高含硫氣田開發(fā)安全評價技術(shù)探討

劉 坤 何 娜 王 堯 張 毅 徐 峰

（1.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院）

（2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院）

我國《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出2015年天然氣能源消費比將從2010年的4%增長到8.3%，同時天然氣供需缺口也在持續(xù)增長。在我國天然氣總儲量中，高含硫氣藏儲量約占1／6，而目前僅開發(fā)了15%，因此要解決我國日益增長的天然氣需求，在未來幾年內(nèi)我國將對高含硫氣田進行重點開發(fā)。由于高含H2S的特殊性，氣田在開發(fā)過程中的安全問題也越來越得到政府和行業(yè)部門的重視，作為工程前期工作之一的安全評價也就顯得尤為重要［1－3］。通過承擔(dān)普光、羅家寨、鐵山坡和龍崗這些高含硫氣田開發(fā)的安全預(yù)評價工作，逐步形成了一套針對高含硫氣田的安全評價技術(shù)，可以為我國高含硫氣田安全高效地開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 常用安全評價程序和方法

1.1 安全評價程序

目前，安全評價程序主要依據(jù)安全評價導(dǎo)則進行，針對工程建設(shè)項目的安全評價，其評價程序一般如圖1所示。從圖1可以看出，常規(guī)的評價程序是一種直線型的流程：根據(jù)前面分析出的問題，在后面提出相應(yīng)的措施和建議，最后形成評價結(jié)論。因此，這種評價程序就缺少一種反饋問題的思路，不能明顯地體現(xiàn)解決問題的過程，特別是在提出補充安全對策措施后，不能對工程安全風(fēng)險的變化情況進行分析。

1.2 評價方法

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局所編制的《安全評價》（第3版）中介紹的評價方法主要有安全檢查表法、預(yù)先危險性分析法、危險指數(shù)法、事故樹法和定量風(fēng)險評價法［4］。

1.2.1 安全檢查表法（SCA）

SCA是系統(tǒng)安全工程的一種最基礎(chǔ)、最簡便、且應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)危險性評價方法。為了查找系統(tǒng)中各種設(shè)備、設(shè)施、物料、工件、操作、管理和組織措施中危險、有害因素，事先把檢查對象加以分解，以提問或打分的形式，列表逐項檢查。通常是將現(xiàn)行國家法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為檢查的依據(jù)。

1.2.2 預(yù)先危險性分析法（PHA）

PHA是在某項工作開始之前，為實現(xiàn)系統(tǒng)安全而對系統(tǒng)進行的初步或初始的分析，包括設(shè)計、施工和生產(chǎn)前，首先對系統(tǒng)中存在的危險性類別、出現(xiàn)條件、導(dǎo)致事故的后果進行分析，其目的是識別系統(tǒng)中的潛在危險，確定其危險等級，防止危險發(fā)展成事故。

1.2.3 危險指數(shù)法

危險指數(shù)方法是評價人員對幾種工藝現(xiàn)狀且運行的固有屬性（以作業(yè)現(xiàn)場危險度、事故概率和事故嚴(yán)重度為基礎(chǔ)，對不同作業(yè)現(xiàn)場的危險性進行鑒別）進行比較計算，確定危險特性、重要性大小，并根據(jù)評價結(jié)果，確定進一步評價的對象。常用的評價方法有：危險度評價，道化學(xué)火災(zāi)、爆炸危險指數(shù)法，蒙德法，管道風(fēng)險評價等。

1.2.4 事故樹分析法（FTA）

FTA是從結(jié)果到原因找出與失效或災(zāi)害事故有關(guān)的各種因素之間因果關(guān)系和邏輯關(guān)系的分析法。對事故樹進行分析，即不考慮各事件發(fā)生概率大小，只考慮發(fā)生和不發(fā)生兩種情況，運用布爾代數(shù)化簡法求取事故樹的最小割集或最小徑集及其結(jié)構(gòu)重要度順序。通過事故樹分析，可以知道哪一個或哪幾個基本事件發(fā)生，頂上事件就一定發(fā)生；哪一個事件發(fā)生對頂上事件影響大，哪一個影響小，從而可以采取經(jīng)濟有效的措施，防止發(fā)生事故。

1.2.5 定量風(fēng)險評價法（QRA）

QRA是通過對系統(tǒng)或設(shè)備失效概率和失效后果的嚴(yán)重程度進行評價，從數(shù)量上說明被評價對象的危險等級，精確描述系統(tǒng)的危險性。該方法自1974年拉姆遜教授（Rasmussen）評價美國民用核電站的安全性開始，在風(fēng)險評價尤其是石油化工領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。QRA的核心是評價區(qū)域內(nèi)的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險，通過評價結(jié)果是否符合風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)，來判定項目是否可接受，并提出有助于降低風(fēng)險的措施。

目前，在國內(nèi)安全評價中主要采用的是前面4種方法，而QRA由于受到基礎(chǔ)資料、技術(shù)和資金成本的限制，在國內(nèi)還未完全普及，目前只是用于危險化學(xué)品重大危險源的安全評估，而在國外該方法已經(jīng)較為成熟，并形成了相應(yīng)的技術(shù)導(dǎo)則，運用到了所有工程建設(shè)項目的安全規(guī)劃中。

2 高含硫氣田開發(fā)的安全評價技術(shù)

由于高含硫氣田開發(fā)的主要危險性表現(xiàn)在H2S的毒性和腐蝕性，一旦發(fā)生事故，危害后果大，因此該類工程的安全評價在內(nèi)容和形式上都較其他工程項目有所不同。而且，川東北地區(qū)的高含硫氣田均位于山區(qū)，周邊居民分布具有整體分散和局部集中的特點，因此外部環(huán)境的影響也是個重要因素。下面就高含硫氣田安全評價的程序和方法進行分析。

2.1 高含硫氣田安全評價程序

針對高含硫氣田開發(fā)工程的特點，在進行安全評價時，應(yīng)對評價方法的選擇和方法的使用作針對性的調(diào)整。根據(jù)前面安全評價的基本程序以及存在的不足，對評價工作部分作了相應(yīng)調(diào)整（見圖2）。重點突出對工程的安全設(shè)計符合性評價和定量風(fēng)險評價以及事故發(fā)生后的減輕和應(yīng)急措施。

2.2 高含硫氣田開發(fā)安全評價方法

2.2.1 安全設(shè)計符合性評價

安全設(shè)計符合性評價作為一種定性評價，主要采用安全檢查表法對工程的安全設(shè)計進行檢查，針對高含硫氣田的特點，重點是對區(qū)域及平面布置的安全距離、工藝過程的安全設(shè)計、安全設(shè)施設(shè)備的配置和防腐措施等進行檢查。主要依據(jù)的是2003年以后我國安全和石油天然氣行業(yè)相繼頒布的十余項含硫和高含硫氣質(zhì)條件下工程設(shè)計、施工和生產(chǎn)運行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。

例如，對于鉆井工程設(shè)計的檢查，主要以AQ 2012－2007《石油天然氣安全規(guī)程》為基礎(chǔ)有針對性地選取AQ2016－2008《含硫化氫天然氣井失控井口點火時間規(guī)定》、AQ 2018－2008《含硫化氫天然氣井公眾安全防護距離》、SY 5974－2007《鉆井井場、設(shè)備、作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程》、SY／T 5431－2008《井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法》、SY 5480－2007《固井設(shè)計規(guī)范》和SY／T 6616－2005《含硫油氣井鉆井井控裝置配套、安裝和使用規(guī)范》等適合高含硫氣田鉆井的標(biāo)準(zhǔn)對井口周邊安全距離、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、固井設(shè)計和井控設(shè)計等進行檢查。地面工程方面則以2008年發(fā)布的SY／T 0612－2008《高含硫化氫氣田地面集輸系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》和SY／T 0611－2008《高含硫化氫氣田集輸管道系統(tǒng)內(nèi)腐蝕控制要求》以及2010年發(fā)布的SY／T 6779－2010《高含硫化氫氣田集氣站場安全規(guī)程》和SY／T 6780－2010《高含硫化氫氣田集輸管道安全規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)，對地面設(shè)施從材質(zhì)選擇、強度設(shè)計、集輸工藝和H2S防護等方面進行安全設(shè)計檢查。對檢查結(jié)果分類別進行分析，如：區(qū)域及平面布置合理性分析、安全設(shè)施設(shè)備配置完整性分析、線路走向合理性分析等。通過這種符合性評價可以找出工程設(shè)計中在安全方面的缺陷，提醒設(shè)計單位和建設(shè)單位注意，并給出措施及建議。

但是在政府及公眾所關(guān)心的安全距離問題上，除AQ 2018－2008《含硫化氫天然氣井公眾安全防護距離》根據(jù)氣井的不同等級，明確規(guī)定了井口的安全距離外，而SY／T 6779－2010《高含硫化氫氣田集氣站場安全規(guī)程》、SY／T 6780－2010《高含硫化氫氣田集輸管道安全規(guī)程》和SY／T 6781－2010《高含硫化氫天然氣凈化廠公眾安全防護距離》這3個標(biāo)準(zhǔn)都只建議性地給出了H2S平均含量為13%～15%（體積分?jǐn)?shù)）時，站場、管道和凈化廠的搬遷距離和應(yīng)急距離，在低于和高于這個范圍時組織專家技術(shù)論證后，可適當(dāng)減小或增大距離［5－7］。因此，這種方法就存在較大的主觀性和不確定性。

從上面分析可以看出，安全設(shè)計符合性評價作為一種定性評價方法，可以分析出工程設(shè)計中的不足，確保安全設(shè)施設(shè)計的完整性，對工程設(shè)計及運行管理具有一定指導(dǎo)意義，但不能為工程的安全規(guī)劃、發(fā)生事故時如何減輕影響和應(yīng)急管理提供科學(xué)、合理的建議。

2.2.2 高含硫氣田開發(fā)定量風(fēng)險評價

根據(jù)前面對定量風(fēng)險評價方法的介紹，該方法是通過計算事故后果影響范圍和事故發(fā)生概率來計算工程的安全風(fēng)險大小。因此，可以對整個氣田開發(fā)工程的安全性有個直觀和定量的認(rèn)識，并且對制定合理的安全距離和應(yīng)急距離，采取針對性的減輕風(fēng)險措施都有較強的指導(dǎo)意義。但是，由于高含硫氣田開發(fā)的規(guī)模較大，如果對每個井站、管線、凈化廠進行全面的定量風(fēng)險評價，工作量大、時間長，不利于政府部門和建設(shè)單位快速地對整個工程的安全風(fēng)險進行掌握，并且不能突出重點。因此，可以采用圖2的評價程序，通過對重大危險源和危險程度高或不可接受的單元進行定量風(fēng)險評價，來確定其事故影響范圍和風(fēng)險，然后通過概率計算得出整個工程的安全風(fēng)險。

由于川東北的高含硫氣田基本都位于山區(qū)，而目前國內(nèi)和國外所采用的定量風(fēng)險評價方法或軟件大都是基于平原地區(qū)的模型，因此傳統(tǒng)的定量風(fēng)險評價方法不能突出氣田的外部環(huán)境特征，不能得出較為真實的結(jié)果。為此，研究出了基于三維復(fù)雜地形的定量風(fēng)險評價技術(shù)，可以有針對性地對工程的風(fēng)險進行分析評價。

以一個高含硫井站為例，通過對其所在區(qū)域的地形進行幾何建模，建立模擬計算區(qū)域（見圖3），得出地面各監(jiān)控點H2S濃度隨時間的變化關(guān)系（見圖4），計算出各點毒性負(fù)荷，再根據(jù)該區(qū)域的氣象條件概率和事故概率，計算出該井站的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險，以確定拆遷距離。同時，還可以得出該區(qū)域內(nèi)任意一點H2S中毒死亡百分比與時間的關(guān)系曲線（見圖5），以便在事故時能及時確定疏散區(qū)域和時間。因此，通過這種定量風(fēng)險評價結(jié)果就可以制定出較為科學(xué)、合理的安全距離與應(yīng)急疏散距離。

由于我國石油天然氣行業(yè)沒有一個完整設(shè)備、管線的失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計，特別是缺乏在有H2S、CO2存在條件下的設(shè)備管線失效概率數(shù)據(jù)庫，因此給定量風(fēng)險分析帶來一定的困難。目前，國外的如：挪威船級社（DNV）、英國健康和安全局（HSE）和美國化工過程安全中心（CCPS）等均建立有失效數(shù)據(jù)庫。國內(nèi)一些安全研究機構(gòu)也正在對失效概率進行研究，例如對于井噴失控事故概率，在《含硫氣井定量風(fēng)險分析技術(shù)導(dǎo)則》征求意見稿中就提出了4.5×10－4次／年的概率值。目前，采取的方法是通過借鑒這些失效數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，作為基本失效概率，再根據(jù)美國石油學(xué)會API 581《基于風(fēng)險的檢驗》中提供的方法，結(jié)合國內(nèi)高含硫氣田開發(fā)工程的特點和管理水平，對基本失效概率進行修正，從而盡可能得出反映實際情況的設(shè)備、設(shè)施的失效概率。

另外，對于風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)，歐美、日本等一些國家和石油天然氣企業(yè)已經(jīng)建立有自己的標(biāo)準(zhǔn)。而我國除了2011年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒布的《危險化學(xué)品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（安監(jiān)總局第40號令）中，提出了危險化學(xué)品重大危險源的風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)外，沒有一個統(tǒng)一的或分行業(yè)的風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)。因此，針對這種情況，從2009年開始，開展了高含硫氣田開發(fā)風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)的研究，并提出了個人風(fēng)險界區(qū)內(nèi)1.5×10－3、界區(qū)外0.8×10－4和社會風(fēng)險1.4×10－3（N＝1），斜率為－1的最大可接受社會風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)以供參考。

3 結(jié) 論

（1）對目前安全評價程序進行分析，結(jié)合高含硫氣田開發(fā)的特點，提出了針對高含硫氣田開發(fā)的安全評價程序。

（2）提出了采用安全符合性評價和定量風(fēng)險評價方法作為高含硫氣田開發(fā)安全評價的主要方法，通過分析工程安全設(shè)計中的不足，安全設(shè)施設(shè)計的完整性、安全風(fēng)險可接受程度，來為工程的安全規(guī)劃和應(yīng)急管理提供科學(xué)、合理的建議。

（3）針對高含硫氣田外環(huán)境特點，提出了基于三維復(fù)雜地形的定量風(fēng)險評價技術(shù)，可以為以后的高含硫氣田開發(fā)安全評價提供借鑒。

［1］姜云.對天然氣凈化廠H2S安全防護問題的思考）［J］.石油與天然氣化工，2005，34（1）：70－71.

［2］劉盛兵，向啟貴，李競，等.現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警平臺在高含硫氣田應(yīng)急救援中的應(yīng)用）［J］.石油與天然氣化工，2011，40（5）：527－530，432.

［3］常宏崗，熊鋼，大型高含硫氣田安全開采及硫磺回收技術(shù)）［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（12）：85－91.

［4］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，安全評價（上冊）［M］，第3版.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

［5］國家能源局.SY／T 6779－2010高含硫化氫氣田集氣站場安全規(guī)程［S］.石油工業(yè)出版社，2010－12－15.

［6］國家能源局.SY／T 6780－2010高含硫化氫氣田集輸管道安全規(guī)程［S］.石油工業(yè)出版社，2010－12－15.

［7］國家能源局.SY／T 6781－2010高含硫化氫天然氣凈化廠公眾安全防護距離［S］.石油工業(yè)出版社，2010－10－01.