò)散是海洋平臺火災(zāi)、爆炸事故的觸發(fā)事件。面向深水油氣開采作業(yè)，量化油氣泄漏擴(kuò)散后果，科學(xué)預(yù)測泄漏油氣發(fā)展趨勢，可為事故的減緩與預(yù)防提供重要指導(dǎo)。

數(shù)值計(jì)算作為當(dāng)前油氣泄漏擴(kuò)散分析的主流手段，計(jì)算效率低且計(jì)算負(fù)擔(dān)大。基于此，引入貝葉斯正則化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BRANN)及萊文貝格-馬夸特神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LMANN)2種數(shù)據(jù)驅(qū)動模型[31-32]，構(gòu)建海洋平臺擴(kuò)散氣云體積預(yù)測器。借助基于計(jì)算流體力學(xué)所得油氣泄漏數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對比基于BRANN的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型與基于LMANN的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型在預(yù)測擴(kuò)散氣云峰值體積方面的性能，進(jìn)一步對比了基于響應(yīng)面(RSM)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型與凍云技術(shù)(FCA)[33]，論證了基于BRANN的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型在預(yù)測非線性插值方面的優(yōu)越性?？紤]到海洋平臺泄漏油氣空間積聚的時(shí)變性，發(fā)展基于人工蜂群算法(ABC)與BRANN耦合的可燃?xì)庠茢U(kuò)散瞬時(shí)體積預(yù)測器，結(jié)合FLACS數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證預(yù)測器的準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)了可燃?xì)怏w泄漏積聚瞬態(tài)特性的合理預(yù)測。

2.2 基于BRANN的海洋平臺爆燃風(fēng)險(xiǎn)分析方法

泄漏可燃?xì)怏w在平臺受限空間內(nèi)蓄積，遭遇點(diǎn)火源后容易引發(fā)災(zāi)難性的后果。開展海洋平臺油氣爆燃事故后果分析，可為海洋平臺的抗爆減災(zāi)設(shè)計(jì)提供支持。面向海洋平臺早期概念階段，發(fā)展基于BRANN模型的爆燃風(fēng)險(xiǎn)分析方法。首先借助油氣擴(kuò)散仿真計(jì)算建立擴(kuò)散-BRANN預(yù)測器；開展油氣爆燃仿真計(jì)算，基于鉆臺區(qū)域最大超壓建立爆炸-BRANN預(yù)測器；基于拉丁抽樣方法，結(jié)合概率模型分布函數(shù)，獲取井噴爆燃載荷超越曲線，從而為海洋平臺早期概念階段的安全設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。面向詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，考慮到BRANN算法在預(yù)測瞬時(shí)氣云方面的局限性，耦合人工蜂群優(yōu)化算法(Artificial Bee Colony,ABC)[34-35]，建立擴(kuò)散-ABC-BRANN可燃?xì)庠企w積瞬時(shí)預(yù)測器，結(jié)合OLF點(diǎn)火模型，獲取針對詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的爆炸超壓超越曲線，并與廣泛應(yīng)用的凍云技術(shù)對比，如圖6所示。由圖6可知，基于所建立預(yù)測器獲取的爆燃超越曲線幾乎與仿真計(jì)算獲取的爆燃超越曲線重合，而基于凍云技術(shù)獲取的爆燃超越曲線與仿真計(jì)算的曲線相差較大，說明所建立預(yù)測器的可用性及準(zhǔn)確性。

圖6 基于ABC-BRANN與基于凍云技術(shù)的爆燃超越曲線對比Fig .6 Comparsion of exceedance frequency of deflagration between ABC-BRANN and FCA

3 海洋平臺抗爆減災(zāi)技術(shù)研究

抗爆減災(zāi)技術(shù)是減緩深水油氣開采工藝事故后果的重要屏障。國外對波紋板結(jié)構(gòu)、艙室泄壓、工藝模塊水噴淋等防護(hù)措施開展了大量研究，并形成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則與模型。國內(nèi)對相關(guān)領(lǐng)域的研究較少，設(shè)計(jì)建造時(shí)主要參考國外規(guī)范。鑒于此，開展海洋平臺抗爆燃載荷波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，海洋平臺含障礙物矩形艙室泄壓面設(shè)計(jì)研究及海洋平臺油氣水噴淋設(shè)計(jì)研究，以期為我國海洋油氣開采抗爆減災(zāi)設(shè)計(jì)提供支持。

3.1 海洋平臺抗爆燃載荷波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

波紋板是海洋平臺的一種爆炸減緩結(jié)構(gòu)[36]，可以有效地吸收爆炸釋放的能量從而減緩事故后果。發(fā)展可快速、準(zhǔn)確預(yù)測波紋板結(jié)構(gòu)抗爆能力的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以為波紋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

建立波紋板結(jié)構(gòu)有限元模型，借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。結(jié)合API規(guī)范破裂指標(biāo)[37]，基于有限元預(yù)測波紋板結(jié)構(gòu)在不同沖擊載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與破壞模式，結(jié)合最小二乘法[38]擬合P-I曲線數(shù)學(xué)方程。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究不同截面參數(shù)對波紋板抗爆性能的影響。構(gòu)建任意截面尺寸下的波紋板結(jié)構(gòu)P-I曲線的超壓、沖量漸近線經(jīng)驗(yàn)公式，并獲取波紋板結(jié)構(gòu)抗爆P-I設(shè)計(jì)模型。結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀巫杂啥饶Ｐ万?yàn)證所建立P-I設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)相對于試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀巫杂啥饶Ｐ?，所?gòu)建的P-I設(shè)計(jì)模型計(jì)算效率高，可以為波紋板防爆墻抗爆能力的快速評估提供支持。

3.2 海洋平臺含障礙物矩形艙室泄壓面設(shè)計(jì)方法

如果海洋平臺密閉艙室內(nèi)發(fā)生油氣爆燃，在受限空間障礙物及艙壁的激勵下，往往會產(chǎn)生極大的爆炸載荷。泄壓面是一種經(jīng)濟(jì)有效的爆炸減緩措施。現(xiàn)階段，通常使用仿真模型、唯象模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。然而相關(guān)模型在應(yīng)對海洋平臺含障礙物艙室泄壓面設(shè)計(jì)方面缺乏適用性。因此，發(fā)展了對海洋平臺含障礙物艙室泄壓面設(shè)計(jì)更具適用性的NFPA-68-BRANN模型。

收集國內(nèi)外含障礙物艙室爆炸泄壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[39-42]，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析NFPA-68應(yīng)對含障礙物艙室泄壓面設(shè)計(jì)時(shí)的缺陷(圖7)；隨后揭示NFPA-68模型保守的原因，并結(jié)合Bauwens模型[43]、Rota火焰模型[44]對保守參數(shù)進(jìn)行修正；進(jìn)而結(jié)合BRANN算法考慮湍流火焰的強(qiáng)化系數(shù)與障礙物參數(shù)的非線性關(guān)系，發(fā)展NFPA-68-BRANN模型；最后將NFPA-68-BRANN模型泄壓面面積預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值作對比，如圖8所示。由圖8可知，基于NFPA 68-BRANN模型獲取的泄壓面面積預(yù)測值與真實(shí)值誤差小于30%，符合工程設(shè)計(jì)的需求。

圖7 NFPA-68 模型泄壓面預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的對比Fig .7 Comparison of the vent area between NFPA-68 and experiment

圖8 NFPA 68-BRANN模型泄壓面預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值對比Fig .8 Comparison of the vent area between the NFPA-68-BRANN model and experiment

為快速預(yù)測海洋平臺含障礙物艙室泄爆壓力，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)研解析Bauwens模型的缺陷，校核因泄壓面引發(fā)Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定效應(yīng)的參數(shù)及由障礙物引發(fā)褶皺的爆燃火焰加速機(jī)制參數(shù)，進(jìn)一步引入BRANN算法發(fā)展Bauwens-BRANN數(shù)值模型，可實(shí)現(xiàn)海洋平臺含障礙物艙室泄爆壓力的快速準(zhǔn)確預(yù)測。

3.3 面向海洋平臺油氣爆燃的水噴淋設(shè)計(jì)方法

水噴淋是防止海洋平臺火災(zāi)爆炸事故升級的一道關(guān)鍵屏障[45-46]，而基于最惡劣事故場景的安全設(shè)計(jì)往往會極大地提高安全設(shè)計(jì)成本。鑒于此，為實(shí)現(xiàn)海洋平臺水噴淋參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，耦合人工蜂群優(yōu)化算法和貝葉斯正則化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了基于爆燃風(fēng)險(xiǎn)分析的海洋平臺水噴淋設(shè)計(jì)方法。在海洋平臺爆燃數(shù)值模擬中引入水噴淋參數(shù)，進(jìn)而借助ABC-BRANN耦合算法分別獲取有無水噴淋作用下的爆炸超壓超越曲線，如圖9所示。由圖9可知，基于ABC-BRANN耦合算法的爆炸超壓超越曲線與基于數(shù)值仿真的爆炸超壓超越曲線幾乎重合，說明ABC-BRANN耦合算法在有無水噴淋作用下均可準(zhǔn)確預(yù)測爆炸超壓。進(jìn)一步研究水滴直徑、水利用率等參數(shù)對爆炸超壓超越曲線的影響。基于方差分析發(fā)現(xiàn)，可燃?xì)庠企w積較小時(shí)，水滴直徑和水利用率均對爆炸超壓有很大影響；隨著可燃?xì)庠企w積的增加，水滴直徑對爆炸超壓的影響明顯大于水利用率對爆炸超壓的影響。

圖9 有無水噴淋下基于ABC-BRANN的超越曲線與基于仿真計(jì)算結(jié)果的對比Fig .9 Comparison of exceedance frequency curve between ABC-BRANN and CFD computations with/without water spray

4 結(jié)論與建議

本文闡述了深水鉆井井噴防控作業(yè)安全性、海洋油氣泄漏、爆燃風(fēng)險(xiǎn)、海洋平臺抗爆減災(zāi)技術(shù)等方面的研究進(jìn)展，得到認(rèn)識及建議如下：

1) 基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和風(fēng)險(xiǎn)熵概念研究鉆井過程井噴失控災(zāi)變演化軌跡，基于系統(tǒng)控制理論分析井控工藝的安全性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算揭示井噴氣體擴(kuò)散規(guī)律，可有效提升深水鉆井井噴防控作業(yè)安全性。

2) 基于BRANN模型可實(shí)現(xiàn)海洋平臺油氣泄漏和爆燃風(fēng)險(xiǎn)的模擬分析，但由于海洋平臺發(fā)生油氣泄漏和爆燃風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)變性強(qiáng)，快速預(yù)測模型的研究對事故的預(yù)防與減緩具有重要意義。

3) 波紋板結(jié)構(gòu)、艙室泄壓、水噴淋等是海洋平臺抗爆減災(zāi)防護(hù)的重要措施，但國內(nèi)對研究較少，設(shè)計(jì)建造時(shí)主要參考國外規(guī)范。

4) 為進(jìn)一步推動我國深水油氣開發(fā)重大事故防控體系的構(gòu)建，建議提前布局海洋含硫油氣田開采作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控的研究；推進(jìn)深水油氣開采安全風(fēng)險(xiǎn)智能化防控研究，服務(wù)海上油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型。