頁(yè)巖氣壓裂井場(chǎng)火災(zāi)智能預(yù)警及遠(yuǎn)控消防系統(tǒng)

摘要：大型酸化壓裂是頁(yè)巖氣田勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵施工工藝，受地理環(huán)境的限制，施工井場(chǎng)面積小，壓裂車組擺放緊湊，現(xiàn)場(chǎng)管線多、油路密集。壓裂施工中，由于長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷作業(yè)，壓裂車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器殼體溫度超過(guò)600℃，多次因管線漏油和油漬過(guò)多發(fā)生火災(zāi)事故，導(dǎo)致壓裂車組大面積著火甚至發(fā)生爆炸，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。針對(duì)壓裂施工火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)，中石化勝利石油工程有限公司研制了壓裂井場(chǎng)火災(zāi)智能預(yù)警及遠(yuǎn)控消防系統(tǒng)，集初期火災(zāi)預(yù)警、遠(yuǎn)程控制滅火于一體，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)險(xiǎn)情早發(fā)現(xiàn)、早處理、快處理，提升了頁(yè)巖氣壓裂施工的本質(zhì)化安全水平。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣; 酸化壓裂; 壓裂車; 火災(zāi)事故; 初期火災(zāi)預(yù)警; 遠(yuǎn)程控制滅火

1 ? 引言

大型酸化壓裂是頁(yè)巖氣田勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵施工工藝，與常規(guī)壓裂相比，頁(yè)巖氣壓裂施工規(guī)模大、設(shè)備設(shè)施多。頁(yè)巖氣田壓裂施工主要設(shè)備設(shè)施有：壓裂車18-20臺(tái)、儀表車2臺(tái)、混砂車2臺(tái)、混配車2臺(tái)、儲(chǔ)液罐45個(gè)、立式砂罐3個(gè)、高低壓流程管匯1套、發(fā)電機(jī)組1套，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施總資產(chǎn)達(dá)到近3億元。

自頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)以來(lái)，已發(fā)生多起壓裂設(shè)備著火事故，因現(xiàn)場(chǎng)消防系統(tǒng)配備落后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)火情初期預(yù)警，發(fā)生火災(zāi)后控制不及時(shí)，致使災(zāi)情擴(kuò)大化，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。2018年6月13日15時(shí)，國(guó)內(nèi)某石油公司壓裂施工中一臺(tái)壓裂車發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)兇猛，引燃周邊四臺(tái)壓裂車，現(xiàn)場(chǎng)采用滅火器、消防水槍撲救無(wú)效，直至17時(shí)30分消防車趕到后，火勢(shì)才得以控制，此時(shí)，距發(fā)生火情已2個(gè)多小時(shí)，五臺(tái)壓裂車被燒毀，直接經(jīng)濟(jì)損失4000余萬(wàn)元。

目前，壓裂井場(chǎng)普遍采用人工操作泡沫消防泵，搶險(xiǎn)人員攜帶消防水帶和水槍靠近著火區(qū)域進(jìn)行滅火，存在應(yīng)急反應(yīng)慢、控火、滅火效果差等缺點(diǎn)。同時(shí)，壓裂車發(fā)生火災(zāi)后，存在油箱爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，給搶險(xiǎn)人員的生命安全帶來(lái)極大的威脅。受限于頁(yè)巖氣田的地理?xiàng)l件，發(fā)生火災(zāi)后，即使及時(shí)報(bào)火警，因井場(chǎng)偏遠(yuǎn)、山路通行條件差，消防車也無(wú)法及時(shí)救援，最終導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)火災(zāi)撲救的最佳時(shí)期。

壓裂火災(zāi)隱患已成為制約國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣田大規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)的重要因素。針對(duì)壓裂施工的火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)，中石化勝利石油工程有限公司開(kāi)展了壓裂井場(chǎng)火災(zāi)預(yù)警消防技術(shù)研究，研制了火災(zāi)智能預(yù)警及遠(yuǎn)控消防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓裂井場(chǎng)火災(zāi)險(xiǎn)情及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速處理，保障了現(xiàn)場(chǎng)施工人員生命和財(cái)產(chǎn)安全，從本質(zhì)上提升了壓裂施工的消防安全水平。

2 ? 壓裂井場(chǎng)火災(zāi)智能預(yù)警及遠(yuǎn)控消防系統(tǒng)

火災(zāi)智能預(yù)警及遠(yuǎn)控消防系統(tǒng)是充分結(jié)合涪陵頁(yè)巖氣井場(chǎng)壓裂設(shè)備布局和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)對(duì)消防系統(tǒng)進(jìn)行的全新設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包括智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制消防系統(tǒng)兩部分，具有火災(zāi)初期預(yù)警、遠(yuǎn)程遙控滅火等功能，系統(tǒng)總體布局如圖1所示。

2.1 ?智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)主要應(yīng)用于對(duì)壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)車組及作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)火情探測(cè)和聲光報(bào)警，如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)火情，能第一時(shí)間探測(cè)并發(fā)出警報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速反應(yīng)、有效處置，將火災(zāi)險(xiǎn)情消滅在萌芽狀態(tài)。智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)主要由火焰探測(cè)器、火警集中信號(hào)采集計(jì)算機(jī)、組態(tài)圖形顯示裝置、火焰探測(cè)器及聲光報(bào)警器組成，如圖2所示?；鹧嫣綔y(cè)器設(shè)置在每輛壓裂車的兩側(cè)位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部位，確保發(fā)現(xiàn)初期火災(zāi)險(xiǎn)情。火警集中信號(hào)采集計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)收集、分析火焰探測(cè)器數(shù)據(jù)，如遇火情自動(dòng)啟動(dòng)位于壓裂施工區(qū)域四角位置的聲光報(bào)警器，向現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)出聲光報(bào)警。同時(shí)，將火災(zāi)險(xiǎn)情發(fā)生的位置傳送至組態(tài)圖形顯示裝置，現(xiàn)場(chǎng)人員可以第一時(shí)間確定著火點(diǎn)位置。另外，在施工區(qū)域周邊設(shè)置高清攝像頭進(jìn)行視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)死角監(jiān)控。

2.2 ?遠(yuǎn)程控制消防系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制消防系統(tǒng)由撬裝集成泡沫消防泵組和遠(yuǎn)控泡沫消防炮系統(tǒng)組成。撬裝集成泡沫消防泵組包括柴油機(jī)消防泵組、泡沫系統(tǒng)、泡沫罐，撬裝底座、報(bào)警警示系統(tǒng)等組成。遠(yuǎn)控泡沫消防炮系統(tǒng)由消防管網(wǎng)、4組遠(yuǎn)控消防炮塔組成，消防炮塔分別布置在壓裂機(jī)組的4個(gè)端角位置，消防炮噴射范圍覆蓋整個(gè)壓裂機(jī)組。消防泵組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)置在儀表車中，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)壓裂機(jī)組發(fā)生火情時(shí)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)柴油機(jī)消防泵組，遠(yuǎn)程遙控調(diào)整泡沫消防炮噴射方向和噴射角度，使其對(duì)準(zhǔn)著火位置進(jìn)行噴射滅火，達(dá)到快速撲滅火災(zāi)的目的。遠(yuǎn)程控制消防系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布局如圖3所示。

3 ? 壓裂井場(chǎng)消防滅火關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

3.1 ?消防管路設(shè)計(jì)

井場(chǎng)消防主管路采用無(wú)縫碳鋼管，每根之間采用法蘭螺栓連接;消防主管路與消防站、消防炮及轉(zhuǎn)彎處采用不銹鋼絲編制軟管進(jìn)行連接。

3.2 ?消防炮選型計(jì)算

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)壓裂機(jī)組的布局，壓裂機(jī)組占地面積為：30m×30m=900m2，所以消防炮的最大保護(hù)面積按900m2計(jì)算。壓裂現(xiàn)場(chǎng)易燃液體為柴油，屬于丙類液體。根據(jù)GB50151-2010《泡沫系統(tǒng)滅火設(shè)計(jì)規(guī)范》，丙類液體滅火用泡沫液種類選用6%型水成膜或成膜氟蛋白，滅火強(qiáng)度為6.0L/min.m2，滅火用混合液流量：900×6.0/60=90（L/S）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間位置情況及消防炮流量系列，選用4門25（L/S）的消防炮布置在壓裂機(jī)組的四個(gè)端角位置對(duì)機(jī)組進(jìn)行全覆蓋保護(hù)。

3.3 ?泡沫液儲(chǔ)存量計(jì)算

根據(jù)GB50151-2010《泡沫系統(tǒng)滅火設(shè)計(jì)規(guī)范》，丙類液體滅火時(shí)間取30min，混合比以6.5%計(jì)算，滅火用泡沫液用量：30×60×90×6.5%=10530（L）。壓裂現(xiàn)場(chǎng)需配備的泡沫罐容積≥10530（L）。

3.4 ?消防系統(tǒng)用水量計(jì)算

消防系統(tǒng)用水量：30×60×90×（1-6.5%）=151470（L）。壓裂現(xiàn)場(chǎng)需配備的消防水罐儲(chǔ)水量≥151470（L）。

4 ? 廠內(nèi)試驗(yàn)

4.1 ?各系統(tǒng)功能性試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制消防系統(tǒng)的功能，在試驗(yàn)場(chǎng)地搭建試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示，分別在不同位置放置火焰，進(jìn)行火情探測(cè)、聲光預(yù)警、遠(yuǎn)程控制滅火試驗(yàn)，驗(yàn)證了各設(shè)備是否能按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)功能要求，試驗(yàn)結(jié)果表明各系統(tǒng)均能正常工作，迅速發(fā)現(xiàn)火情，并快速撲滅，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 ?全系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康氖菫槟M頁(yè)巖氣壓裂井場(chǎng)出現(xiàn)火情的全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，在廠區(qū)按照壓裂現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備擺放要求進(jìn)行全景模擬試驗(yàn)，主要測(cè)試項(xiàng)目為火情探測(cè)、聲光預(yù)警、遠(yuǎn)程控制滅火等試驗(yàn)，所有設(shè)備及子系統(tǒng)均參與了此項(xiàng)試驗(yàn)，整個(gè)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中各系統(tǒng)反應(yīng)迅速、銜接可靠、快速撲滅了火情，達(dá)到了壓裂井場(chǎng)火災(zāi)預(yù)警、遠(yuǎn)程控制滅火的各項(xiàng)要求。

5 ? 結(jié)語(yǔ)

中石化勝利石油工程有限公司研發(fā)的壓裂井場(chǎng)火災(zāi)智能預(yù)警及遠(yuǎn)控消防系統(tǒng)，采用智能有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)及時(shí)預(yù)警火情，搶險(xiǎn)人員通過(guò)遠(yuǎn)程控制泡沫消防炮，在危險(xiǎn)區(qū)域外實(shí)施快速滅火，有效增強(qiáng)了頁(yè)巖氣大型壓裂井場(chǎng)消防安全保障能力，提高了壓裂作業(yè)的本質(zhì)安全性。

該系統(tǒng)完成了廠內(nèi)的全部功能性試驗(yàn)及聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。下一步將在壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的工業(yè)性試驗(yàn)。根據(jù)工業(yè)性試驗(yàn)的效果及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，逐步達(dá)到規(guī)模化推廣應(yīng)用要求。

該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)于國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣田大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義，具有良好的社會(huì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。

作者簡(jiǎn)介：

魏學(xué)成，高級(jí)工程師，1993年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）鉆井工程專業(yè)，中石化勝利石油工程有限公司安全副總監(jiān)兼安全環(huán)保處處長(zhǎng)，主要從事HSSE管理工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] ? ?周賢海，臧艷彬.涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣山地“井工廠”鉆井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2015（03） .

[2] ? ?張晉偉.關(guān)于涪陵頁(yè)巖氣田“井工廠”模式布置的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].化工管理，2015（13）.

[3] ? 崔安峰.“井工廠”壓裂地面設(shè)備配套技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].化工管理，2014（11）.