杜 民

(中國石油化工集團有限公司安全監(jiān)管部,北京 100728)

相對于國外,國內(nèi)儲氣庫建設(shè)起步相對較晚,現(xiàn)階段中國儲氣庫建設(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)儲氣庫的調(diào)峰能力僅占國內(nèi)天然氣消費量的約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)部委先后出臺了系列指導(dǎo)意見,均明確提出要大力建設(shè)儲氣設(shè)施,增強天然氣調(diào)峰能力?？梢灶A(yù)見,國內(nèi)儲氣庫的建設(shè)將會迎來跨越式發(fā)展。在大規(guī)模的儲氣庫建設(shè)過程中,如何安全高質(zhì)量建設(shè)儲氣庫以及如何管控好在役儲氣庫的安全風(fēng)險給企業(yè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 儲氣庫建設(shè)期安全風(fēng)險分析

1.1 儲氣庫鉆井及井筒質(zhì)量風(fēng)險

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

儲氣庫建設(shè)期間,井筒質(zhì)量風(fēng)險主要有兩方面:一是新井固井質(zhì)量風(fēng)險。儲氣庫具有建設(shè)成本高、壽命周期長(30～50年)、安全性要求苛刻等特點,對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)計要求,將嚴(yán)重影響固井質(zhì)量,進而影響整個庫群的安全運行。二是老井封堵質(zhì)量風(fēng)險。國內(nèi)儲氣庫建庫區(qū)老井多,井況千差萬別,處理難度大,同時缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),存在一定安全風(fēng)險。老井封堵主要集中在井筒、儲層以及管外環(huán)空,如果封堵質(zhì)量存在缺陷,會導(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)險是儲氣庫建設(shè)期的重點風(fēng)險,對儲氣庫的后續(xù)安全運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

儲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。在整個施工過程由于現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險辨識不到位、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、機械傷害、觸電、火災(zāi)等人員傷亡、財產(chǎn)損失和社會負(fù)面影響事故。

儲氣庫建設(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。設(shè)備、材料采購工作的質(zhì)量同儲氣庫工程建設(shè)全過程都有著密切的聯(lián)系,會直接影響工程建設(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 儲氣庫運行期安全風(fēng)險分析

2.1 地質(zhì)風(fēng)險

對于油氣藏型儲氣庫來說,其易受到強注強采、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)濟損失。我國板中北儲氣庫設(shè)計工作氣量10.97×108m3,目前一個周期的采氣量僅達(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年美國一個地下儲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

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

a) 易導(dǎo)致儲氣庫內(nèi)氣體泄漏事故。注采氣井在長期反復(fù)高強度的注采氣過程中,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)致儲氣庫內(nèi)氣體發(fā)生泄漏,釀成事故[4]。全球儲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)儲氣庫在運行期間就發(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。受使用時間長、套管腐蝕磨損、射孔等因素影響,套管強度和水泥環(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,進而導(dǎo)致環(huán)空帶壓,嚴(yán)重威脅儲氣庫的安全運行[5]。儲氣庫注采過程常為“大吞大吐”,造成氣量超設(shè)計壓力運行,環(huán)空帶壓會引發(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地下儲氣庫的廢棄老井未經(jīng)妥善處理,儲庫運行壓力過高使氣體遷移離開儲層,導(dǎo)致環(huán)空壓力過高,最終于2003年被迫關(guān)停。

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

2.3 地面設(shè)備設(shè)施完整性風(fēng)險

根據(jù)美國能源資料協(xié)會(EIA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,截至2017年,與地下儲氣庫相關(guān)的全球事件的報告總量為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)險主要包含以下幾個方面。

a) 與外國儲氣庫相比,中國儲氣庫采出物組分復(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,在儲氣庫“大進大出、循壞注采、介質(zhì)腐蝕性強、壓力高”的情況下,其地面設(shè)備,如往復(fù)式壓縮機、泵、加熱爐、閥門、工藝管道、儲罐和儀表等容易發(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、壓縮機超負(fù)荷運轉(zhuǎn)失效,振動等。2003年美國加州的一座儲氣庫就發(fā)生過由于壓縮機失效導(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

我國現(xiàn)役儲氣庫多為非含硫型,運行安全性相對較高。但在華北地區(qū)的京58儲氣庫群中,個別儲氣庫由帶油環(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,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、防護措施設(shè)計不合理、現(xiàn)場應(yīng)急處置不及時,就容易造成人員中毒或死亡事故。

對設(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,強度降低,最終形成點狀腐蝕缺陷。因此,需從儲氣庫設(shè)計-建設(shè)-運行-廢棄的全生命周期來通盤考慮,做好防護、監(jiān)測和應(yīng)急工作。

2.5 自然災(zāi)害風(fēng)險

地震、山體滑坡對儲氣庫的氣密性和穩(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、泥石流對注采井口、地面設(shè)備設(shè)施設(shè)也有一定的影響。

3 儲氣庫建設(shè)與運行過程安全措施

3.1 制度措施

a) 各儲氣庫應(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) 儲氣庫運行管理單位應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際,及時完善和修訂相關(guān)操作規(guī)程,確保建設(shè)期和運行期施工管理規(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) 加強國內(nèi)外儲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)要求納入儲氣庫QHSE體系。廣泛吸收國內(nèi)外的先進理念,提升儲氣庫QHSE體系的先進性。

3.2 技術(shù)措施

a) 持續(xù)推進儲氣庫地面設(shè)施風(fēng)險評估、井筒完整性檢測評價、地質(zhì)體安全診斷等技術(shù)攻關(guān)研究,形成風(fēng)險評估成套技術(shù),并推廣應(yīng)用。

b) 深化動載荷下井筒及地面設(shè)施密封失效機理、在役管柱監(jiān)檢測評價及修復(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)體安全儲氣等研究,攻克在線智能風(fēng)險預(yù)警與安全評估系統(tǒng),搭建全系統(tǒng)數(shù)字化模擬平臺,實現(xiàn)儲氣庫的安全智能化運行,逐步形成儲氣庫地質(zhì)體、井筒和地面設(shè)施“三位一體”的安全監(jiān)測和實時預(yù)警技術(shù)體系。

3.3 工程措施

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

b) 加強油藏型儲氣庫的采出氣氣質(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) 加強注采方案設(shè)計,盡量將注氣量的增減在短時間內(nèi)趨于平緩,保障設(shè)備設(shè)施的安全運行。如發(fā)生環(huán)空帶壓的井,采取有效的放壓措施或進行修井作業(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) 加強地面設(shè)備設(shè)施巡檢,可采用無人機巡線、重點位置實時視頻高清監(jiān)控等手段加強管線的日常巡查。

c) 嚴(yán)格落實檢維修相關(guān)的各項規(guī)章制度,強化承包商管理,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。

d) 壓實各層級QHSE培訓(xùn)主體責(zé)任,扎實推進培訓(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制,努力實施全覆蓋、多手段、高質(zhì)量的QHSE培訓(xùn)。

4 結(jié)語

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