海上钻井平台安全风险预警模型应用研究_何沙.doc

第 8 卷第 4 期2012 年 4 月中 国 安 全 生 产 科 学 技 术Journal of Safety Science and TechnologyVol 8 No 4April 2012文章编号:1673 193X( 2012) 04 0148 07海上钻井平台安全风险预警模型应用研究何沙1，陈东升2，朱林2，姬荣斌2( 1.西南石油大学发展规划处，成都 610500)( 2.西南石油大学研究生部，成都 610500)摘要:2010 年美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台爆炸和 2011 年我国蓬莱钻井平台井涌事故，引发社会各界对海上钻井平台安全问题的关注。介绍了海洋钻井平台的组成结构，对海洋钻井平台的危险源进行了系统辨识，试图通过对海上钻井平台作业现场的危险因素加以观察，诊断、分析警源、警情，警兆，警级，结合专家意见，从人员、设施设备、安全管理、工程地质、海上环境等几个方面建立海上钻井平台安全风险预警体系，采用改进的层次分析法，得出指标权重，构建海洋钻井平台安全风险预警模型，得到量化的预警结果。并通过对某钻井平台的实例分析，提出安全风险的预控对策，以期本模型对海上钻井平台的事故的发生起到一定的防范作用。关键词: 海上钻井; 安全风险; 改进的 AHP; 警情; 警兆; 预警模型中图分类号: X937文献标识码: AStudy on application of safety risk early warning model for offshore drilling platformHE Sha1，CHEN Dong-sheng2，ZHU Lin2，JI Rong-bin2( 1. Development Planning Department of Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)( 2. Graduate school of Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)Abstract:The safety of offshore drilling platform was concerned by social public after deep water horizon drillingplatform explosion in the gulf of Mexico in 2010 and well kick of Penglai drilling platform in 2011 in China In thispaper the composition structure of offshore drilling platform was introduced，and the hazards were systematically i-dentified By observing the risk factors of work site on the offshore drilling platform，it was attempted to diagnosisand analysis alert source，alert condition，warning signs，and alert level Combining the expert opinions，from sev-eral aspects were staff，facilities，safety management，engineering and geology，Marine environment and so on，asafety risk early warning system of offshore drilling platform was established the improved AHP method was appliedto obtain the index weight The quantitative security risk warning results were obtained by the constructed securityrisk early warning model Through the analysis on the example of a drilling platform，an example about drillingplatform was cited to count the value of platform safety risk of total early warning The primary index，level 2 indexof the early warning，through the value it can analyze the potential risk，find out the cause，and prevent the hap-pening of the accident Some suggestions of the safety risk control measures were put forward aiming at the exampleof a drilling platform analyzed So this model has certain prevention role to offshore drilling platform of accidentsKey words:offshore drilling; safety risk;improved AHP;alert; warning signs; early warning model收稿日期:2011 08 13作者简介:何沙，教授。第 4 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术1490引言海上钻井平台是主要用于钻探井的海上结构物，是海上油气勘探开发不可缺少的手段。海上钻井平台结构复杂紧凑，可燃材料与电机设备众多，人员密集，再加上远离陆地，救援困难，复杂的海洋地质环境，海上钻井平台的老化或设计缺陷，以及管理操控的疏忽，都是防不胜防的危险源，一旦发生安全事故，容易连锁反应，造成不应发生的人员伤亡和经济损失。海上平台的安全工作需要周密和谨慎，更 有必要做好事前的防范预警，以在事故萌芽阶段发出警报，提示工作人员采 取预控对 策，以消 除事故 隐患，实现系统安全。近年来，国内外开始在建筑，煤矿等高危行业对安全风险预 警的研究逐渐增多，如罗 云的安全风险预警技术研究1，张 兴凯的安全生产危机预警初探2，周蓉的企业安全事故风险预警体 系研究3，张明丽的基于支持向量 机模型 建筑施工安全预警模型的研究4等等，这些 研究和探索运用 模糊数学和神经网络理论等先进的理论方法建立预警体系，对于进行一般性企业进行安全风险预警，对企业的安全防范具有积极的作用。但是对于环境特殊和作业程序复杂的海上钻井平台安全风险预警研究的至今还是一片空白。所以加强对海上钻井平台安全问题的研究，应用相关 理论来 建立海 上钻井平台预警体系具有重要的理论意义和现实作用。1海上钻井平台的安全风险因素1. 1海上钻井平台的组成一个典型的海上钻井平台大都由导管架和上部组块两个大部分 组成。导管架一般是 钢结构物; 上部组块部分包括钻 井设备、隔 水管系 统、张紧 系统、升降补充、防喷器系统、锚泊系统和动力定位系统组成。动力模块、公用模块和生活模块等，与之相应的系统包括油气处理 系统、污水 处理系 统、公用 系统、生产辅助系统、储运系统和安全消防系统、环境保护系统等。下面重点对井 口采油 平台系 统、油气主生产工艺系统、主要辅助系统进行说明。井口采油平台主要由油气生产系统、功用系统、储存运输系统、安全消防系统、健康卫生环保系统等五个部分组成。从井口 平台产出的地 层流体，经 电潜泵提升到井口平台，经 油嘴节流后进 入生产和计量管汇，经计量后的单井流体汇入生产液体管汇，通过经井口加热升温后，进入 生产分离器进行油、气、水的分离。分 离出的 伴 生气 体 进 入伴 生 气处理 系统，视分离的压 力不同可进行升 压或减 压。分 离出的污水进入污水处理系统，处理合格后转注或排海。含水原油再进入下一 级进行进一步 的处理，直 到处理合格，进行储存或外输。在平台上部设置的辅助系统和功用系统主要目的是为主生产处理系统配套和为生产服务的必不可少的系统，其主要的系统包括如下几个: 化学药剂系统，开、闭排和 火 炬放 空系 统，注水 系 统，热 介质 系统，公用和仪表系统，海水和消防系统等。1. 2海上钻井平台危险源辨识石油石化 行业 主要危 害与重大事故集中在火灾、爆炸、中毒、窒息 方面5。 海上钻 井平台事 故主要有井喷失控，火灾与爆炸，平台遇险( 包括平台失控漂移、拖航遇险、被碰撞或者翻沉) ，飞机 事故，船舶海损( 包括碰撞、搁浅、触礁、翻沉、断损) ，油( 气)生产设施与管线破损 ( 包括单 点系泊、电气 管线、海底油气管线 等 的破 损、泄漏、断裂) ，有毒 有 害物品和气体泄漏或者遗 散，急性 中毒，潜 水作业事 故，大型溢油事故( 溢 油量大于 100 吨) 和其 他造 成人 员伤亡或者直接经济损失的事故等6。根据风险理论中危险 源的分类研究，结合海上钻井平台的特殊性，将 海上钻 井平台安全预警 指标体系划分为三类: 第一类危险源、第二类危险源和第三类危险源。第一类危险源是指海上钻井平台上存在的、可 能发生意 外 释 放 的能 量 ( 载 体)或 危 险 物质，这是事故发生的物质性前提，是事故发生的物质根源，如表 1 所示。第二类危险源包括物的不安全因素、环境因素、个体人的失误。物的不安全因素包括物的不安全状态( 习惯称其为隐患) 和物的故障或失效，如设备( 设施) 缺陷或腐蚀、防护缺陷、作业场所无安全通道或间隔不足、警 告标志 不完善、工器 具缺 陷、防护 用品缺陷、违反人机工程学的因素( 如阀门安装位置不恰当导致强迫体位作业等) 以及机械设备( 及 零部件) 性能低下而不能实现预功能等。环境因素包括海水温度、海冰、海风、海浪、海流、噪声和振动等。个体人的失误包括指挥错误( 指挥失误、违章指挥等) 、操作失误( 误动作、违章作业等) 、监护失误及其它。150中 国 安 全 生 产 科 学 技 术表 1第一类危险源与可能导致伤害事故类型第 8 卷能量载体或危险物质落下、抛出、破裂、飞散的物体机械的运动部分、人体带电体、高跨步电压区域可燃物火焰、烟气可燃性气体、粉尘锅炉( 蒸汽)压力容器( 内容物)事故类型物体打击机械伤害触电火灾爆炸锅炉爆炸压力容器爆炸能量载体或危险物质运动的车辆被吊起的重物高温( 低温、腐蚀性) 物体、物质处于高度差大的场所、设施的人员物料、载荷贮水容器、海洋有毒有害物质事故类型车辆伤害起重伤害灼烫高处坠落坍塌淹溺中毒窒息致病第三类危险源是指不符合 安全的组织因素，包括组织程序、组织文化、规则、制度等，例如安全文化理念方面缺失、安全培训缺失、安全管理松懈以及人员挑选、考核、配备方面的问题( 如未考 虑人的职 业表 2海上钻井平台预警体系第一级指标第二级指标量化值适合性问题、健康状况异常、负荷超限、心理异常、生理异常、从事禁忌作业、辨识功能异常) 等。危险源 辨识的首要任务是辨识第一类危险源，在此基础上辨识第二类 危险源，进而辨 识更深层 次的因素第三类危险 源。第 二、三 类危险 源的 控制应该在第一类危险源控制的基础上进行。重大危险源的辨识和控制，执行危险化学品 重大危险源( GB18218 2009) 和企 业管理文 件危险化 学品 重大危险源管理制度。2钻井平台的风险预警模型2. 1预警指标体系的建立警情指标 的确定: 海上石油钻井平台安全的警情是对平台安全状态的 客观描 述，是平台安全的基本指标。要确定警情，就 必须借 助于一些指标来描述。警情指标是反映钻井平台安全与否的指标。警兆指标的确定: 对于钻井平台安全来说，警兆指标是与石油钻井平台安全相 关的先兆性指标，它预示 着海上钻井平台安全警 情 指标 的发展 状况 和未 来 趋势。海上钻井平台安全与否的警兆指标并非独立于警源和警情指标之外，它 是警源 和警情 指标中更 具有敏感性，能够预示海上 钻井平台安全走势和导致平台安全状况发生明显变化的指标。根据以上的分析和调查，本文选取人员安全指标、设备安全指标、管理安全指 标、工程地质指标 和环境安全指标 5 个一级指标和 5 个一级指标包含的25 个二级指 标指 标体系 共同构成 海上 钻井 平台安全风险预警指标体系7-9，如表 2 所示。人员素质指标设备设施指标安全管理指标工程地质指标海上环境指标技术水平作业违章违章指挥应急能力身心健康平台设备故障平台设备合格平台防护设备平台设备老化平台安全设施生产责任制制度建设计划执行监督检查安全文化转盘转动泵压H2S 气体井口流量机械钻速气温海风海浪海况其他灾害优秀操作率违章作业率违章指挥率演练正确率健康比率正常工作率设备合格率设备完备率更新维修率危险失控率任务完成率制度完备率计划执行率安全整改率活动参与率转盘转速变化泵压变化率H2S 气体浓度井口流量变化机械钻速变化气温温度海风风速海浪浪高海况级别其他灾害报警率第 4 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术1512. 2预警模型建立的步骤2. 2. 1预警体系指标权重的确定本文利用层次分析法确定预警指标体系指标的权重，但是传统层次分析法中 1 9 标度存在部分缺陷，容易导致评定结果出现逆序、判断矩阵一致性与思维一致性相脱节等问题比例标度值设置不能完全反映 真实情况，比如，按照“稍微重要”标度值 为 3，如元素 A 比 B 稍微重要，元 素 B 比 C 稍微 重要，则会出现元素 A 比 C 极端重要( 因 为 3 3 = 9) ，其结果就是比 A 稍微 重要 2 倍 的元 素最 终 成为 极端重要元素，这与实际不相符。为了更准 确反映实 际情况，本文采用了改进的 AHP 法，对比 例标度进行了完善10。如表 3 所示。1表 3重要等级指数标度369标度90( 1)9 9( 1. 276)9 9 ( 2. 082)9 9( 4. 327)9 9 ( 9)标度定义A 和 B 相同重要A 和 B 稍微重要A 和 B 明显重要A 和 B 强烈重要A 和 B 极端重要权重的确定步骤为:( 1) 构造判断矩阵。以 A 表示目标，ui、uj( i，j =1，2，n) 表示因素。uij表示 ui对 uj的相对重要性数值。并由 uij组成 A-U 判断矩阵 P。 u11u12 u1n聘请研究海洋石油安全和从事海洋平台安全工作的专家，其中大学教 授 5 名，高级工 程师 5 名，采用上述改进的 AHP 方法求的预警指标的权重，求出权重的平均值，最终求出权重结果见表 5。表 5预警体系指标权重表P =u21u22 u2n un1un2 unn( 1)预警一级指标权重二级指标权重警兆( 2) 计算重要性 排 序。 根 据判 断 矩阵，求出 其最大特征根 max 所对应的特征向量 w。方程如下:Pw = maxw( 2)所求特征向量 w经归一化，即为各 评价因素 的重要性排序，也就是权重分配。人员素质0. 2115指标设备技术水平0. 1786优秀操作率( % )作业违章0. 2178违章作业率( % )违章指挥0. 2013违章指挥率( % )应急能力0. 2399演练正确率( % )身心健康0. 1624健康比率( % )平台设备故障0. 2002正常工作率( % )平台设备合格0. 2337设备合格率( % )( 3) 一致性检验。以上得 到的权重分配是 否合设施0. 1513平台防护设备0. 172设备完备率( % )理，还需要对判断 矩阵进行一致性 检验。检验使 用公式: CR= CI / RI( 3)式中，CR 为判断矩阵的随机一致性比率; CI 为判断矩阵的一般一致性指标。它由下式给出:CI =( max n)/ ( n 1) ( 4)RI 为判断矩阵的平均随机一致性指标，1 9 阶指标安全管理0. 2708指标平台设备老化0. 1636更新维修率( % )平台安全设施0. 2305危险失控率( % )生产责任制0. 1942任务完成率( % )制度建设0. 1877制度完备率( % )计划执行0. 2335计划执行率( % )监督检查0. 2153安全整改率( % )安全文化0. 1693活动参与率( % )转盘转动0. 1815转盘转速变化的判断矩阵的 RI 值参见表 4。地质泵压0. 1853泵压变化率表 4平均随机一致性指标 RI 的值N123456789工程0. 2554指标H2S 气体0. 2124气体浓度( )井口流量0. 2268井口流量变化机械钻速0. 1940机械钻速变化RI000. 17 0. 41 0. 56 0. 63 0. 71 0. 981. 07当判断矩阵 P 的 CR 0. 1 时或 max= n，CI = 0海上环境0. 1110指标气温海风海浪海况0. 1688气温温度( )0. 2153海风风速( m / s)0. 2025海浪浪高( m)0. 2272海况级别时，认为 P 具有满意 的一致性，否则需 调整 P 中的元素值以使其具有满意的一致性。其他灾害0. 1863 其他灾害报警率( % )152中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 8 卷2. 2. 2预警指标等级的确定根据实际 安全预警的需求，在征求专家经 验和查阅参考文献的基础上，把预警体系的一级指标，二级指标分别划分为五个等级无警、轻警、中警、重警、巨警，这五种等级对应的分别对应绿、蓝、黄、橙、红五种 警 色。一 级 指 标 和 总 预 警 警 限 值 分 别 为 ( 0，1. 8、( 1. 8，2. 6 、( 2. 6，3. 4 、(3. 4，4. 2 、(4. 2，5. 0，二级指标不设警限，只有对应与 五度预 警 的预警值 1、2、3、4、5。2. 2. 3预警结果的确定二级指标的预警结果直 接由实际调查得 出，一级指标的预警结果由二级指标的预警值乘以该指标的权重得出该指标的预警值，其预警 值位于哪 个警限区间，即属于 哪个警级。总 的预警 值为一级 指标的预警值乘以该指标 的权重 得出总 预警值，根 据预警值所处的警限区间，得到预警等级。3实证研究3. 1海上平台预警过程以渤 海某海洋石油钻 井平台为例，对其以上数据进行调查，调查结果如表 7 所示。经计算得到总的预警值为 2. 1777，说 明钻井平台总的安全警度为 2级蓝色 预警，这 与现实情 况基本一致，也说明了这种预警模式的有效性。一级指标二级指标表 6海上钻井平台预警等级标准警兆无警( )轻警( )中警( )重警( )巨警( )人员素质指标设备设施指标安全管理指标技术水平作业违章违章指挥应急能力身心健康平台设备故障平台设备合格平台防护设备平台设备老化平台安全设施生产责任制制度建设计划执行监督检查安全文化优秀操作率( % )违章作业率( % )违章指挥率( % )演练正确率( % )健康比率( % )正常工作率( % )设备合格率( % )设备完备率( % )更新维修率( % )危险失控率( % )任务完成率( % )制度完备率( % )计划执行率( % )安全整改率( % )活动参与率( % )100-200-50-5100-95100-95100-98100-98100-95100-980-5100-95100-98100-98100-98100-9820-155-155-1095-9095-9098-9598-9595-9098-955-1095-9098-9598-9598-9698-9515-1015-3010-1590-8090-8595-9095-9090-8595-9010-1590-8595-9095-9096-9495-9010-530-5015-2080-7585-8090-8590-8585-8090-8515-2085-8090-8090-8094-9090-855-050-10020-10075-080-085-085-080-085-020-10080-080-080-090-085-0转盘转动转盘转速变化正常稍微异常异常较大异常极端异常地质工程指标海上环境指标泵压H2S 气体井口流量机械钻速气温海风海浪海况其他灾害泵压变化气体浓度( mg / m3)井口流量变化机械钻速变化温度( )风速( m / s)浪高( m)级别报警率( % )无变化0-10无变化无变化18-240-70-11-3100-99稍微10-15稍微稍微24-3318-07-101-23-499-98一般15-20一般一般33-360-1010-132-34-598-97较大20-25较大较大36-38-10 2013-153-45-697-95很大25很大很大38 -20154695-100第 4 期中 国 安 全 生 产 科 学 技 术表 7某石油钻井平台预警指标数据调查表153一级指标预警值值警级警色二级指标技术水平作业违章警兆优秀操作率( % )违章作业率( % )实际值142警级31警色黄色绿色人员素质指标1. 7984设备设施指标2. 035安全管理指标3. 4973地质工程指标1. 194海上环境指标2. 138712412绿色蓝色橙色绿色蓝色违章指挥应急能力身心健康平台设备故障平台设备合格平台防护设备平台设备老化平台安全设施生产责任制制度建设计划执行监督检查安全文化转盘转动泵压H2S 气体井口流量机械钻速气温海风海浪海况其他灾害违章指挥率( % )演练正确率( % )健康比率( % )正常工作率( % )设备合格率( % )设备完备率( % )更新维修率( % )危险失控率( % )任务完成率( % )制度完备率( % )计划执行率( % )安全整改率( % )活动参与率( % )转盘转速变化泵压变化气体浓度( mg / m3)井口流量变化机械钻速变化温度( )风速( m / s)浪高( m)级别报警率( % )590969799888719496807587正常无变化6无变化轻微变化3764310022121341215541111241321蓝色蓝色绿色蓝色绿色黄色橙色绿色蓝色绿色红色红色橙色绿色绿色绿色绿色蓝色橙色绿色黄色蓝色绿色3. 2海上平台预警分析通过以上的预警结果总体看来，平台处于 轻警状态，人员素质指标和工程地质 指标都 处在无警状态，设施设备和海 上环 境 指 标为 微 警，需要给予 关注，安全管理指标处于中警状态，需要给予治理。从二级指标可以发现该钻井平台安全管理的执行和监督为巨警，需要重点治理; 安全文化的开展和平台老化维修问题为重警，需要加强治理，对气温给予持续监测。对其他 轻警 和 无警指 标 要 继续 保 持 良好 的状态。从分析可以看出，钻井 平台对安全管理情况重视不够，有些平台设施设备老化、多年失修。近来天气气温炎热，海浪 时高，所以应加强 安全管理工作，营造安全文化，对平台钻井设备进行检查，老化的及时进行维修。关注海 上天气 状况，不 断改进平台的安全状况。154中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 8 卷4结论本文通过分析海上钻井平台的人员、设备、安全管理、工程地质、和环境 等诸多因素，建立了海上 钻井平台安全风险预警体系，采访多位专家，采用改进的 AHP 方法，得到各指标 的权 重，建立了各项指 标的标准和警限范围，得到钻井平台安全风险的警度。通过对某钻井平台的实 例分析，得出了平台安全风险的总预警、一级指标、二级指 标的预警值，通过 该值可以对某些潜在的风险进行 分析和诊断，找出 原因，预防事故的发生。实践 证明，该模式简 单易行，对防范海上平台安全事故的发生具有一定的实践价值和启发意义。参考文献1罗 云，宫运 华，宫宝 霖，等 安 全 风 险预 警 技 术 研 究J 安全，2005，( 2) : 26-29LUO Yun，GONG Yun-hua，GONG Bao-lin，et al Safetyrisk early-warning technology researchJ Safety，2005，( 2) : 26-292张兴凯 安全生产危机预警初探J 中国安全生产科学技术，2005，1( 1) : 36-39ZHANG Xing-kai Brief analysis preview on crisis warningfor work safetyJ Journal of Safety Science and Technol-ogy，2005，1( 1) : 36-393周蓉 企业安全事故风险预警体系研究D 武汉 武汉理工大学，20084张明丽，姚 继涛 基于支持向 量机建筑 施工安全预警模型的研究J 中国安全生产科学技术，2011，7( 3) :58-60ZHANG Ming-li，YAO Ji-tao Study on warning model ofconstruction safety based on SVMJ Journal of SafetyScience and Technology，2011，7( 3) : 58-605许立甲，李杰，朱海鹰，等 石油石化 行业危害与 事故监测预 警 技 术 探 讨J中 国 安 全 生 产 科 学 技 术，2008，4( 2) : 78-81XU Li-jia，LI Jie，ZHU Hai-ying，et al Discussion of mo-nitoring andea