基于HAZOP分析法的鉆井作業風險評估

李環 韓松

(重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331)

石油埋藏在幾百米、幾千米甚至上萬米的背斜或斷層構造的地層中，因此，在勘探油氣儲藏和開采油氣都必須通過鉆井工程建立地面和油氣儲層之間的通道。所以，石油鉆井工程是整個石油工程中必不可少的重要環節。但是由于鉆井過程涉及到地下復雜情況、機械操作、有毒有害氣體、易燃易爆物品的管理等，再加上鉆井工程的周期漫長，因此鉆井工程是一項十分危險的工作。

危險可操作性分析(HAZOP)是目前國外盛行，國內大力推廣的風險定性方法。它主要是通過分析裝置元件在運行時出現的偏差的原因及可能造成的后果，并提出防治措施的風險分析方法。因此，將HAZOP分析法應用于石油鉆井工程中就可找出所有可能的偏差及其原因，并尋求預防措施以減少偏差，消除可能導致的嚴重后果，從而保障人員和設備的安全。

1 危險可操作性分析(HAZOP)

HAZOP是一項團隊工作，采用頭腦風暴法進行分析工藝中可能存在的各種情況，因此就需要HAZOP分析小組的成員具有豐富的經驗，一般為5～7人，其中包括工藝工程師、設備工程師、儀表工程師、班組長和安全工程師。進行HAZOP分析就需要對引導詞、工藝參數、節點劃分和分析的程序有所了解。

1.1 HAZOP引導詞和工藝參數

由于HAZOP分析是建立在參數偏差的基礎上，為了更好的分析工藝過程的偏差，HAZOP分析法規定了一套關鍵詞，偏差=引導詞+工藝參數。常用的HAZOP引導詞及其意義見表1。

表1 HAZOP引導詞及其意義

常見的工藝參數包括密度、壓力、溫度、PH值、液位、速度、流量等，例如More+Pressure=壓力過高。通過這個引導詞的偏差就可找到工藝過程中的偏差。

1.2 HAZOP分析節點的劃分

由于各種生產工藝往往是一個復雜的系統，為了簡化HAZOP研究過程的復雜性，可以將工業系統劃分成若干個能實現某些特定功能的節點。常見的節點如鍋爐，泵，管線等。

1.3 HAZOP分析流程

HAZOP分析流程見圖1。

圖1 HAZOP分析流程

在工業節點劃分之后，小組成員對每個節點進行分析，對每個節點可能出現的偏差進行討論，分析其可能的原因、后果以及防治措施［1］。

2 石油鉆井作業的HAZOP分析

2.1 鉆井作業簡介

目前石油鉆井大都是采用旋轉鉆井法，而且頂部驅動鉆機將逐步取代傳統的轉盤鉆機。石油鉆井主要是將旋轉系統、循環系統和起身系統直接用于鉆井生產。頂驅鉆機及其相關設備是旋轉系統的主要構成部分，它的旋轉帶動著井下鉆柱和鉆頭的轉動從而破碎巖石。旋轉系統由泥漿泵、高壓管匯、水龍帶、震動篩、離心機除泥器、除砂器、除氣器、泥漿池等設備構成。配好的鉆井液通過水龍帶進入鉆桿到地下，再通過環形空間返回地面，經過一系列的凈化和調配再進入地下形成循環。鉆井液的主要作用是平衡地層壓力、攜帶巖屑。起升系統主要是為了起下鉆具、下套管和換鉆頭。它是由絞車、天車、游車、鋼絲繩和井架構成。井下的設備主要是鉆頭和鉆柱，其通過自身重力對巖石施加鉆壓，并通過旋轉破碎巖石，從而達到鉆井的目的［2］。

2.2 節點的劃分

根據上述鉆井機械系統的獨立性、各系統之間的聯系及其實現的功能的傳輸均以鉆井液循環為紐帶，將鉆井工藝簡化為5個節點即泥漿泵、頂驅、鉆柱、鉆頭和泥漿池，如圖2所示。

2.3 HAZOP偏差實例分析

以起鉆速度為例進行HAZOP分析。起鉆是操作工人通過控制室操作頂驅的起升帶動鉆柱的上升，再將上部的鉆桿取下，然后再次的下放頂驅重復起鉆的過程，因此起鉆速度是屬于頂驅和鉆柱共同所屬的節點。起鉆速度過慢(less+起鉆速度)只影響鉆井作業的工作進度，對安全沒有影響。起鉆速度過快(more+起鉆速度)會導致激動壓力過大，從而壓迫鉆井液流向地層引發井漏;或者產生抽吸效益，使地層流體流向環形空間產生溢流;也有可能失控導致防噴器、鉆頭等設備的損壞。導致起鉆速度過快的原因主要是操作工的操作失誤或者是設備故障導致的，防治措施主要是加強對員工的培訓，定期對設備進行檢查和維修，更換新的設備，購買和安裝鉆柱限位裝置。如果起鉆的速度為零(none+起鉆速度)，則可能是由于出現卡鉆，如果繼續起升就很有可能導致鉆柱的斷裂，防治措施是一旦出現提不動鉆柱的情況立即停止作業，分析卡鉆的原因和類型選擇不同的解卡措施，如活動解卡、震擊解卡及酸化解卡等。

圖2 鉆井作業節點的劃分

2.4 鉆井作業的HAZOP分析表

根據所劃分的節點，對每個關鍵變量可能的偏差進行剖析，分析其原因、后果以及防治措施，然后建立HAZOP分析表如表2所示(不具有風險的偏差省去)。

3 HAZOP風險評估

使用HAZOP分析法分析鉆井作業中的各種偏差及其可能導致的后果，但還缺少一個風險大小的評估過程。通常認為風險是事故發生的概率和事故的嚴重度的乘積，根據這個理念從而產生了風險矩陣分析法。

3.1 6×5風險矩陣

事故往往是由于多種原因導致的，因此事故的發生概率也是通過基本事件的概率計算出來的，事實上基本事件的發生概率往往很難統計出來，這樣就導致了風險矩陣法不易操作，因此需要對風險矩陣進行改進。

表2 HAZOP分析表

雖然事故發生的概率我們無從得知，但是可以統計出某個事故在一定時間內某個行業和某個單位發生的次數，這樣就可以判斷出該事故發生的幾率。這里將事故發生的幾率分為5個等級即:在行業內從未發生過;在行業內曾經發生過;在單位發生過;每年單位發生過多次;每年單位某個區域發生過多次。

事故造成后果的嚴重度比較容易判斷，這里將事故的嚴重度分為6個等級:

①不能造成人員傷害、財產損失、環境和公眾影響。

②對人員造成輕微傷害，財產造成輕微損失，聲譽和環境造成輕微的影響。

③對人員造成較小傷害，財產造成小損失，聲譽和環境造成小影響。

④對人員造成重大傷害，局部財產損失，局部的環境損害，對聲譽造成很大的影響。

⑤造成一人死亡，財產的重大損失，重大環境影響，全國范圍內的聲譽影響。

⑥造成多人死亡，財產特大損失，巨大的環境影響，國際上的聲譽影響。

根據事故的幾率等級和事故嚴重度等級建立6×5風險矩陣，如圖3所示，其中None表示風險不需要采取措施，可以通過加強日常管理來加以改善;Opt表示應當選擇適當的風險削減措施;Immed表示需要立即采取防護措施，風險是不可接受的。

圖3 6×5風險矩陣圖

3.2 風險矩陣應用實例

井噴失控是鉆井作業中危害程度十分巨大的事故，可以引發火災爆炸、H2S中毒等群死群傷二次事故，還對設備造成重大的損害，甚至整口井的報廢，因此井噴失控的傷害等級為⑥。如果某鉆井公司曾經發生過井噴事故，可將井噴的幾率等級定為C級。因此，對照圖3，井噴事故屬于 Immed，屬于不可接受的事故，需要時刻進行井控工作，加強對員工的培訓，注重HAZOP分析中可能導致溢流、井控失效的所有隱患的預防和消除，做好井噴失控的演練和逃生技巧。

4 結語

通過HAZOP分析法可以將鉆井過程中所有可能出現的偏差及其原因后果都分析出來，再結合風險矩陣法對其進行風險評估，從而判斷是否采取措施，采取何種強度的措施，對保障鉆井作業的正常生產具有指導性的意義。

［1］徐剛.HAZOP分析指南［M］.北京:中國石化出版社，2008.

［2］陳庭根，管志川.鉆井工程理論和技術［M］.北京:石油大學出版社，2006.