井文君，杨春和， ，陈 锋，纪文栋，徐玉龙

（1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071； 2. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044）

1 引 言

由于盐岩具有低渗透性和良好的蠕变特性而在国际上被公认为是能源储备的理想介质。我国已在江苏金坛、湖北云应、河南平顶山等多个盐矿规划了单腔数量超过100 的大型盐岩地下储备库群，其中江苏金坛已经开始建设，最终将建成拥有120个单腔的大型密集储气库群。我国盐岩地下储库群的大规模兴建已经开始[1]。

尽管盐岩地下能源储备相对安全，但国外盐岩地下储备库事故仍时有发生，其中的重要类型之一就是油气渗漏。据统计，自20 世纪50 年代以来，国外的盐岩地下储备库曾发生的重大事故就有28次，其中有17 次是油气渗漏事故，占事故总量的60.7%，造成了巨大的经济损失和环境损失[2－4]。

与国外海相沉积形成的巨厚盐丘不同，我国的盐岩属于湖相沉积形成的层状结构，且含有许多不溶夹层，夹层的存在更易形成油气渗漏的通道，增加了储备库的油气渗漏风险[1]。此外，该类事故一般具有突发性和难以预见性，且往往引起爆炸和火灾，损失程度难以估计。因此，对盐岩地下储备库的油气渗漏事故进行风险分析十分必要。

在盐岩地下储备库油气渗漏风险的研究方面，国外主要集中在事故原因分析上，主要为定性分 析，如Bérest 等[4]、Thoms 等、Ehgartner 等均曾对盐岩地下储备库的火灾爆炸类事故的原因进行研究；而国内则集中在盐岩的力学特性[5－6]、地下储备库的可用性[7]、稳定性[8]以及完整性研究方面，针对盐岩储备库的风险分析研究很少，尚处于起步阶段[9－10]。我国关于风险管理的研究和应用开始于20 世纪80 年代后期，风险分析理论在工程建设领域的应用也是从那时才开始；此外，国内除2007年开始投入运营的金坛五口老腔组成的储气库外，尚无其他运营中的盐岩储备库，可供进行风险分析的参考数据有限，还需借鉴国外盐丘储备库的相关数据。

本文通过广泛查阅国外盐岩地下储备库曾发生的油气渗漏事故的相关报道和研究，分析总结了该类事故的发生机制，然后结合我国层状盐岩的独有特点，采用故障树分析法建立了油气渗漏事故的故障树模型，并对该类事故的可能发生途径、基本的致因事件进行分析，最后以江苏金坛盐矿的五口老腔储库为例，采用了专家调查法和故障树法相结合的分析方法，计算了其在运营阶段油气渗漏事故的发生概率，为系统的风险管理和预防措施的制定提供理论依据。

2 层状盐岩中储备库油气渗漏风险的故障树建立

故障树分析法（fault tree analysis， FTA），又称事故树分析法，是一种常用于对大型复杂系统进行风险评价的方法。该法是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。故障树能清晰地用图说明系统是怎样失效的，通过故障树可以找出系统全部可能的失效状态。故障树是一种形象化的技术资料，当它建成以后，对不曾参与系统设计的管理、运行人员也是一种直观的教学和维修指 南[11－13]。

2.1 发生机制简析

盐岩地下储备库中的油气渗漏事故是指由于储备库洞周产生贯通性裂隙，或者井筒部位产生破损，又或者地面设备密封性失效而导致储备库中的油或气沿缝隙（裂隙）泄露至周围岩层中或地表的现象。该类事故一般会直接导致经济损失和环境污染，严重时还会引发爆炸和火灾，造成人员伤亡和局部区域的严重破坏。油气渗漏事故的发生机制见图1。

图1 油气渗漏事故发生机制图 Fig.1 Oil and gas leakage mechanism map

2.2 故障树的建立

根据层状盐岩中储备库油气渗漏事故的发生机制并结合储备库的建设和运营过程，从技术风险（包括地质、设计、施工）、人员风险、管理风险、自然和社会风险4 个方面找出可能导致油气渗漏事故发生的各种风险因素，并着重对技术风险[1，6，8，14－15]进行了详细分析。层状盐岩中储备库油气渗漏事故风险因素的详细归纳分析见图2。

参考国外盐岩地下储备库曾发生的油气渗漏事故原因，并结合事故的发生机制，确定故障树顶事件为盐岩储备库油气渗漏，然后从腔周产生贯通性裂隙、井筒部位破损以及地面设备密封性失效3大主要原因入手进行分析，层层深入，将各影响因素逐渐细化，直至所有因素均为难以再细化的基本事件，并根据各因素对顶事件发生所起的作用确定它们之间的逻辑关系。所建立的故障树图见图3。故障树各事件说明见表1。

3 层状盐岩中储备库油气渗漏风险的故障树分析

3.1 下行法求最小割集

割集是指故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。若将割集中 所含的底事件任意去掉1 个顶事件便不再发生，这样的割集就是最小割集。如果能使每个最小割集中至少有1 个底事件恒不发生或发生概率极低，则顶事件就恒不发生或发生概率极低，进而使系统潜在事故的发生概率降至最低。此外，最小割集也是事故发生后诊断故障原因的重要方法。

图2 层状盐岩中储备库油气渗漏事故的风险因素图 Fig.2 Risk factors of oil and gas leakage accident of underground storage cavern in bedded salt rock

图3 层状盐岩中储备库油气渗漏事故的故障树图 Fig.3 Fault tree of oil and gas leakage accident of underground storage cavern in bedded salt rock

表1 事故树各事件说明表 Table 1 Event description of fault tree

最小割集实质上是事故可能发生的途径，代表了系统的危险性，最小割集越多，系统越危险。故障树的最小割集中，有1 个割集发生，顶上事件就发生。基本事件越少的割集，越容易发生，通过这一途径发生事故的可能性就越大，故对基本事件少的割集应重点采取预防措施。

本文采用下行法求解故障树的最小割集。该方法是沿故障树从顶事件往下逐级进行，若遇到与门，则把与门下面的所有输入事件都排在同一行上；若遇到或门，则把或门下面的所有输入事件都排在同一列上。以此类推，逐级往下，一直到全部为底事件为止。这样得到的底事件集合称为布尔显示割 集，经过布尔代数的吸收归并运算后便可得到最小割集[11]。最小割集中包含的基本事件称为事故的基本致因事件。计算得到的最小割集见表2。

表2 油气渗漏事故故障树的最小割集列表 Table 2 Minimal cut sets of fault tree of oil and gas leakage accident

由表2 可见，我国层状盐岩中储备库发生油气渗漏事故的可能途径有28 种，每个最小割集包含的基本事件只有1 个到5 个不等，也就是说，当只有1 个或几个基本事件同时发生时系统就会发生油气渗漏事故，说明该类事故的发生条件很容易满足，事故发生的可能性较大。

与割集含义相反，径集是指其所包含的底事件都不发生时顶事件必然不发生。若将径集中任意1个底事件去掉后顶事件就会发生，这样的径集称为最小径集[2]。把故障树中的逻辑与门与逻辑或门相互对调后便得到油气渗漏事故的成功树，同样，采用下行法计算可以得到各最小径集。经计算，该故障树的最小径集有100 多个，包含的基本事件数也都在10 个以上，此处不再详细列出。这说明阻止该类事故发生的途径有很多，但每种方法所需条件甚多，难以同时得到满足，进一步验证油气渗漏事故易于发生而难于防范的特点。

3.2 顶事件发生概率计算

假定该故障树的各基本事件满足以下2 个基本假设：一是各个基本事件的概率都能精确估计；二是所有基本事件都相互独立，即任何一个基本事件是否发生对其余基本事件是否发生不产生影响。在此前提下，根据最小割集计算顶事件的发生概率，即在求出最小割集的基础上，把故障树顶事件表示为最小割集中底事件积之和的布尔表达式。

由于前12 个最小割集只包含1 个基本事件，而从第13 个最小割集开始则包含4～5 个基本事件，假设各基本事件均为容易发生，发生概率取1%，则后26 种途径导致顶事件发生的可能性比前12 种途径至少小6 个数量级，与前12 项相比非常小，对顶事件发生概率的贡献可以忽略，因此，顶事件概率表达式可简化为

式中：1S 为首项近似算式，其余含义同式（1）。

式（2）适用于我国层状盐岩中所有储备库油气渗漏事故发生概率的计算。但由于每个盐岩地下储备库群的地质、设施以及运营管理情况各不相同，因此，各基本事件的发生概率也不能一概而论，应根据每个储库群的具体情况做出判断，再代入式（2）计算顶事件的发生概率。本文在第4 节以江苏金坛盐矿的5 口老腔储库（西1、西2、东2、岗1、岗2）为例，对其在运营期间油气渗漏事故的发生概率进行详细分析计算。

3.3 各基本事件的结构重要度计算

基本事件的结构重要程度是指在不考虑每个基本事件的发生概率的情况下，各基本事件在顶事件发生的故障树结构上的重要程度，即各基本事件的发生对顶事件发生的贡献程度[11]。基本事件的结构重要度取决于它们在故障树结构中的位置，可以用下面的近似计算公式来计算，但计算得到的数值没有绝对意义，只有相对意义，用于对基本事件的结构重要度进行排序。计算公式如下：

式中： Ei为基本事件； Kj为最小割集； nj为包含第i 个基本事件的第j 个最小割集中基本事件的数目； I ( Ei)为基本事件 Ei的结构重要度系数。

根据最小割集列表以及式（3）、（4），计算得到各基本致因事件的结构重要度排序为：

计算结果表明，按照各基本致因事件的发生对故障树顶事件——系统油气渗漏事故发生的贡献程度的大小来说，盐岩强度低、盐岩蠕变过量、附近有断层、地震、造腔工艺选择不当、造腔参数控制不当、非均匀地应力、人为操作失误、护顶层过薄、套管质量差、输运设备受损以及井口密封设施不完善等因素是影响我国层状盐岩中储备库油气渗漏事故发生的关键因素，采取措施防止以上事件发生可有效降低油气渗漏事故的发生概率。

4 顶事件概率计算的工程应用

4.1 金坛盐矿5 口老腔储库概况

金坛盐矿位于江苏省常州市的金坛市西北、镇江市丹徒县东南，地理坐标是东经119°21′～119°27′，北纬31°46′～31°51′。

金坛盆地北东向长33 km，北西向宽约22 km，面积约526 km2，夹持于茅山推覆带和上黄～大华隆起带之间，为北东向的小型沉积盆地。盆地内断层主要有4 条，分别为直溪桥断层、鲍塘断层、观西～大树下断层和西庄断层，这些断层在活动期具有张性特征，但现今均为压性断层，且断距不大，断层两侧均为泥质岩或盐岩，具有良好的封堵性，且盐层主要分布区内断层断距小，所选5 口老腔远离断层和两组大断裂。

本区盐岩层发育于直溪桥凹陷阜宁组沉积末期，属湖盆萎缩阶段水体浓缩的局限盐湖沉积。据地震资料解释成果及实际的钻井资料，金坛盐矿盐岩层的分布在平面和纵向上都比较稳定：平面上呈北东向展布，盐岩体长轴为12 km，短轴为5.6 km，含盐面积为60.5 km2，厚度为67.85～230.95 m；纵向上整个含盐层系自下而上构成一个完整的沉积旋回，水介质由淡化～浓缩～再淡化，剖面结构较简单。自下而上由2 个横向分布稳定的棕红色及灰～灰黑色夹棕红色泥岩标志层将盐岩层分隔为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3 个主要矿层。

金坛盐矿五口老腔储库的特征参数见表3。

表3 5 口老腔储库特征参数 Table 3 Characteristic parameters of five old caverns

4.2 专家调查法确定基本事件发生概率

由于各基本事件的发生概率无统计资料，也无法由计算公式得出，因此，本文采用专家调查法对10 年之内各基本事件的发生概率给出经验估计值。这是因为地质条件是不断变化的，工程的运营也会反过来改变周围的地质环境，因此，依据现有的地质资料，姑且以10 年为一个单位进行风险预测。通过对有盐岩储备库相关专业知识或工程经验的20位专家进行调查，并根据各个专家的职称、专业等设定相应的权重，然后将其所做的判断按照对应的权重进行加权累加，最后得到的就是所需目标的最可能值。

表4 专家权重确定表 Table 4 Expert weights determining

根据表4，采用如下公式计算各专家权重。

式中：kW 为第k 位专家的评分权重；iU 、ijV 的含义见表4。经计算，20 位专家的权重分布见表5。

表5 专家权重分布表 Table 5 Expert weights distribution

基本事件发生概率的量级和含义见表6。

表6 基本事件概率概量含义表 Table 6 Meaning of basic event probability

最终基本事件发生概率的确定采用如下公式：

式中：iP 表示第i 个基本事件发生概率的最终专家评定值，kiQ 为第k 位专家对第i 个基本事件发生概率的评定值。

4.3 顶事件发生概率计算

根据调查结果，采用式（5）、（6）计算得到各事件的发生概率如下：

表7 各基本致因事件的发生概率表 Table 7 Occurrence probability of elementary event

将以上调查结果代入式（2），计算得到金坛盐矿5 口老腔储库油气渗漏事故发生概率为

5 结 论

（1）从所建立的层状盐岩中储备库油气渗漏事故的故障树图可见，该故障树中的逻辑或门很多，表明油气渗漏事故的发生途径有很多；故障树的最小割集数目有28 个，而最小径集数目大于100 个，说明该类事故可能的发生途径有28 种，事故发生概率较大，同时防范途径远远多于发生途径；然而最小割集所包含的基本事件数目较少，只有1～5 个，而最小径集包含的基本事件数目很多，说明系统油气渗漏事故的发生条件容易形成，而防范措施难以做到俱全。

（2）根据各基本事件的结构重要度排序，对层状盐岩中储备库油气渗漏事故影响较大的风险因素依次为：盐岩强度低、盐岩蠕变过量、附近有断层、地震、造腔工艺选择不当、造腔参数控制不当、非均匀地应力、人为操作失误、护顶层过薄、套管质量差、输运设备受损以及井口密封设施不完善等。这其中除了盐岩强度低之外，其他因素均可人为采取措施尽量避免，如通过运行压力控制盐腔的蠕变量、腔体设计时避开有断层的区域、地震带以及非均匀地应力显著的区域，改进造腔工艺，采用多种监控手段精确控制造腔参数，加强运行监控等，均可有效中断储备库油气渗漏事故的发生途径，降低事故的发生概率。

（3）根据建立的油气渗漏事故的故障树模型得到了适用于我国层状盐岩中典型储备库油气渗漏事故发生概率的计算公式（2），并以江苏金坛盐矿5口老腔储库为工程背景，采用专家调查法和故障树法相结合的方法计算得到了其在运营期间发生油气渗漏事件的概率为0.703%，参考地下工程风险概率等级标准[16]可知，该类事件属于偶尔发生的事故。据保守统计，世界上用于油气储存的盐穴现有约 1 700 个，从1954 年至2004 年间，有资料记载的油气渗漏事故有17 次，因此，可得单个盐穴油气渗漏事故的年发生概率约为0.02%。根据此统计数据，金坛5口老腔储库在近10年发生油气渗漏事故的统计概率为 bP G（ ）=0.02%×5×10=1%，与本文的计算结果较一致。

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