天然气水合物钻井风险辨识与评估

王贤斯 单正锋 王存芳

(中石油海洋工程公司钻井事业部 北京 100028)

我国于2017 年及2020 年分别开展了两轮水合物试采工作，但试采效果距商业化开采仍有几个数量级差距，这与深水水合物开采作业危险系数较高、钻井安全风险辨识及评估工作不足息息相关[1-2]。具体来说，世界范围内水合物试采尚处于初步探索阶段[3]，所获水合物钻井经验少，且钻井风险缺乏有效理论支撑，这导致钻井事故具有不可预知性[4-5]。因此，针对海洋水合物钻井特点，亟需开展钻井风险辨识及评估等工作，为形成钻井风险控制措施，保障水合物安全钻井奠定一定基础。

水合物钻井风险方面，国际上开展了一些研究工作。相关研究者通过引入风险矩阵、系统安全分析、故障树分析、事件树分析和蝴蝶结等方法进行钻完井过程屏障失效风险的评价研究[6-8]。ŞÜKRÜ M[9]收集了钻速、钻头重量、扭矩、泥浆记录等钻井参数随深度的变化，通过对钻井参数的分析评估指出优化钻孔设计是降低水合物钻井风险的有效途径。GAO Y H 等人[10]认为钻井过程中必须保持一定温压条件以抑制水合物生成导致的钻井风险。国内水合物钻井风险研究尚处于起步阶段，目前中国石油集团海洋工程有限公司海洋油气装备与安全技术研究中心开展了钻井工艺对储层水合物分解影响的一系列研究[11-12]。具体来说，主要从裸眼段及套管段井筒两方面研究了水合物钻井过程中的井壁稳定性，明确了储层水合物饱和度与稳定性的时空演化规律，建立了水合物钻井作业过程中的井筒失效模型，初步探索了井筒可能存在的失效模式[13]。

目前，国际深水水合物开发尚处于探索阶段，未形成水合物钻井系统的风险辨识、风险评估方法和安全保障技术，其中关于水合物钻井工艺风险及关键设备风险与的分析尤为薄弱，预防和控制钻井事故的经验更是接近于零，因此亟需对关键设备以及钻井作业工序开展风险辨识和安全评估[14-15]。鉴于此，该文以“Bluewhale II”半潜式钻井平台[16]为例，概述了平台关键系统与设备，简要分析了平台危险源与钻井风险的关系，从危险源的所属风险类型、风险等级两个角度进行危险源分类，采用头脑风暴法、作业风险评估、危险源识别分析等方法对钻井工艺、关键设备进行风险辨识，选取风险矩阵法定量评估钻井风险，从风险预防措施和应急控制措施两方面细化、完善了安全风险控制措施，落实了各个岗位风险控制责任，这对深水水合物钻采提供了技术支持。

1 钻井风险分析基础

1.1 钻井平台概况

2020 年，我国借助“Bluewhale II”半潜式钻井平台进行了为期30天的天然气水合物第二轮试采（试验性试采）[16]，试采累计产气总量为86.14×104m3，日均产气2.87×104m3，创造了产气总量、日均产气量两项世界纪录[16]。“Bluewhale II”平台主要由上部平台、下浮体和中间立柱三部分组成，具有自航、定位、钻井功能，该平台关键系统与设备可如表1 所示。“Bluewhale II”平台钻井工程设计采用降压试采方式，主要工序是采用低密度泥浆钻井以减小井底压力。

1.2 危险源与钻井风险

钻井风险是钻井过程中危险源可能导致损失及其他不利影响可能性和后果的综合表征，其与某个危险源和特定事件相联系，钻井风险大小常由危险源的失效可能性（概率表示）和危险源失效后的影响后果（严重度表示）所构成。钻井过程中危险源分类是制定和实现钻井风险分析目标的前提。该文基于《生产过程危险和有害因素分类与代码》《生产安全事故报告和调查处理条例》，将钻井过程中危险源所属钻井风险类型划分为人的不安全行为、物的不安全状态、环境因素以及管理缺陷四类，把危险源的风险值划分为Ⅰ级可接受风险、Ⅱ级中度风险、Ⅲ级高度风险、Ⅳ级严重风险四大类，其中特别重大风险、重大风险及中等风险是需要重点考虑的对象。

2 钻井风险辨识及评估

2.1 风险辨识及评估方法

钻井风险分析的第一步是对钻井过程中的所有危险源进行辨识。基于水合物钻井作业工序特点，利用头脑风暴法、作业风险评估（TRA）、危险源识别分析（HAZID）等方法对钻井工艺、关键设备进行风险辨识。钻井风险评价分为定性评价、定量评价两类方法，根据“Bluewhale II”平台的实际钻进工况并保证评价的简便快捷、强可操作性，选取风险矩阵法实现钻井风险的定量评估，它根据危险源导致事故发生的可能性与造成后果严重度的乘积得出风险值，依据风险矩阵图对风险划分等级以衡量风险大小，具体见表2。

表2 风险辨识与风险评估方法

2.2 钻井及关键设备风险分析与评估

通过普查水合物钻井工艺及平台运行的关键设备，共识别关键作业点86个，辨识出危险源1 724个，其中人的方面1 081个、设备方面373个，环境方面259个，管理方面11个。由于钻井作业工艺纷繁复杂，该文以“Bluewhale II”平台航行过程为例对风险辨识、风险评估及风险控制措施进行说明，借助专家打分及风险矩阵，各钻井危害源的风险等级及风险控制措施实施后钻井危害源的风险等级被给出（见表3），最终形成深水水合物钻井作业风险数据库和设备风险数据库。

表3 航行工序下危险源的风险辨识及评估情况

3 结论

（1）“Bluewhale II”平台钻井关键系统主要有提升与旋转系统、升沉补偿系统、液压系统、循环系统、吹灰系统、固井系统、井控系统、动力系统、电气系统、航行与锚泊系统、动力定位系统、压载系统。钻井作业划分为拖航/自航、就位、钻前准备、起下钻、起下防喷器/隔水管、钻进、下套管、固井、弃井、打捞等工序。

（2）钻井风险大小常由危险源的失效可能性（概率表示）和危险源失效后的影响后果（严重度表示）所构成。钻井过程中危险源所属钻井风险类型可划分为人的不安全行为、物的不安全状态、环境因素以及管理缺陷四类，根据风险值大小，危险源可划分为Ⅰ级可接受风险、Ⅱ级中度风险、Ⅲ级高度风险、Ⅳ级严重风险四大类。

（3）采用头脑风暴法、作业风险评估、危险源识别分析等方法对钻井工艺、关键设备进行风险辨识，选取风险矩阵法进行钻井风险的定量评估，从风险预防措施和应急控制措施两方面提出了相应风险控制措施。

（4）水合物钻井工艺及平台关键设备共辨识出危险源1 724 个，其中人的方面1 081 个、设备方面373个，环境方面259 个，管理方面11 个，风险预防措施实施后共消除风险491 条，应急控制措施实施后共降低风险537 条，形成了深水水合物钻井作业风险数据库和设备风险数据库。