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  • ISSN 1007-6336
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东海海域石油生产平台溢油风险评价研究

徐利存 杨红 王春峰

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东海海域石油生产平台溢油风险评价研究

    作者简介: 徐利存(1993-), 男, 浙江金华人, 硕士, 主要研究方向为海洋溢油风险评估, E-mail:947977295@qq.com;
    通讯作者: 杨红, E-mail:hy@shou.edu.cn
  • 基金项目: 海洋公益性行业科研专项经费项目(201205010)
  • 中图分类号: X820.4

Study on oil spill risk assessment of oil production platforms in the East China Sea

  • 摘要: 东海海域发生溢油事故将带来严重的环境生态及经济影响,对其进行溢油风险评价具有重要的现实意义。本研究根据东海海域石油生产平台情况,运用层次分析法构建风险评价指标体系,结合模糊综合评价法及蒙特卡洛方法对其进行综合评价。将溢油风险划分为五个等级,(极小,小,中等,大,极大)分别用(1分,2分,3分,4分,5分)代表。研究结果显示:东海海域石油生产平台溢油风险等级在1.59~3.06之间,平均值为2.28,总体风险等级为中等偏低。东海海域石油生产平台溢油风险等级1.59~2.00之间的概率11.37%;风险等级在2.00~2.50之间为69.92%;风险等级在2.50~3.00之间为18.74%;风险等级在3.00以上为0.06%。一级指标地质性溢油风险等级最高,二级指标中平台疲劳老化情况是影响东海海域石油生产平台溢油风险等级的最主要细分因素,敏感度达64.60%。该评价方法对海上平台的整体风险进行科学、合理的评价,以期能够丰富我国的海上石油平台管理决策办法,提供更多的理论依据及技术支持。
  • 图 1  东海海域石油生产平台溢油风险评价技术路线

    Figure 1.  Technical road map of oil spill risk assessment of oil production platforms in the East China Sea

    图 2  东海海域石油生产平台的溢油风险评价指标体系

    Figure 2.  Evaluation index system of oil spill risk of oil platform in the East China Sea

    图 3  东海海域石油生产平台疲劳老化风险等级数据拟合图

    Figure 3.  Fitting data of fatigue aging risk grade ofoil production platforms in the East China Sea

    图 4  东海海域石油生产平台疲劳老化风险等级分布

    Figure 4.  Distribution of fatigue aging risk level ofoil production platforms in the East China Sea

    图 5  东海海域石油生产平台溢油风险等级预测概率分布及信息统计

    Figure 5.  Probability distribution and information statistics of oil spill risk grade prediction for oil production platforms in the East China Sea

    图 6  东海海域石油生产平台溢油风险等级预测累计分布及百分比

    Figure 6.  Cumulative distribution and percentage of oil spill risk grade forecast for oil production platforms in the East China Sea

    图 7  东海海域石油生产平台总体情况及一级指标风险等级评分趋势

    Figure 7.  Trend of the general situation of oil platform and the first-grade index risk rating in the East China Sea

    图 8  东海海域石油生产平台溢油风险等级二级指标敏感度分析

    Figure 8.  Sensitivity analysis of secondary indicators of oil spill risk level for oil production platforms in the East China Sea

    表 1  标度值简介

    Table 1.  Brief introduction of scale values

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    表 2  RI系数

    Table 2.  RI coefficient table

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    表 3  东海海域石油生产平台溢油风险评价指标权重分配

    Table 3.  Allocation of index weights for oil spill risk assessment of oil production platforms in the East China Sea

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-08
  • 录用日期:  2019-01-11
  • 刊出日期:  2020-04-20

东海海域石油生产平台溢油风险评价研究

    作者简介:徐利存(1993-), 男, 浙江金华人, 硕士, 主要研究方向为海洋溢油风险评估, E-mail:947977295@qq.com
    通讯作者: 杨红, E-mail:hy@shou.edu.cn
  • 上海海洋大学 海洋生态与环境学院, 上海 201306
基金项目: 海洋公益性行业科研专项经费项目(201205010)

摘要: 东海海域发生溢油事故将带来严重的环境生态及经济影响,对其进行溢油风险评价具有重要的现实意义。本研究根据东海海域石油生产平台情况,运用层次分析法构建风险评价指标体系,结合模糊综合评价法及蒙特卡洛方法对其进行综合评价。将溢油风险划分为五个等级,(极小,小,中等,大,极大)分别用(1分,2分,3分,4分,5分)代表。研究结果显示:东海海域石油生产平台溢油风险等级在1.59~3.06之间,平均值为2.28,总体风险等级为中等偏低。东海海域石油生产平台溢油风险等级1.59~2.00之间的概率11.37%;风险等级在2.00~2.50之间为69.92%;风险等级在2.50~3.00之间为18.74%;风险等级在3.00以上为0.06%。一级指标地质性溢油风险等级最高,二级指标中平台疲劳老化情况是影响东海海域石油生产平台溢油风险等级的最主要细分因素,敏感度达64.60%。该评价方法对海上平台的整体风险进行科学、合理的评价,以期能够丰富我国的海上石油平台管理决策办法,提供更多的理论依据及技术支持。

English Abstract

  • 东海海域资源丰富,据2015年中国海洋年鉴统计,其累积探明技术可采石油储量1221.7万t,剩余技术可采储量826.6万t,海上油田生产井共61口,是中国最大的油气田——春晓的所在海域。海上石油生产平台的溢油事故发生概率较小,但后果一般非常严重。东海石油平台所在海域地质结构较为复杂且远离大陆,一旦发生事故,难以第一时间得到外部支援,从而升级事故的严重程度。溢油事故对海洋的生态、环境及经济的发展会产生重大影响:2010年美国墨西哥湾的“深海地平线”平台发生爆炸,累计泄漏490万桶原油,使得墨西哥湾生态环境、渔业、旅游业等受到严重影响[1]。2011年中国蓬莱19-3油田发生溢油事故,累计造成5500多平方公里海水污染,造成极大的经济损失[2]。全面研究东海海域石油生产平台溢油风险以提高我国海洋石油平台的安全性具有重要价值。

    国外在海洋溢油领域对研究方法和体系有了较系统的构建和补充,国内相对而言尚处于起步阶段。国内外学者一般将风险评价方法分为定量、定性及半定量风险评价三种类型,在溢油风险评价中运用较多的方法有:历史事故数据库法、故障树分析法(FTA)、事件树分析法(ETA)、层次分析法(AHP)、模糊综合评价法等。Steven等[3]对10例不同类型的漏油进行研究,提出了9个安全函数。Stewart等人[4]统计、收集1974—1992年间全球范围内发生的油轮漏油事件作为历史数据对溢油发生的概率进行修正。郎印海、刘洁等[5]通过分析与溢油污染程度有关的影响因素, 首次构建了海上石油平台溢油污染程度评价指标体系。邱宇[6]通过不同环节的分析筛选海上钻井平台溢油风险源,评价海上钻井平台溢油造成的后果,从而建立更完善的海上钻井平台溢油风险评价指标体系。尹群[7]以事件树方法为基础,以最低合理可行(as low as reasonably practicable,ALARP)原则为依据,以风险分析软件Safe TI为计算工具,对石油泄漏危害下的海洋石油平台进行定量风险评估。赵兵[8]从人、物、环境和管理四个角度出发对海上石油平台进行分析,根据出海经验提出相应的控制措施。吕妍[9]通过层次分析法运用多级模糊综合评价模型分析了我国钻井平台及生产平台的溢油风险因子。刘保占[10]通过层次分析法建立海上石油平台溢油风险评价指标体系,结合SINTEF井喷、井涌数据库、DNV海上平台溢油概率模型及多级模糊综合评价法综合评价了渤海石油平台溢油风险。现有研究的不足之处主要有:(1)国内研究着重分析海上石油平台溢油风险的概念及含义,缺乏更为系统、深入的研究;(2)东海海上石油平台溢油风险研究成果较少,且风险因素的识别更多是借用或参考其他行业或同行业的不同平台所建立;(3)较多学习引用国外学者的方法理论,结合软件的应用较少。

    鉴于以上研究不足及目前东海海域石油生产平台溢油风险评价研究成果的欠缺,本研究将遵循系统性、科学性、可行性、针对性等原则分析筛选出对东海海域石油生产平台溢油风险产生影响的各种风险因素,采用层次分析法、文献法以及系统分析法相结合的方式选取指标因子,保证东海海域石油生产平台溢油风险评价结果的真实性与准确性。在多级模糊综合评价法的基础上,引入蒙特卡洛方法[11-12]及Crystal Ball[13],对东海海域石油生产平台的溢油风险进行评价。既可使计算操作过程得以简化,减少主观误差,同时丰富了我国海上石油平台的溢油风险评价方法与内容,为其风险管理决策提供技术与理论支持。

    • 本研究将按照以下技术路线图进行阐述,如图 1所示。

      图  1  东海海域石油生产平台溢油风险评价技术路线

      Figure 1.  Technical road map of oil spill risk assessment of oil production platforms in the East China Sea

    • 东海油气资源区位于舟山群岛东南的东海陆架中部海域,东海西湖凹陷区的春晓油气田是目前主要石油开发区域,位于东海陆架盆地东部凹陷的北部,距上海东南约400 km,水深约80~110 m,年平均温、盐度分别为15.0℃~21.5℃、34.4~34.9。夏季受亚洲高压影响,以偏南风为主,平均风速为6~10 m/s;冬季以偏北风为主,平均风速5~6 m/s。油气储量小,油层厚度薄,埋藏深,低孔低渗,其开发具有规模“小”、分布“散”、动用“难”的特点[14-17]

      国内部分学者根据国外研究经验以及国内海洋石油平台实际情况进行海洋石油平台溢油风险评价体系的研究以及构建。吕妍[9]从平台涉及参数、作业方式、海区环境、地质性溢油、人为因素、平台疲劳老化、管理能力、应急能力等八个方面建立海洋石油平台溢油风险评价体系;卢旭东[18]从作业及运输方式、平台特性、环境条件、人员与管理等四个方面建立采油平台溢油风险评价体系;刘保占[19]从疲劳老化、自然力破坏、误操作、第三方破坏、井控措施等五个方面建立钻井平台溢油风险评价指标体系。

      通过对国内外海洋平台溢油情况进行统计分析,得出海洋平台发生损坏、损毁事故,地质性溢油,平台的作业体系与管理,人员操作能力与责任意识,平台老化及安全装置配置等是造成采油平台溢油的关键风险因子,除此之外还包括极端天气,复杂的地质情况等[20-21]。因此本研究根据东海海域石油生产平台实际情况从溢油事故发生的内因、外因、人为因素及溢油后果的可控能力出发,将东海西湖凹陷区采油平台的溢油风险评价指标分为生产平台情况、地质性溢油、海区环境、人为因素、应急能力五个一级指标,二级指标在此基础上逐一展开。地质性溢油多是由于不恰当的钻井或注水,使得储层压力异常高,导致其内的混合流体转移至海床,从而发生泄漏。因此,对于地质性溢油评价需要包含是否有钻屑回注、注水系统的作业规范性以及相关作业风险性,也要结合其地质情况及油藏情况判断是否严格按照规范进行操作。对溢油后果可控能力的评价主要针对应急能力的评估,首先是发现溢油源的能力,其次是控制溢油事故严重性,尽可能的降低溢油量或溢油范围的能力。由此形成具有针对性及科学性的东海海域石油生产平台的溢油风险评价指标体系,如图 2所示。

      图  2  东海海域石油生产平台的溢油风险评价指标体系

      Figure 2.  Evaluation index system of oil spill risk of oil platform in the East China Sea

    • 图 2所示,本研究设定东海海域石油生产平台溢油风险一级评价指标的因素集为U=(U1:平台情况,U2:海区环境,U3:地质性溢油,U4:人为因素,U5:应急能力),二级评价指标依次展开。将石油平台溢油风险归纳为五个等级,评价集为V=(V1:风险极小,V2:风险小,V3:风险中等,V4:风险大,V5:风险极大)=(1分,2分,3分,4分,5分)。心理学的实践表明,人们对于事物在相同属性上的差别辨别能力可以达到五级:相同、较强、强、很强、极强。因此对于大多数的决策判断来说,可以采用表 1所示的1~9的标度来反映多数人的判断,在进一步细分,可以在相邻的两极之间插入折中值2、4、6、8。

      表 1  标度值简介

      Table 1.  Brief introduction of scale values

      本研究通过层次分析法,确定风险指标间的隶属关系,并通过两两比较建立判断矩阵,初步确定该体系中各因子的权重。首先,建立判断矩阵A,并对矩阵各列求和。运用如下公式对每列进行归一化处理:

      式中:Aij为矩阵中的各个元素; ∑Aij为矩阵各列的和;Bij为计算后得到的新矩阵。接着,对新矩阵B进行各行求和,得出特征向量并形成新的矩阵W。最后,对特征向量进行归一化处理求得权重值,公式为:

      式中:Bi为特征向量中的各个元素;∑Bi为特征向量的和;Wi为计算后得到的各个指标的权重值。

      在初步确定权重值后,通过对判断矩阵进行一致性检验,评判权重值的合理性。一致性指标CI(consistency index)计算方法为:

      式中:λmax为判断矩阵W的最大特征根;n是衡量不一致程度的数量标准。判断矩阵A的“随机一致性指标”RI(random index),如表 2所示。

      表 2  RI系数

      Table 2.  RI coefficient table

      计算“随机一致性比率”CR(consistency ratio):

      式中:若CR < 0.10,则认为判断矩阵符合一致性要求;若CR>0.10,则必须调整判断矩阵中的各个元素,再次进行比较,直至判断矩阵达到标准[22]。调整后的各指标权重值如表 3所示。

      表 3  东海海域石油生产平台溢油风险评价指标权重分配

      Table 3.  Allocation of index weights for oil spill risk assessment of oil production platforms in the East China Sea

    • 东海海域石油生产平台溢油风险因子的隶属度能直观反映出各级评价指标溢油风险等级的变化过程。本研究采取调查问卷的方式对海洋平台相关专家、学者及东海海域石油生产平台相关工作人员进行调研。共发放问卷40份,收回34份,有效问卷31份,回收率是85%,回收有效率达91.18%。对有效回收的问卷进行统计,得出各个二级指标在各个风险等级所占比例,如:对于东海海域石油生产平台疲劳老化情况,有3人判断其风险等级1级,占比9.7%;11人判断其风险等级2级,占比35.5%;14人判断其风险等级3级,占比45.2%;3人判断其风险等级4级,占比9.7%(如图 3左图所示)。

      图  3  东海海域石油生产平台疲劳老化风险等级数据拟合图

      Figure 3.  Fitting data of fatigue aging risk grade ofoil production platforms in the East China Sea

      采用Crystal Ball中的蒙特卡洛仿真模拟对东海石油平台溢油风险等级进行预测,设置的模拟次数越多,所模拟的抽样分布精度越高。本研究设置为1000次,置信水平为95%,该精度水平达到模拟需求。例如:将东海海域石油生产平台疲劳老化情况数据输入到Crystal Ball中进行拟合,通过卡方检验从正态分布、偏正态分布、三角分布等选出最优分布,得出如图 3所示结果;再根据拟合的平台疲劳老化情况指标分布进行抽样,得出隶属度概率分布(如图 4所示)。同理,得出其余各个二级指标的隶属度概率分布。

      图  4  东海海域石油生产平台疲劳老化风险等级分布

      Figure 4.  Distribution of fatigue aging risk level ofoil production platforms in the East China Sea

    • 确定权重集及隶属度后, 本研究基于二级模糊综合评价法建立东海海域石油生产平台的溢油风险评估模型。

      (1) 初步评价:

      式中:Bi为东海海域石油各个一级指标(Ui)的溢油风险评价结果;Aij为该海域石油平台一级指标下的各二级风险评价指标的权重分配;Rij为所属的各二级指标的隶属度概率分布。

      一级指标——平台情况(U1)公式为:

      式中:B1为东海海域石油一级指标——平台情况(U1)的溢油风险评价结果;A1j为该海域石油平台一级指标——平台情况下的各二级风险评价指标的权重分配;R1j为该海域石油一级指标——平台情况所属的各二级指标的隶属度概率分布。同理可计算出海区环境(U2)、地质性溢油(U3)、人为因素(U4)、应急能力(U5)的溢油风险评价结果B2B5

      (2) 综合评价

      式中:Ai为各一级风险评价指标的权重分配值;Ri为一级指标的隶属度概率分布,即各一级指标的油风险评价结果(Ri= Bi);B为东海海域石油生产平台的溢油风险评价结果。

    • 根据上述评价方法对东海海域石油生产平台溢油风险进行评价分析,得出以下评价结果。

      首先,根据图 5所示,东海海域石油生产平台溢油风险等级的平均值为2.28,风险等级大于2.00级,不足3.00级,风险程度为中等偏下。标准差和变异系数较小,分别为0.23和0.10,说明数据离散程度较低,模拟抽样出来的数据较为稳定。最小值1.59,最大值3.06,表明出现中等以上的风险等级具备可能性,但概率极低。从累计分布图 6中可知:东海海域石油生产平台溢油风险等级1.59~2.00之间占比11.37%;风险等级在2.00~2.50之间为69.92%;风险等级在2.50~3.00之间为18.74%;风险等级在3.00以上为0.06%。有以上数据可见,风险等级主要集中在2.00~2.50之间,占比最高,其次为2.50~3.00之间以及1.59~2.00之间的风险等级,3.00级以上的风险等级概率极低。

      图  5  东海海域石油生产平台溢油风险等级预测概率分布及信息统计

      Figure 5.  Probability distribution and information statistics of oil spill risk grade prediction for oil production platforms in the East China Sea

      图  6  东海海域石油生产平台溢油风险等级预测累计分布及百分比

      Figure 6.  Cumulative distribution and percentage of oil spill risk grade forecast for oil production platforms in the East China Sea

      其次,根据图 7所示,选取总体风险等级及一级指标的10%、25%、50%、90%的风险等级进行趋势比较发现;与东海海域石油生产平台总体风险等级相比,海区环境风险等级偏小,地质性溢油风险等级及应急能力风险等级偏大;平台情况和人为因素两个指标的风险等级情况与最终结果最为相近。即地质性溢油及应急能力的风险等级是推动东海海域石油生产平台总体风险等级提升的主要因素。

      图  7  东海海域石油生产平台总体情况及一级指标风险等级评分趋势

      Figure 7.  Trend of the general situation of oil platform and the first-grade index risk rating in the East China Sea

      最后,本研究进一步采用Crystal Ball的蒙特卡洛仿真分析对二级指标进行敏感度分析,部分结果如图 8所示。

      图  8  东海海域石油生产平台溢油风险等级二级指标敏感度分析

      Figure 8.  Sensitivity analysis of secondary indicators of oil spill risk level for oil production platforms in the East China Sea

      敏感度分析是使模型的变量在某特定范围内变动,以观察模型行为或变化情形的一种分析方式。模型的评估总是存在着风险;敏感度分析有助于降低此风险。本研究将其运用到石油生产平台的溢油风险评估当中,从多个不确定性因素中逐一找出对石油生产平台有重要影响的敏感性因素,并分析测算其影响程度和敏感性程度。

      敏感度的计算公式为:

      式中:TSii指标的敏感值;△TSii指标的变化量;△Ri为其他指标保持不变的情况下,i指标变化导致总体风险程度的变化量;Sii指标的敏感度;∑TS为所有指标的敏感值之和。

      根据图 8,疲劳老化情况对东海海域石油生产平台溢油风险等级影响最大,敏感度达64.6%,其次为压力、常压装置的安全保护装置,敏感度约7.7%,第三为工作人员责任意识,敏感度为6.1%,其余二级指标的影响力皆 < 5%。由此得出,平台疲劳老化是影响东海海域石油生产平台溢油风险等级的主要细分原因。

    • (1) 东海海域石油生产平台溢油风险等级处于1.59~3.06之间,平均值为2.28,总体风险等级为中等偏低。其中,东海海域石油生产平台溢油风险等级处于1.59~2.00之间的概率为11.37%;处于2.00~2.50之间的概率为69.92%;在2.50~3.00之间的概率为18.74%;大于3.00的概率为0.06%。

      (2) 一级指标中,地质性溢油及应急能力的风险等级相对较高;二级指标中,平台疲劳老化是影响东海海域石油生产平台溢油风险等级的最主要细分因素,敏感度约为64.6%,其次是压力、常压装置的安全保护装置,敏感度约7.7%。

      (3) 建议东海海域石油生产平台需加强平台的日常维护强度及频率,定期检测水下结构的腐蚀度等保证海洋石油平台本身稳定安全的措施,从而降低平台的溢油风险。其次,保证压力、常压装置等保护装置的正常工作,可以有效降低事故发生的影响,应予以重视。最后,提升平台职工的安全意识和责任感也是降低平台风险的有效措施。

参考文献 (22)

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