儲(chǔ)氣庫建設(shè)與運(yùn)行過程安全風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策研究

杜 民

(中國石油化工集團(tuán)有限公司安全監(jiān)管部,北京 100728)

相對(duì)于國外,國內(nèi)儲(chǔ)氣庫建設(shè)起步相對(duì)較晚,現(xiàn)階段中國儲(chǔ)氣庫建設(shè)雖初具規(guī)模,但與國外發(fā)達(dá)國家相比仍然存在顯著差距,國內(nèi)投產(chǎn)儲(chǔ)氣庫的調(diào)峰能力僅占國內(nèi)天然氣消費(fèi)量的約4%,遠(yuǎn)低于國際上11%的平均水平,尚不能滿足國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障能源供應(yīng)安全的需求[1]。為此,國務(wù)院及相關(guān)部委先后出臺(tái)了系列指導(dǎo)意見,均明確提出要大力建設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)施,增強(qiáng)天然氣調(diào)峰能力?？梢灶A(yù)見,國內(nèi)儲(chǔ)氣庫的建設(shè)將會(huì)迎來跨越式發(fā)展。在大規(guī)模的儲(chǔ)氣庫建設(shè)過程中,如何安全高質(zhì)量建設(shè)儲(chǔ)氣庫以及如何管控好在役儲(chǔ)氣庫的安全風(fēng)險(xiǎn)給企業(yè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 儲(chǔ)氣庫建設(shè)期安全風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 儲(chǔ)氣庫鉆井及井筒質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

儲(chǔ)氣庫的建設(shè)期常伴隨著各類安全風(fēng)險(xiǎn),一旦失控將釀成重大事故。在儲(chǔ)氣庫建設(shè)期間,鉆井及井筒質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)突出風(fēng)險(xiǎn)[2]。鉆井作業(yè)過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生套管磨損、井漏等,如果控制不好,往往會(huì)衍生出其他類型的井下復(fù)雜情況,嚴(yán)重時(shí)可能造成卡鉆、井噴等惡劣后果,導(dǎo)致不同程度的人員傷害、財(cái)產(chǎn)損失或社會(huì)輿論負(fù)面影響。2001年1月,美國堪薩斯州哈欽森(Hutchinson)鎮(zhèn)的一鹽穴儲(chǔ)氣庫就發(fā)生了鉆井致套管損壞導(dǎo)致的事故[3]。

儲(chǔ)氣庫建設(shè)期間,井筒質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)主要有兩方面:一是新井固井質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)氣庫具有建設(shè)成本高、壽命周期長(30～50年)、安全性要求苛刻等特點(diǎn),對(duì)于井筒密封性和固井質(zhì)量要求高。如果鉆井施工過程中由于井眼軌跡控制不當(dāng)、鉆完井液選用不合理,造成井身結(jié)構(gòu)不符合設(shè)計(jì)要求,將嚴(yán)重影響固井質(zhì)量,進(jìn)而影響整個(gè)庫群的安全運(yùn)行。二是老井封堵質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)儲(chǔ)氣庫建庫區(qū)老井多,井況千差萬別,處理難度大,同時(shí)缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。老井封堵主要集中在井筒、儲(chǔ)層以及管外環(huán)空,如果封堵質(zhì)量存在缺陷,會(huì)導(dǎo)致注入井筒的天然氣向井口泄漏,可能最終釀成事故。我國文23儲(chǔ)氣庫的文23-6x井,封堵工作歷經(jīng)3年,異常艱難。因此,鉆井及井筒質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)是儲(chǔ)氣庫建設(shè)期的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)儲(chǔ)氣庫的后續(xù)安全運(yùn)行有著決定性影響作用。

1.2 地面設(shè)施建設(shè)施工風(fēng)險(xiǎn)

儲(chǔ)氣庫地面工程包括注采井場、注采閥組或集配站、集注站、注采管網(wǎng)、生產(chǎn)調(diào)度中心等配套設(shè)施建設(shè)工程。地面工程涉及河流穿越,公路鐵路穿越,山區(qū)、丘陵施工,土建工程,土石方爆破作業(yè)施工等。在整個(gè)施工過程由于現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)不到位、承包商管理不到位、人員違章/誤操作、設(shè)備失效等原因,可造成物體打擊、高處墜落、機(jī)械傷害、觸電、火災(zāi)等人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)負(fù)面影響事故。

儲(chǔ)氣庫建設(shè)過程中設(shè)備、材料采購環(huán)節(jié)也存在一定的質(zhì)控風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備、材料采購工作的質(zhì)量同儲(chǔ)氣庫工程建設(shè)全過程都有著密切的聯(lián)系,會(huì)直接影響工程建設(shè)的質(zhì)量和安全性。我國早期建成的儲(chǔ)氣庫使用的雙金屬復(fù)合管,由于受制造工藝和焊接工藝水平限制,目前已出現(xiàn)不同程度的內(nèi)襯塌陷變形情況。

2 儲(chǔ)氣庫運(yùn)行期安全風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于油氣藏型儲(chǔ)氣庫來說,其易受到強(qiáng)注強(qiáng)采、交變應(yīng)力影響,發(fā)生地層或井壁巖石松散、斷層漏失、蓋層及底托層漏失等地質(zhì)問題,可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的氣體泄漏事故,造成人員傷亡或重大經(jīng)濟(jì)損失。我國板中北儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)工作氣量10.97×108m3,目前一個(gè)周期的采氣量僅達(dá)到6.4×108m3,已確認(rèn)有部分天然氣向西側(cè)板814斷塊滲漏,造成安全隱患。從相關(guān)資料來看,國外也存在類似的事故案例,1975年美國一個(gè)地下儲(chǔ)氣庫氣體從氣藏遷移至鄰近區(qū)域并泄漏至地表(氣體首先遷移至淺表地層,地表橡樹砍伐后泄漏至地面)。

2.2 注采工藝風(fēng)險(xiǎn)

建設(shè)儲(chǔ)氣庫注采井的主要目的是在天然氣使用低峰時(shí)向儲(chǔ)層大排量高強(qiáng)度注氣,使用高峰時(shí)從儲(chǔ)層大排量高強(qiáng)度采氣。在此過程中存在以下兩方面風(fēng)險(xiǎn)。

a) 易導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫內(nèi)氣體泄漏事故。注采氣井在長期反復(fù)高強(qiáng)度的注采氣過程中,油管、套管、水泥環(huán)、井下安全閥、封隔器等井下設(shè)施受到高壓注氣、循環(huán)載荷、地應(yīng)力不均勻及腐蝕等多種因素作用,造成注采井或附件損壞,容易導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫內(nèi)氣體發(fā)生泄漏,釀成事故[4]。全球儲(chǔ)氣庫事故主要原因之一就是與井筒安全屏障(如套管/封隔器等)和鉆井相關(guān)的破損失效。2004年美國德克薩斯州莫斯布拉夫(Moss Bluff)儲(chǔ)氣庫在運(yùn)行期間就發(fā)生了由于套管破損導(dǎo)致天然氣大量泄漏,進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)爆炸的事故。

b) 易導(dǎo)致環(huán)空帶壓。受使用時(shí)間長、套管腐蝕磨損、射孔等因素影響,套管強(qiáng)度和水泥環(huán)密封完整性均有不同程度下降,氣井極易出現(xiàn)管內(nèi)漏氣、管外跑氣和層間串氣,進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)空帶壓,嚴(yán)重威脅儲(chǔ)氣庫的安全運(yùn)行[5]。儲(chǔ)氣庫注采過程常為“大吞大吐”,造成氣量超設(shè)計(jì)壓力運(yùn)行,環(huán)空帶壓會(huì)引發(fā)注入氣體遷移,導(dǎo)致氣體泄漏至地表,如遇明火,易引發(fā)火災(zāi)、爆炸、人員傷亡等事故。20世紀(jì)70年代,美國加州PDR地下儲(chǔ)氣庫的廢棄老井未經(jīng)妥善處理,儲(chǔ)庫運(yùn)行壓力過高使氣體遷移離開儲(chǔ)層,導(dǎo)致環(huán)空壓力過高,最終于2003年被迫關(guān)停。

相比國外儲(chǔ)氣庫而言,我國儲(chǔ)氣庫埋藏更深、運(yùn)行壓力上限更高,環(huán)空帶壓現(xiàn)象較為普遍。在對(duì)現(xiàn)役儲(chǔ)氣庫的檢查審核中也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題。

2.3 地面設(shè)備設(shè)施完整性風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)美國能源資料協(xié)會(huì)(EIA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2017年,與地下儲(chǔ)氣庫相關(guān)的全球事件的報(bào)告總量為500余次,涉及泄漏或與地面相關(guān)的事件300余次,其中涉及地面站場設(shè)備的操作故障最多,貢獻(xiàn)率超過50%。其風(fēng)險(xiǎn)主要包含以下幾個(gè)方面。

a) 與外國儲(chǔ)氣庫相比,中國儲(chǔ)氣庫采出物組分復(fù)雜、注采壓力高,采出氣中含有大量的油和高礦化度水,介質(zhì)腐蝕性強(qiáng),在儲(chǔ)氣庫“大進(jìn)大出、循壞注采、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、壓力高”的情況下,其地面設(shè)備,如往復(fù)式壓縮機(jī)、泵、加熱爐、閥門、工藝管道、儲(chǔ)罐和儀表等容易發(fā)生失效,造成天然氣泄漏、爆炸。美國加州和英國北海南部的2座儲(chǔ)氣庫就曾發(fā)生過由于氣體脫水處理裝置失效造成的嚴(yán)重火災(zāi)爆炸事故。

b) 壓力容器未定期檢驗(yàn)、壓縮機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)失效,振動(dòng)等。2003年美國加州的一座儲(chǔ)氣庫就發(fā)生過由于壓縮機(jī)失效導(dǎo)致的天然氣急劇泄漏事故,所幸未發(fā)生火災(zāi)爆炸。

c) 地面設(shè)備設(shè)施檢維修作業(yè)誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞。

d) 第三方活動(dòng)或人為故意造成地面輸氣管網(wǎng)的破壞,導(dǎo)致天然氣泄漏。

2.4 高含硫天然氣風(fēng)險(xiǎn)

我國現(xiàn)役儲(chǔ)氣庫多為非含硫型,運(yùn)行安全性相對(duì)較高。但在華北地區(qū)的京58儲(chǔ)氣庫群中,個(gè)別儲(chǔ)氣庫由帶油環(huán)的底水含硫凝析氣藏改建而成,含硫化氫氣藏原始濃度為570～1 300 mg/m3[6]。儲(chǔ)氣庫注入的天然氣一般為管輸天然氣,但當(dāng)天然氣從地下采出時(shí),攜帶的井流物中就可能含有高濃度硫化氫。如果發(fā)生泄漏,而現(xiàn)場硫化氫檢測不到位、防護(hù)措施設(shè)計(jì)不合理、現(xiàn)場應(yīng)急處置不及時(shí),就容易造成人員中毒或死亡事故。

對(duì)設(shè)備而言,硫化氫是導(dǎo)致管柱發(fā)生腐蝕的重要酸性氣體之一。在潮濕的環(huán)境中,硫化氫使得管材結(jié)構(gòu)壁厚減薄,強(qiáng)度降低,最終形成點(diǎn)狀腐蝕缺陷。因此,需從儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)-建設(shè)-運(yùn)行-廢棄的全生命周期來通盤考慮,做好防護(hù)、監(jiān)測和應(yīng)急工作。

2.5 自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

地震、山體滑坡對(duì)儲(chǔ)氣庫的氣密性和穩(wěn)定性具有毀滅性破壞作用,容易造成儲(chǔ)氣庫變形、垮塌,造成井筒破裂、甚至折斷,引起井場設(shè)備毀壞、泄漏。此外,雷電、洪水、泥石流對(duì)注采井口、地面設(shè)備設(shè)施設(shè)也有一定的影響。

3 儲(chǔ)氣庫建設(shè)與運(yùn)行過程安全措施

3.1 制度措施

a) 各儲(chǔ)氣庫應(yīng)充分分析與油田業(yè)務(wù)在QHSE方面的差異,梳理儲(chǔ)氣庫質(zhì)量、安全、環(huán)保和職業(yè)健康方面的特殊性,明確要管什么、管到什么程度。各儲(chǔ)氣庫應(yīng)以“地質(zhì)-井筒-地面”完整性技術(shù)為支撐,將完整性技術(shù)體系融入QHSE體系建設(shè)當(dāng)中。

b) 儲(chǔ)氣庫運(yùn)行管理單位應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,及時(shí)完善和修訂相關(guān)操作規(guī)程,確保建設(shè)期和運(yùn)行期施工管理規(guī)程、工藝、設(shè)備操作規(guī)程等健全,崗位員工日常作業(yè)有規(guī)可依。

c) 加強(qiáng)國內(nèi)外儲(chǔ)氣庫全生命周期安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤與學(xué)習(xí),將標(biāo)準(zhǔn)要求納入儲(chǔ)氣庫QHSE體系。廣泛吸收國內(nèi)外的先進(jìn)理念,提升儲(chǔ)氣庫QHSE體系的先進(jìn)性。

3.2 技術(shù)措施

a) 持續(xù)推進(jìn)儲(chǔ)氣庫地面設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、井筒完整性檢測評(píng)價(jià)、地質(zhì)體安全診斷等技術(shù)攻關(guān)研究,形成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成套技術(shù),并推廣應(yīng)用。

b) 深化動(dòng)載荷下井筒及地面設(shè)施密封失效機(jī)理、在役管柱監(jiān)檢測評(píng)價(jià)及修復(fù)技術(shù)、地面注采設(shè)施安全狀態(tài)監(jiān)測及控制技術(shù)、地質(zhì)體安全儲(chǔ)氣等研究,攻克在線智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與安全評(píng)估系統(tǒng),搭建全系統(tǒng)數(shù)字化模擬平臺(tái),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫的安全智能化運(yùn)行,逐步形成儲(chǔ)氣庫地質(zhì)體、井筒和地面設(shè)施“三位一體”的安全監(jiān)測和實(shí)時(shí)預(yù)警技術(shù)體系。

3.3 工程措施

a) 嚴(yán)抓工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),充分評(píng)估儲(chǔ)氣庫地址構(gòu)造,利用工程技術(shù)手段提升儲(chǔ)氣庫的本質(zhì)安全性,最大程度降低注采井的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)[7]。

b) 加強(qiáng)油藏型儲(chǔ)氣庫的采出氣氣質(zhì)組分研究(如硫化氫),研究物性變化原因,優(yōu)化地上、地下處理工藝,調(diào)整設(shè)備設(shè)施內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高設(shè)備裝置適應(yīng)性(如防腐蝕)。

c) 加強(qiáng)注采方案設(shè)計(jì),盡量將注氣量的增減在短時(shí)間內(nèi)趨于平緩,保障設(shè)備設(shè)施的安全運(yùn)行。如發(fā)生環(huán)空帶壓的井,采取有效的放壓措施或進(jìn)行修井作業(yè),封閉水泥環(huán)中的裂縫和竄流通道。

3.4 管理措施

a) 嚴(yán)抓質(zhì)量管理,包括控制建設(shè)期設(shè)備、材料采購質(zhì)量以及鉆井過程、新井固井和老井封堵質(zhì)量,不合格的要制定相應(yīng)的措施確保其安全投用。

b) 加強(qiáng)地面設(shè)備設(shè)施巡檢,可采用無人機(jī)巡線、重點(diǎn)位置實(shí)時(shí)視頻高清監(jiān)控等手段加強(qiáng)管線的日常巡查。

c) 嚴(yán)格落實(shí)檢維修相關(guān)的各項(xiàng)規(guī)章制度,強(qiáng)化承包商管理,做好目視化管理、工作前安全分析、作業(yè)許可、現(xiàn)場監(jiān)督檢查等制度的落實(shí)。

d) 壓實(shí)各層級(jí)QHSE培訓(xùn)主體責(zé)任,扎實(shí)推進(jìn)培訓(xùn)內(nèi)容規(guī)范化、方式多樣化、管理信息化、監(jiān)督日?；墓ぷ鳈C(jī)制,努力實(shí)施全覆蓋、多手段、高質(zhì)量的QHSE培訓(xùn)。

4 結(jié)語

在儲(chǔ)氣庫大規(guī)模的建設(shè)和運(yùn)行過程中,規(guī)模的高速擴(kuò)張、復(fù)雜地質(zhì)條件等對(duì)儲(chǔ)氣庫的風(fēng)險(xiǎn)管控和安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對(duì)上述關(guān)鍵問題,深入研究分析了儲(chǔ)氣庫在建設(shè)期和運(yùn)行期的7類主要安全風(fēng)險(xiǎn),并結(jié)合中國石油儲(chǔ)氣庫安全管理經(jīng)驗(yàn),從制度、技術(shù)、工程、管理等方面提出了儲(chǔ)氣庫建設(shè)與運(yùn)行安全管理的長效對(duì)策措施,為安全高質(zhì)量建設(shè)儲(chǔ)氣庫,高效、低風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行儲(chǔ)氣庫提供了有力的技術(shù)支撐。