張哲 ,徐長(zhǎng)峰,趙勇,陳月娥,張新鵬
1.中國(guó)石油新疆油田儲(chǔ)氣庫(kù)有限公司,新疆克拉瑪依834000
2.中油(新疆)石油工程有限公司,新疆克拉瑪依834000
地下儲(chǔ)氣庫(kù)具有儲(chǔ)存量大,調(diào)峰范圍廣,經(jīng)濟(jì)合理,供氣安全等優(yōu)點(diǎn),因而越來(lái)越受到許多國(guó)家的重視。
世界第一座成功建成的儲(chǔ)氣庫(kù)是1916 年美國(guó)利用紐約州Zoar 氣田建設(shè)的氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)[1],根據(jù)天然氣聯(lián)盟統(tǒng)計(jì),截至2022 年底,全球共有儲(chǔ)氣庫(kù)689 座,工作氣量4 165×108m3。其中,氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)463 座,工作氣量為3 084×108m3、占總量的74.04%[2]。截至2021 年底,中國(guó)在役儲(chǔ)氣庫(kù)僅有29 座,工作氣量為146×108m3,其中,氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)25 座,工作氣量136×108m3,占總工作氣量的92.6%[3]。與國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)百年發(fā)展歷史相比,中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)總體上仍處于初級(jí)階段。
地下儲(chǔ)氣庫(kù)是天然氣安全保供的主要儲(chǔ)氣設(shè)施,也是國(guó)家能源安全保障的重要組成部分,能切實(shí)解決天然氣的季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急供氣問(wèn)題[4-7]。但儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)容易受到地質(zhì)災(zāi)害、斷層活動(dòng)、套管腐蝕損害和設(shè)備故障等因素的不良影響,降低氣庫(kù)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)與運(yùn)行的安全問(wèn)題至關(guān)重要[8-10]。為此,以國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)事故的統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ),通過(guò)開(kāi)展典型氣庫(kù)事故案例分析,總結(jié)出國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)的事故經(jīng)驗(yàn),以期對(duì)中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)事故預(yù)防、處置等方面提供有效建議,保障中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)的安全運(yùn)行。
國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)發(fā)展至今,在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、事故處理及應(yīng)急預(yù)案管理等方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)[11-12]。本文從2016 年Global Security Sciences Division 發(fā)布的國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出發(fā),分析不同類型儲(chǔ)氣庫(kù)事故發(fā)生概率與主要因素,重點(diǎn)剖析枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的事故危害。
基于《U.S.natural gas storage risk-based ranking methodology and results》對(duì)美國(guó)截至2016 年天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[13],地下儲(chǔ)氣庫(kù)共發(fā)生事故215 起,見(jiàn)圖1。其中,氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)生事故136 起,占總事故比例63%;含水層和鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)分別發(fā)生事故52 起和27 起,占比為24% 和13%(圖1)。顯然,枯竭氣藏改建的儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)生事故的概率最大。
圖1 美國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)事故發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistical chart of accidents in UGS in the United States
美國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)施發(fā)生事故公開(kāi)數(shù)據(jù)較少。據(jù)目前統(tǒng)計(jì),儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)施發(fā)生重大事故的頻率為每個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)施每年發(fā)生(8.4~60.0)×10?3次,或每167~1 190 a 發(fā)生一次。假設(shè)美國(guó)有418 個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)施(其中,390 個(gè)處于運(yùn)行狀態(tài)),相當(dāng)于美國(guó)每4個(gè)月至3 a 發(fā)生一次重大事故,每年平均發(fā)生1.4起事故。該估計(jì)值可與FERC 提供的信息進(jìn)行比較,即2013—2016 年,有7 起儲(chǔ)氣庫(kù)相關(guān)事件導(dǎo)致天然氣中斷,或每年約1~2 起事件。根據(jù)過(guò)去5 a(2011—2015 年)的PHMSA 數(shù)據(jù),平均每年向美國(guó)交通部(DOT)報(bào)告約8 起事故。
目前,儲(chǔ)氣庫(kù)事故主要包括地面設(shè)施損壞、圈閉密封性失效和井筒完整性失效3 類。本次統(tǒng)計(jì)了215 起事故,由地面工程設(shè)施損壞導(dǎo)致的儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故85 起,占比39%;由儲(chǔ)層改造和圈閉密封性破壞導(dǎo)致的儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故68 起,占比32%;由固井水泥環(huán)松動(dòng)、生產(chǎn)套管形變及腐蝕穿孔等因素導(dǎo)致的儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故45 起,占比21%;其他因素導(dǎo)致的儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故占比僅8%(圖2)。
圖2 儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故分類統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Classification statistical chart of leakage accidents of UGS
歐洲儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)施發(fā)生事故公開(kāi)數(shù)據(jù)不多。2008年,英國(guó)政府HSE 部門(mén)發(fā)布了《地下儲(chǔ)氣庫(kù)失效速率分析》報(bào)告。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2007 年,全球儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)生了64 起故障問(wèn)題。其中,鹽穴27 起,含水層16 起,枯竭油氣田16 起,其他類型5 起。文獻(xiàn)報(bào)道僅有8 例與儲(chǔ)氣庫(kù)有關(guān)的死亡事件,其中,約61 人受傷,大約6 700 人被疏散。在16 起枯竭油氣田故障中,6 起是由于儲(chǔ)層失效引起,5 起為油井失效,3 起由地面基礎(chǔ)設(shè)施引起,其他原因2 起。
文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的215 起事故中,由儲(chǔ)氣庫(kù)井筒完整性失效或地面設(shè)施損壞導(dǎo)致的事故,監(jiān)測(cè)難度低且具有相對(duì)完善的應(yīng)急處置措施,造成的危害性小[14-15]。相較于上述兩類儲(chǔ)氣庫(kù)事故,氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)由圈閉密封性破壞導(dǎo)致的儲(chǔ)氣庫(kù)泄漏事故,監(jiān)測(cè)難度大,危害性強(qiáng)(表1)。位于美國(guó)加州的洛杉磯儲(chǔ)氣庫(kù),始建于1962 年,后受注水開(kāi)發(fā)影響,破壞了圈閉的密封性,1985 年3 月,該氣庫(kù)中天然氣沿著開(kāi)啟的斷裂縫隙運(yùn)移至地表,引發(fā)爆炸事故,波及范圍達(dá)1.6 km,23 人燒傷[16-17]。
表1 國(guó)外典型儲(chǔ)氣庫(kù)事故概覽表Tab.1 Overview of typical cases of foreign UGS accidents
2.1.1 PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)基本信息概況
Playa del Rey(PDR)氣田位于洛杉磯盆地西部[18],距洛杉磯市中心西南17.6 km,在距離PDR氣田80 km 范圍內(nèi)發(fā)育多條正斷層,氣田東部發(fā)育有紐波特?cái)嗔押陀⒏駹栁榈聰嗔?,西部區(qū)域發(fā)育帕洛斯弗迪斯正斷層。該氣田投產(chǎn)于1930 年,經(jīng)過(guò)12 a 高效開(kāi)發(fā),迅速進(jìn)入衰竭開(kāi)采階段,于1943 年改建為地下儲(chǔ)氣庫(kù),建庫(kù)層為T(mén)opanga 砂巖,埋藏深度約1 830 m,庫(kù)容量4.0×108m3。
截至文獻(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)前,PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)過(guò)近75 a注采運(yùn)行,鉆探不同類型生產(chǎn)井54 口,其中,注采井25 口,污水回注井8 口,圈閉密封性監(jiān)測(cè)井共18口,生產(chǎn)運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井3 口。
2.1.2 潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)
大量研究觀察表明,PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)中天然氣隨開(kāi)啟的斷裂縫隙或廢棄井筒滲透至地表(圖3)[19]。首先,建庫(kù)區(qū)在大雨之后積水中、在建庫(kù)區(qū)西部濱海淺水區(qū)及位于淺水區(qū)廢棄井口,均能夠觀察到冒泡現(xiàn)象;其次,PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)的密封性監(jiān)測(cè)井,監(jiān)測(cè)到上覆滲透層出現(xiàn)溫度壓力異常變化。通過(guò)對(duì)上述3 個(gè)區(qū)域及上覆滲透層氣體樣品分析表明,泄漏氣體與PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)中天然氣性質(zhì)一致。
圖3 PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣泄漏路徑示意圖Fig.3 Schematic diagram of natural gas leakage path of PDR UGS
2.1.3 泄漏原因分析
造成該事故的主要原因包括兩方面,一是高強(qiáng)度注采運(yùn)行破壞了斷層的密封性,淺層監(jiān)測(cè)井的溫度和壓力記錄數(shù)據(jù)表明,由于超負(fù)荷注氣,PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)在建設(shè)階段便有天然氣沿開(kāi)啟的斷裂運(yùn)移至上覆Pico 砂巖儲(chǔ)層;二是多周期注采運(yùn)行破壞了廢棄老井的井筒完整性,氣體沿著廢棄井的管柱運(yùn)移至地表(圖3)。初步估算每年由PDR 儲(chǔ)氣庫(kù)沿著井筒和開(kāi)啟裂縫泄漏至地表的天然氣約280×104m3[19]。
2.2.1 Aliso Canyon 儲(chǔ)氣庫(kù)基本信息
Aliso Canyon 儲(chǔ)氣庫(kù)位于加利福尼亞州洛杉磯西北約50 km 的圣蘇珊娜山,于1973 年正式投產(chǎn),運(yùn)營(yíng)商為南加州天然氣公司。該儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)層為Sesnon-Frew,埋藏深度2 164~2 865 m,含氣面積15 km2,共有注采井115 口,庫(kù)容量243×108m3,工作氣量117×108m3,庫(kù)容規(guī)模排名全美第五,占加州天然氣總儲(chǔ)量的23%[8]。
2.2.2 事故經(jīng)過(guò)
2015-10-23,南加州天然氣公司接到Aliso Canyon 儲(chǔ)氣庫(kù)周邊居民反饋的天然氣泄漏信息,迅速組織現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員,開(kāi)展天然氣泄漏原因排查,認(rèn)定注采井SS–25 井套管破損,引發(fā)天然氣泄漏。造成該事故的主要原因:(1)注采管柱受地層水腐蝕影響,導(dǎo)致套管破裂;(2)生產(chǎn)套管出現(xiàn)機(jī)械性磨損,導(dǎo)致完整性失效;(3)注采井缺乏防腐蝕保護(hù)裝置與連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[20]。
SS–25 井天然氣泄漏事故是美國(guó)歷史上最大的天然氣泄漏事故,預(yù)估泄漏天然氣1.3×108m3,疏散居民1.1 萬(wàn)人,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約3.3 億美元,總損失達(dá)到10.0 億美元,給當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活帶來(lái)了極大的安全隱患[21-22]。
2.2.3 事故應(yīng)對(duì)措施
南加州天然氣公司針對(duì)Aliso Canyon 儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣泄漏事故,主要從以下3 個(gè)方面應(yīng)對(duì)處理。
(1)建立空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)。建立了由8 個(gè)固定空氣監(jiān)測(cè)站構(gòu)成的監(jiān)測(cè)網(wǎng),并開(kāi)展了緊急采樣分析,連續(xù)測(cè)量空氣中甲烷、硫化氫、總硫度以及苯化物的含量。
(2)組織開(kāi)展救援井鉆探。首先,向SS–25 井中注入一定濃度的鹽水,利用靜水柱壓力封堵泄漏部分,但壓井失?。黄浯?,考慮增強(qiáng)井口結(jié)構(gòu)措施達(dá)到封堵目的,由于泄漏井中氣柱壓力大,導(dǎo)致泄漏井的井口裝置被炸毀,封堵失??;最后,側(cè)鉆一口直達(dá)SS–25 井井底的救援井,并向泄漏部位注入泥漿,對(duì)事故井實(shí)現(xiàn)永久性封堵[23]。
(3)事發(fā)企業(yè)、政府部門(mén)和救援機(jī)構(gòu)3 方聯(lián)動(dòng)合作。事發(fā)企業(yè)從技術(shù)層面開(kāi)展SS–25 井的封堵工作;政府部門(mén)協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)鼐用袷枭⒐ぷ?,確保公眾安全;救援機(jī)構(gòu)采用高塔、飛機(jī)和衛(wèi)星等手段收集井場(chǎng)周圍空氣樣本,連續(xù)測(cè)量空氣中天然氣濃度和天然氣泄漏速率[24]。綜合制定救援應(yīng)急方案和保護(hù)措施,為實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效封堵提供重要保障。
2.3.1 基本信息概況
Rough 儲(chǔ)氣庫(kù)位于英國(guó)東部濱海淺水區(qū),距離英國(guó)約克郡東海岸29 km[25],是全球唯一一座位于海上的天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)。建庫(kù)區(qū)平均水深38 m,運(yùn)營(yíng)商為Centrica Storage Limited(CSL)。該儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)層為二疊系砂巖,埋藏深度2 743 m,平均有效厚度29 m,孔隙度12.5%,滲透率75 mD[20]。考慮該儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)地理位置的特殊性,設(shè)計(jì)運(yùn)行上限壓力僅為氣藏原始地層壓力的68%(上限壓力20.7 MPa),庫(kù)容量31×108m3,約占英國(guó)總儲(chǔ)氣庫(kù)規(guī)模的70%。
Rough 儲(chǔ)氣庫(kù)1985 年改建,該儲(chǔ)氣庫(kù)共有注采井30 口(含報(bào)廢井1 口),海上工作平臺(tái)5 座,經(jīng)過(guò)30 多年注采運(yùn)行,部分設(shè)備存在嚴(yán)重的安全隱患。2017 年6 月,CSL 公司對(duì)該儲(chǔ)氣庫(kù)部分設(shè)備改造升級(jí)失敗,宣布永久性停止Rough 儲(chǔ)氣調(diào)峰功能。
2.3.2 事故經(jīng)過(guò)
2006-02-16,Rough 儲(chǔ)氣庫(kù)Bravo 3B 平臺(tái)發(fā)生爆炸,并引發(fā)火災(zāi)。事故導(dǎo)致31 名工作人員緊急撤離,其中,2 名人員被燒傷。事故發(fā)生后,CSL 公司停止了Bravo 和Alpha 平臺(tái)的生產(chǎn)工作,并組織25 名工作人員開(kāi)展Bravo 平臺(tái)的滅火工作。
調(diào)查結(jié)果表明,造成該事故的根本原因是管殼式換熱器(冷卻器單元)結(jié)構(gòu)性損壞。由于乙二醇脫水裝置失效,引發(fā)冷卻高壓氣體裝置的鈦金屬外殼破損,大量高壓氣體被釋放,導(dǎo)致爆炸并引發(fā)火災(zāi)。預(yù)估本次事故造成經(jīng)濟(jì)損失約4 000 萬(wàn)英鎊。
2.3.3 事故應(yīng)對(duì)措施
CSL 公司為了有效控制泄漏事故的蔓延,同時(shí)最大限度減少經(jīng)濟(jì)損失,主要從人員救治、升級(jí)平臺(tái)設(shè)備、恢復(fù)運(yùn)行及完善安全救援設(shè)備等方面應(yīng)對(duì)Bravo 3B 平臺(tái)的泄漏事故。
(1)人員救治。事故爆發(fā)后,政府部門(mén)和航空救援中心,調(diào)配了2 架直升機(jī)和若干船只前往事故現(xiàn)場(chǎng),轉(zhuǎn)移被困人員和傷員共31 人。CSL 組織現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍,首先對(duì)泄漏裝置實(shí)施降壓處理與封堵作業(yè),防止天然氣進(jìn)一步外泄,隨后開(kāi)展平臺(tái)的滅火工作。
(2)升級(jí)Bravo 平臺(tái)設(shè)備。CSL 公司評(píng)估了Bravo 3B 平臺(tái)破壞情況,并制定了相應(yīng)的升級(jí)改造方案。首先,修復(fù)了平臺(tái)電力供應(yīng)系統(tǒng)與所有損壞的鋼架結(jié)構(gòu);其次,更換了注氣壓縮機(jī)主要控制套件,升級(jí)了瓦斯監(jiān)測(cè)和滅火系統(tǒng);最后,重新設(shè)計(jì)了兩個(gè)冷卻器設(shè)備。
(3)恢復(fù)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行。為了保障Rough 儲(chǔ)氣庫(kù)具有一定的儲(chǔ)氣規(guī)模,調(diào)整了儲(chǔ)氣庫(kù)注氣方案,采用Alpha 平臺(tái)雙壓縮機(jī)注氣,維持了該儲(chǔ)氣庫(kù)最低注氣需求。Bravo 平臺(tái)設(shè)備升級(jí)改造驗(yàn)收合格后,恢復(fù)該儲(chǔ)氣庫(kù)采氣功能,保障市場(chǎng)用氣需求。
(4)完善安全救援設(shè)備。CSL 公司與當(dāng)?shù)氐谌骄仍畽C(jī)構(gòu)簽訂了安全救援合同。合同內(nèi)容包括基礎(chǔ)救援設(shè)備(救生筏、救生衣和防護(hù)服)的供應(yīng)與維修、高空安全設(shè)備檢查、維護(hù)、逃生及救援等相關(guān)培訓(xùn)。
(1)應(yīng)重視氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)圈閉密封性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。儲(chǔ)氣庫(kù)密封性受地質(zhì)災(zāi)害、井筒完整性、注采氣強(qiáng)度及地面設(shè)備有效性等多因素影響。相較于含水層和鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù),氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)生天然氣泄漏事故的概率最高,造成的危害最大。
(2)選擇斷裂系統(tǒng)發(fā)育和老井分布密集區(qū)作為建庫(kù)區(qū)時(shí),選址評(píng)價(jià)應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展斷裂與老井密封性評(píng)價(jià)。以加利福尼亞地區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)事故為例,該區(qū)儲(chǔ)氣庫(kù)斷裂系統(tǒng)發(fā)育,構(gòu)造活動(dòng)頻繁,加之油氣藏枯竭后大部分生產(chǎn)井廢棄,未經(jīng)封堵處理,導(dǎo)致泄漏事故頻發(fā)。
中國(guó)正處于地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期,文章通過(guò)總結(jié)國(guó)外枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣泄漏事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),為中國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)安全生產(chǎn)管理提出以下建議。
(1)針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)往復(fù)注采特點(diǎn),制定地面設(shè)施和井工程建設(shè)與安全運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。
(2)建立以井點(diǎn)為基本單元,以微地震為核心的全生命周期儲(chǔ)氣地質(zhì)體監(jiān)測(cè)體系。
(3)參考中國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道應(yīng)急救援基地的建設(shè)模式,綜合考慮儲(chǔ)氣庫(kù)功能定位的特殊性與危險(xiǎn)性,建設(shè)國(guó)家級(jí)儲(chǔ)氣庫(kù)應(yīng)急救援基地。
(4)建立以政府部門(mén)為主導(dǎo),企業(yè)單位和第三方救援機(jī)構(gòu)相協(xié)同的三級(jí)聯(lián)動(dòng)救援機(jī)制,制定應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。
(5)以信息技術(shù)為基礎(chǔ),智能化監(jiān)測(cè)與預(yù)警為目標(biāo),建立儲(chǔ)氣庫(kù)智能化事故應(yīng)急體系和管控平臺(tái),保障儲(chǔ)氣庫(kù)安全生產(chǎn)。
(1)儲(chǔ)氣庫(kù)事故主要由圈閉密封性、井筒完整性和地面設(shè)施等失效引起,地面設(shè)施、井筒及圈閉發(fā)生事故頻率逐次減少,事故破壞程度逐次增加。
(2)斷裂系統(tǒng)密封性和氣藏老井完整性失效將誘發(fā)儲(chǔ)氣庫(kù)重大事故,因此,多周期交變載荷條件下斷裂發(fā)育和老井質(zhì)量對(duì)安全性影響應(yīng)作為庫(kù)址篩選評(píng)價(jià)的否決項(xiàng)。
(3)以井點(diǎn)為基礎(chǔ)、以微地震為核心的完備監(jiān)測(cè)體系必不可少,建立健全儲(chǔ)氣庫(kù)由地面至井筒再到地下(地面—井筒——地下)三位一體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期安全注采保駕護(hù)航。
(4)儲(chǔ)氣庫(kù)事故預(yù)警、救援、應(yīng)急必須有技術(shù)、有制度、有資源,形成多元化發(fā)展、多方有機(jī)協(xié)作和智能化管控模式,及時(shí)有效地控制和減小危害。