《Probabilistic Engineering Mechanics》：Integrated FMEA-MSBN for Risk Assessment of Ultra-High Temperature High-Pressure Downhole Tools during Sea Trials
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摘要：在海上石油和天然气作业中，井下工具系统的可靠性对于确保作业的安全与高效至关重要。然而，这些工具的海上测试阶段存在诸多复杂风险，若管理不当可能会引发严重事故。本研究提出了一种综合风险评估框架，将故障模式与影响分析方法与多状态贝叶斯网络相结合，从而能够系统地识别、定量评估并在超
摘要：
在海上石油和天然气作业中，井下工具系统的可靠性对于确保作业的安全与高效至关重要。然而，这些工具的海上测试阶段存在诸多复杂风险，若管理不当可能会引发严重事故。本研究提出了一种综合风险评估框架，将故障模式与影响分析方法与多状态贝叶斯网络相结合，从而能够系统地识别、定量评估并在超高温高压井下工具的海试阶段对潜在故障模式进行优先级排序。该研究构建了一个多源数据驱动的分析系统，整合了历史故障记录、结构化专家知识以及定量风险模型。分析结果能够精准识别高风险故障模式及其可能带来的后果，同时提出包括技术改进和管理优化在内的针对性风险缓解措施。本文提出的方法与策略为提升海上井下工具测试的安全性与可靠性奠定了科学基础，对于降低运营风险、防止环境灾难以及推动海洋石油天然气资源的可持续开发具有重要的理论和实践价值。
引言
随着陆地石油和天然气资源日益枯竭，全球的勘探和生产重点正迅速转向深水、超深井以及非常规资源。这一趋势使得对高度可靠的海上石油生产设备的需求不断增加[1]、[2]、[3]。诸如随钻测量系统之类的核心井下工具往往需要在超高温高压的极端环境下持续运行（例如200摄氏度、206兆帕），其运行可靠性直接决定了海上测试任务以及石油天然气田开发的成败[4]、[5]、[6]。近年来，由井下工具故障引发的工程事故不仅造成了巨大的经济损失，还引发了严重的环境灾难，比如2010年墨西哥湾的“深水地平线”石油泄漏事件[7]，以及2013年挪威北海项目的暂停[8]。这些案例充分表明，在复杂且极端的环境中建立科学的可靠性评估与动态风险管理框架具有重要的学术意义和工程价值[9]、[10]、[11]。
在工程领域，关于系统可靠性评估的主流研究通常采用定性分析与定量分析相结合的方法。其中，危害与可操作性分析以及故障模式与影响分析等方法属于典型的定性分析工具，能够系统地识别潜在的系统故障、危险源以及故障后果。而故障树分析以及贝叶斯网络等方法则是核心的定量分析工具，通过概率建模实现故障风险的量化以及因果关系的推断[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。
由于具备系统化的故障识别能力，故障模式与影响分析被广泛使用。不过，传统的故障模式与影响分析在处理专家评估的主观性以及动态不确定性方面仍存在局限。为解决这一问题，研究人员探索了多种改进方法：崔等人[21]将故障模式与影响分析与多状态贝叶斯网络相结合，实现了从定性故障识别向定量概率推断的初步过渡，并将其应用于同步铸造和仓储设备等复杂系统。为减少评估偏差，刘等人[23]引入了专家信任网络来改进故障模式与影响分析，优化了海运系统风险评估中的权重分配。此外，贝叶斯网络在动态风险建模方面也展现出优势，例如李等人[24]利用数据驱动的贝叶斯网络来描述海上事故的动态演化路径；而卡埃塔诺等人[25]则将动态贝叶斯网络与证据传播方法相结合，用于量化基础设施在干扰作用下的抗灾能力。为进一步应对极端环境中的动态不确定性，模糊逻辑也被引入到海洋和石油天然气领域的风险评估模型中。卡拉诺维奇等人[26]以及塞兰[27]分别应用模糊故障模式与影响分析，准确量化了液压转向装置以及柴油发动机涡轮增压器的故障风险，克服了传统评估方法中信息模糊且难以量化的难题。为满足作业流程的系统性要求，塞兰[28]、[29]进一步提出了基于规则的模糊故障模式与影响分析框架，提升了船舶加油以及生物柴油应用领域风险评估的一致性。在石油天然气管道网络领域，曲等人[30]构建了基于动态云权重的三维模糊动态评估模型，用于描述人类操作风险的动态演化过程；刘等人[31]则在球形模糊数的基础上改进了CRADIS方法，从而能够更精确地评估复杂环境中的天然气管道风险。
尽管上述先进的模糊故障模式与影响分析以及扩展型故障模式与影响分析模型在降低主观性方面取得了显著进展，但它们主要侧重于静态风险分析，难以捕捉复杂设备在极端条件下的多状态动态因果演化过程。虽然传统的贝叶斯网络具备因果推理能力，但其通常基于设备要么完全正常工作要么完全失效的二元状态假设。实际上，在超高温高压的海试过程中，MWD系统的性能衰退往往是一个持续且渐进的过程，比如密封件的多阶段老化或传感器的零点漂移等。传统的二元状态模型以及静态故障模式与影响分析难以准确描述这些多状态特性，可能会导致对系统整体风险的评估出现偏差。因此，针对极端环境中复杂井下工具的多状态故障机制，仍存在需要研究解决的问题。
为弥补现有研究的不足，本研究提出了一种系统级的风险评估框架，旨在对超高温高压井下工具在海试阶段的可靠性进行深入的定量分析。具体而言，该框架并未采用模糊聚合方法，而是保留传统的故障模式与影响分析作为初步的启发式筛选工具，将不确定性的处理以及复杂风险的聚合工作交由后续的多状态贝叶斯网络模型来完成。该框架的核心贡献体现在以下三个方面：
- 1.
该框架构建了一个从定性识别到多状态定量推断的闭环评估体系，突破了单一故障模式与影响分析以及传统贝叶斯网络单一故障模式方法的静态限制。通过扩展节点的状态空间，该框架能够识别复杂井下系统中多状态故障模式的演化规律。
- 2.
通过整合跨学科专家的知识，该框架优化了针对极端海试场景的故障模式与影响分析风险评估标准。研究组建了由运营、工程、维护以及制造领域专家组成的专家小组，通过动态分配专家权重，有效降低了评估过程中的主观偏差。
- 3.
借助跨学科专家的知识，该框架构建了多维条件概率表，通过后验推断、重要性分析以及敏感性分析建立了定量模型。这种方法不仅能够实现前瞻性的风险预测，还能够反向精准定位影响最大的关键节点，为海试期间的风险管理提供优先级参考。
本研究的后续章节结构如下：第2节介绍这款海底仪器海试评估的背景；第3节阐述故障模式与影响分析结合多状态贝叶斯网络集成模型的方法论框架；第4节进行定量风险评估并探讨相应的缓解策略；第5节总结本研究得出的结论。
章节节选
海试的目的
超高温高压MWD系统海试的目的是在恶劣的深海钻探环境中，验证并提升这项先进技术的性能与可靠性。在钻探过程中，MWD系统能够实时测量并向地面控制中心传输包括钻探方向、温度以及磁场强度在内的重要数据。这一功能对于提高钻探效率、保障作业安全具有重要意义。
故障模式与影响分析及其流程简介
故障模式与影响分析是可靠性工程中用于识别系统缺陷并保障设备安全的重要工具[32]、[33]、[34]。在超高温高压环境下的海试过程中，由于实际故障数据极为稀缺，且环境不确定性极高，本研究将故障模式与影响分析视为连接工程先验知识与多状态贝叶斯网络的桥梁。它的核心功能在于定性识别关键风险点，为后续分析提供准确的依据。
井下工具的故障模式与影响分析
通过实地调查以及与参与海试的技术人员的沟通，研究者识别并评估了各类潜在危险，包括其发生位置以及可能造成的后果。这些事件的发生频率与严重程度是通过专家调查方法收集的。如表8所示，这些信息为后续分析提供了坚实的基础。在本次故障模式与影响分析中，传统方法被用作初步筛选工具，而多状态贝叶斯网络则用于更深入的分析。
结论
通过实证分析，本研究评估了故障模式与影响分析结合多状态贝叶斯网络模型在降低井下工具系统海试风险方面的有效性。该分析方法能够系统地识别潜在的故障模式，并结合后验概率、严重程度以及敏感性等定量分析结果，构建出全面的风险管理框架。研究结果表明，井下工具系统在海试过程中存在多种高风险故障模式。
CRediT作者贡献说明
赵文博：资源提供、数据整理。王政豪：方法设计、形式化分析。王红岩：初稿撰写、调研工作。刘超：初稿撰写。王晓宇：可视化处理。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。
Hongyan Wang|Zhenghao Wang|Wenbo Zhao|Xiaoyu Wang|Chao Liu
中国石油大学（华东）海洋地球物理勘探开发装备国家工程研究中心，中国青岛市266580
