基于HAZOP分析法的钻井作业风险评估

时间：2024-09-03

李环韩松

(重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331)

石油埋藏在几百米、几千米甚至上万米的背斜或断层构造的地层中，因此，在勘探油气储藏和开采油气都必须通过钻井工程建立地面和油气储层之间的通道。所以，石油钻井工程是整个石油工程中必不可少的重要环节。但是由于钻井过程涉及到地下复杂情况、机械操作、有毒有害气体、易燃易爆物品的管理等，再加上钻井工程的周期漫长，因此钻井工程是一项十分危险的工作。

危险可操作性分析(HAZOP)是目前国外盛行，国内大力推广的风险定性方法。它主要是通过分析装置元件在运行时出现的偏差的原因及可能造成的后果，并提出防治措施的风险分析方法。因此，将HAZOP分析法应用于石油钻井工程中就可找出所有可能的偏差及其原因，并寻求预防措施以减少偏差，消除可能导致的严重后果，从而保障人员和设备的安全。

1 危险可操作性分析(HAZOP)

HAZOP是一项团队工作，采用头脑风暴法进行分析工艺中可能存在的各种情况，因此就需要HAZOP分析小组的成员具有丰富的经验，一般为5～7人，其中包括工艺工程师、设备工程师、仪表工程师、班组长和安全工程师。进行HAZOP分析就需要对引导词、工艺参数、节点划分和分析的程序有所了解。

1.1 HAZOP引导词和工艺参数

由于HAZOP分析是建立在参数偏差的基础上，为了更好的分析工艺过程的偏差，HAZOP分析法规定了一套关键词，偏差=引导词+工艺参数。常用的HAZOP引导词及其意义见表1。

表1 HAZOP引导词及其意义

常见的工艺参数包括密度、压力、温度、PH值、液位、速度、流量等，例如More+Pressure=压力过高。通过这个引导词的偏差就可找到工艺过程中的偏差。

1.2 HAZOP分析节点的划分

由于各种生产工艺往往是一个复杂的系统，为了简化HAZOP研究过程的复杂性，可以将工业系统划分成若干个能实现某些特定功能的节点。常见的节点如锅炉，泵，管线等。

1.3 HAZOP分析流程

HAZOP分析流程见图1。

图1 HAZOP分析流程

在工业节点划分之后，小组成员对每个节点进行分析，对每个节点可能出现的偏差进行讨论，分析其可能的原因、后果以及防治措施［1］。

2 石油钻井作业的HAZOP分析

2.1 钻井作业简介

目前石油钻井大都是采用旋转钻井法，而且顶部驱动钻机将逐步取代传统的转盘钻机。石油钻井主要是将旋转系统、循环系统和起身系统直接用于钻井生产。顶驱钻机及其相关设备是旋转系统的主要构成部分，它的旋转带动着井下钻柱和钻头的转动从而破碎岩石。旋转系统由泥浆泵、高压管汇、水龙带、震动筛、离心机除泥器、除砂器、除气器、泥浆池等设备构成。配好的钻井液通过水龙带进入钻杆到地下，再通过环形空间返回地面，经过一系列的净化和调配再进入地下形成循环。钻井液的主要作用是平衡地层压力、携带岩屑。起升系统主要是为了起下钻具、下套管和换钻头。它是由绞车、天车、游车、钢丝绳和井架构成。井下的设备主要是钻头和钻柱，其通过自身重力对岩石施加钻压，并通过旋转破碎岩石，从而达到钻井的目的［2］。

2.2 节点的划分

根据上述钻井机械系统的独立性、各系统之间的联系及其实现的功能的传输均以钻井液循环为纽带，将钻井工艺简化为5个节点即泥浆泵、顶驱、钻柱、钻头和泥浆池，如图2所示。

2.3 HAZOP偏差实例分析

以起钻速度为例进行HAZOP分析。起钻是操作工人通过控制室操作顶驱的起升带动钻柱的上升，再将上部的钻杆取下，然后再次的下放顶驱重复起钻的过程，因此起钻速度是属于顶驱和钻柱共同所属的节点。起钻速度过慢(less+起钻速度)只影响钻井作业的工作进度，对安全没有影响。起钻速度过快(more+起钻速度)会导致激动压力过大，从而压迫钻井液流向地层引发井漏;或者产生抽吸效益，使地层流体流向环形空间产生溢流;也有可能失控导致防喷器、钻头等设备的损坏。导致起钻速度过快的原因主要是操作工的操作失误或者是设备故障导致的，防治措施主要是加强对员工的培训，定期对设备进行检查和维修，更换新的设备，购买和安装钻柱限位装置。如果起钻的速度为零(none+起钻速度)，则可能是由于出现卡钻，如果继续起升就很有可能导致钻柱的断裂，防治措施是一旦出现提不动钻柱的情况立即停止作业，分析卡钻的原因和类型选择不同的解卡措施，如活动解卡、震击解卡及酸化解卡等。

图2 钻井作业节点的划分

2.4 钻井作业的HAZOP分析表

根据所划分的节点，对每个关键变量可能的偏差进行剖析，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(不具有风险的偏差省去)。

3 HAZOP风险评估

使用HAZOP分析法分析钻井作业中的各种偏差及其可能导致的后果，但还缺少一个风险大小的评估过程。通常认为风险是事故发生的概率和事故的严重度的乘积，根据这个理念从而产生了风险矩阵分析法。

3.1 6×5风险矩阵

事故往往是由于多种原因导致的，因此事故的发生概率也是通过基本事件的概率计算出来的，事实上基本事件的发生概率往往很难统计出来，这样就导致了风险矩阵法不易操作，因此需要对风险矩阵进行改进。

表2 HAZOP分析表

虽然事故发生的概率我们无从得知，但是可以统计出某个事故在一定时间内某个行业和某个单位发生的次数，这样就可以判断出该事故发生的几率。这里将事故发生的几率分为5个等级即:在行业内从未发生过;在行业内曾经发生过;在单位发生过;每年单位发生过多次;每年单位某个区域发生过多次。

事故造成后果的严重度比较容易判断，这里将事故的严重度分为6个等级:

①不能造成人员伤害、财产损失、环境和公众影响。

②对人员造成轻微伤害，财产造成轻微损失，声誉和环境造成轻微的影响。

③对人员造成较小伤害，财产造成小损失，声誉和环境造成小影响。

④对人员造成重大伤害，局部财产损失，局部的环境损害，对声誉造成很大的影响。

⑤造成一人死亡，财产的重大损失，重大环境影响，全国范围内的声誉影响。

⑥造成多人死亡，财产特大损失，巨大的环境影响，国际上的声誉影响。

根据事故的几率等级和事故严重度等级建立6×5风险矩阵，如图3所示，其中None表示风险不需要采取措施，可以通过加强日常管理来加以改善;Opt表示应当选择适当的风险削减措施;Immed表示需要立即采取防护措施，风险是不可接受的。

图3 6×5风险矩阵图

3.2 风险矩阵应用实例

井喷失控是钻井作业中危害程度十分巨大的事故，可以引发火灾爆炸、H2S中毒等群死群伤二次事故，还对设备造成重大的损害，甚至整口井的报废，因此井喷失控的伤害等级为⑥。如果某钻井公司曾经发生过井喷事故，可将井喷的几率等级定为C级。因此，对照图3，井喷事故属于 Immed，属于不可接受的事故，需要时刻进行井控工作，加强对员工的培训，注重HAZOP分析中可能导致溢流、井控失效的所有隐患的预防和消除，做好井喷失控的演练和逃生技巧。