在页岩气大规模压裂作业中,井下事故的发生、压裂泵系统故障及高压管汇系统失效是导致压裂作业长时间非计划停工的主要原因。井下事故是多因素耦合作用引起,已有风险预警方法通过量化致因因素间的不确定性关系开展事故预警,忽略了事故表征参数所携带的井下工况信息而导致预警不及时。传统基于可靠性的剩余寿命预测方法忽略了系统当前状态对未来退化趋势的影响,导致预测过程缺乏动态性,难以应用于真实工况下压裂泵系统的剩余寿命预测。对于高压管汇系统,部件退化和管汇内部压力(风险影响参数)是引起系统失效的主要原因,已有研究仅从部件退化的角度评估系统风险,未考虑风险影响参数引起的瞬时风险增量,不适用于变工况下高压管汇系统的实时风险分析。本文围绕这些问题开展了深入研究,主要工作如下:1.针对致因因素耦合作用下井下事故的动力学特性,以揭示事故表征参数的演变规律为目标,提出了基于系统动力学的井下事故致因机理研究方法。以水平井套管内桥塞分段压裂过程为研究对象,分别建立近井地带砂堵、地层内砂堵和地层内压窜事故的系统动力学模型。仿真结果表明:1)当近井地带砂堵发生时,套管压力表现出短时间内快速上升的趋势特征;2)当地层内砂堵发生时,套管压力呈现出波浪型上升的趋势特征;3)当地层内压窜发生时,套管压力呈现出大幅度下降的趋势特征。2.针对忽略风险表征参数导致井下事故预警不及时的问题,提出了融合风险表征参数的井下事故安全预警方法。将风险表征参数融入到基于贝叶斯网络的安全预警模型中,提取其趋势特征作为实时风险信息,并引入隶属函数量化其状态概率分布,实时修正井下事故的概率风险,根据告警规则发布预警信息。所提方法应用于井下砂堵事故测试其预警效果,并与未融合风险表征参数的传统预警模型进行对比。对于5起地层内砂堵事故,相较于传统预警模型,所提方法将预警时间平均提前2.7min(±0.2min);对于5起近井地带砂堵事故,所提方法对5起砂堵事故均实现了准确预警,而传统预警模型仅对1起砂堵事故实现了预警。3.针对传统基于可靠性的剩余寿命预测方法因忽略系统当前状态对未来退化趋势的影响,而导致剩余寿命预测缺乏动态性的问题,提出了基于动态面向对象贝叶斯网络(DOOBN)的压裂泵系统剩余寿命动态预测方法。该方法将部件异常状态推理模型和系统退化趋势预测模型相结合,实现对部件剩余寿命(压裂段数)和系统功能指标发展趋势的动态预测。以“曲轴磨损”和“气体过滤器结垢”为研究案例,当曲轴在158h处于磨损状态时,其剩余寿命为139h(±10h),可继续完成28(±2)段压裂。当气体过滤器在365h处于结垢状态时,则在268h(±5h)之后,其堵塞概率高于结垢概率。而传统方法只能给出自然状态下部件退化趋势,未将系统状态改变融入到未来退化趋势预测过程中。4.针对风险影响参数引起瞬时风险增量的难题,提出了融合瞬时风险增量的高压管汇系统实时风险评估方法。采用条件高斯分布函数量化风险影响参数与瞬时风险增量之间的不确定性,在混合贝叶斯网络内将部件退化引起的固有风险与瞬时风险增量有效融合。分别以仿真场景和现场数据测试所提方法的效果,仿真结果表明:风险影响参数不同程度地增加了管汇失效风险;当管汇服役至100h且内部压力为80MPa时,总体风险比固有风险高出3个数量级。实例应用表明:当管汇内部压力大于30MPa时,融合瞬时风险增量的系统风险比固有风险高出1～3个数量级,表明所提方法可用于实际工况条件下高压管汇系统的实时风险评估。