本文以国家工信部专项“第七代超深水钻井平台自主创新工程”课题“安全风险设计与控制技术研究”和国家重点研发计划“海洋石油天然气开采事故防控技术研究及工程示范”课题“海洋(深水)油气开采重大事故连锁风险演化、灾变机理及应对机制”为依托,结合我国南海深水钻井作业的安全需求,以我国在建的第七代超深水半潜式平台为研究对象,系统开展深水钻井井喷事故灾变演化分析与安全屏障研究。在深水钻井系统的井喷与燃爆脆弱性分析、井喷事故灾变演化风险评估、井控流程安全分析、井喷气体扩散规律、安全屏障动态量化风险评估等方面取得重要研究进展,形成一套针对深水半潜式平台钻井系统的井喷事故灾变演化及安全屏障评估方法,为保障平台平稳安全运行提供参考。主要研究进展总结如下:1.深水钻井复杂系统脆弱性分析考虑深水半潜式平台复杂系统钻井子系统的结构组成,研究其所具有的复杂系统特性和脆弱性特征;提出针对复杂系统脆弱性特征评估的熵指标和风险指标,并将二者统一于风险熵指标;综合考虑复杂系统的拓扑结构和非拓扑因素,提出针对深水钻井系统脆弱性的复杂网络评估和相关效能评估方法,对复杂系统脆弱性进行度量;结合深水钻井系统井喷事故发展流程和脆弱性层次结构关系,从设备、工艺、人员、管理和环境五个方面建立深水钻井系统脆弱性风险评估指标体系,为系统性、定量性的脆弱性评估提供基础。2.深水钻井井喷事故风险灾变演化评估针对深水钻井系统脆弱性风险指标,考虑脆弱性因素的逻辑关系和层次分类,集成风险熵理论和复杂网络理论,依据深水钻井流程和事故发展进程,构建以风险因素为节点、以风险传递关系为连接边的深水钻井井喷事故灾变演化模型;以聚类系数表征深水钻井井喷事故复杂网络中风险因素节点的聚集程度,以风险熵表征风险传递路径的权重;考虑风险传递的模糊不确定性和随机不确定性的特点,以最短路径度量深水钻井系统井喷事故风险,通过Dijkstra算法计算路径长度,辨识多节点所形成的系统最可能的失效模式;引入役龄递减因子和故障率递增因子,动态评估系统关键设备的失效概率,并以此为基础,计算不同时间节点处井喷事故最短路径的风险熵值与发生概率值,实现深水钻井系统安全状态的动态评估。3.深水钻井系统井控流程安全性分析针对深水井控的复杂性和动态性特点,将井控系统在钻井过程中的安全性问题作为系统控制和反馈问题,基于系统理论的事故模型和过程(STAMP)模型,采用系统理论过程(STPA)评估方法,构建井控系统在深水钻井过程中的控制关联模型和反馈回路,通过识别系统安全风险与约束、定义安全控制结构、查找不安全控制行为及分析不安全控制行为的关键原因等流程进行深水井控安全性分析,并提出相应的井控约束措施。以STAMP/STPA作为指导准则,结合全动态多相流模拟软件OLGA,建立深水井控过程的动力学模型,以井涌后没有提供控制行为以及关井和压井等控制行为发生延迟为例,对井控作业的安全性进行动力学分析,量化对井控系统进行安全控制的时间裕量。4.深水钻井气体井喷扩散规律研究针对我国自主设计在建的第七代超深水半潜式平台,面向平台井喷事故案例,采用数值分析和模拟试验相结合的方法开展井喷扩散规律研究。通过FLACS系统建立平台井喷扩散数值仿真模型;建造平台缩尺模型,搭建试验系统研究监测点可燃气体浓度变化规律,并对两种方法进行对比分析;探究风场条件对井喷气体在开敞空间内扩散规律的影响,预测可燃气云在不同风向和风速条件下的空间范围和分布规律,并提出半潜式平台安全作业建议;以深水半潜式钻井平台振动筛房为例,建立FLACS三维仿真模型,研究可燃气体及硫化氢进入平台密闭作业空间内的扩散过程,分析形成的燃爆及毒害区域,并据此提出针对性措施。5.深水井喷灾变升级安全屏障防控定量分析鉴于井喷危害的严重性,从复杂系统脆弱性角度分析深水钻井系统从井喷事故至燃爆事故的升级过程;从因素级、事件级和子系统级构建风险升级评估指标体系,依据DEMATEL方法分析风险因素之间的作用关系,建立风险因素之间的因果逻辑图;通过事故树-事件树逻辑模型建立从危险源到脆弱性安全屏障之间的映射关系,分析平台井喷灾变升级事故的发展路径,经时序扩展转化为贝叶斯网络模型,实现深水钻井系统井喷升级事故的连锁风险评估;在事故先兆数据的基础上,利用贝叶斯网络模型进行风险因素概率、安全屏障失效概率和后果事件概率的动态更新,并反映井喷升级导致的事故风险时序变化。