煤层气开采过程安全风险分析

陈兵替 王建中 谢友友 刘 杰

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

煤层气开发属新兴行业,其作业程序复杂,工序较多,对其在开发中的危险因素和安全风险进行分析,找出其安全生产的客观规律,对如何进行安全管理有着重要的意义。

1 煤层气物理、化学属性分析

根据《石油天然气工程设计防火规范》(G B50183-2004)中可燃物质火灾危险性分类,煤层气的火灾危险等级为甲B类,其危险性主要表现为易燃性、易爆性、易扩散性等。

煤层气中的主要成份为甲烷,闪点为-188℃,最小点火能0.28mJ,引燃温度538℃。其爆炸极限范围为5.0%～15.0%(体积比),爆炸下限较低,泄漏到空气中易形成爆炸性混合物,遇明火或高热极易燃烧。

甲烷的密度比空气轻,是空气的0.55倍,故煤层气有较好的扩散性。

2 煤层气开发关键流程介绍及安全风险分析

煤层气的开发有一套与常规天然气开发有明显区别的钻井、采气、增产等专门技术。煤层气在煤层中的存在状态有三种：吸附态、溶解态和游离态,其中吸附态所占比例最大,煤层气的产出机理即排水-降压-解析-扩散-渗流,而天然气主要是靠自身的正压产出。因此,在煤层气开发过程中各作业环节发生井喷的概率相当小,安全风险也小。煤层气开采作业由钻前工程、钻井、测井、固井、射孔、压裂、排采、集输等诸多生产作业构成的一个大的产业体系,其作业流程图见图1,其大部分工作在野外分散进行,环境条件和工作条件都较为恶劣。

图1 煤层气开发流程图

2.1 钻前工程

钻前工程指开钻前的准备工程,包括踏勘井位、修筑道路、井架安装、钻机搬迁与安装、土方工程施工等,是整个钻井施工的基础工作。钻前工程质量关系到整个钻井施工的成败和安全。其主要危险因素有自然危害、高处坠落、起重伤害、物体打击、机械伤害、触电伤害、火灾、运输事故、坍塌事故等。

2.2 钻井工程

煤层气钻井工艺和石油钻井相似,都是在井眼钻成后,全井下生产套管、固井,然后通过射孔、压裂等工艺,最后达到采气的目的。其主要危险因素包括高处坠落或物体打击、顶天车、起重伤害、机械伤害、触电及电气火灾、井塌、井漏、井架倾倒或倾斜、火灾等。

2.3 测井工程

测井,即地球物理测井,它是利用电、声、热、放射性等物理原理,辨别地下岩石和流体性质的方法,它能直接为煤层气地质和工程技术人员提供各项资料和数据。其主要任务是：获取目标煤层的储层参数,包括：煤层埋深、厚度、结构,煤岩及煤质特征;研究气井的技术状况,如井斜、固井质量等。煤层气自然伽马测井主要利用的是放射性同位素示踪测井技术,其主要危险因素包括辐射伤人、放射源丢失或落井、车辆伤害、触电等。

2.4 固井工程

固井是钻井过程中的重要作业,目的是将套管固定在井内,把水和其他流体从井内替出,其分为下套管、注水泥浆、井口安装和套管试压三部分,其中管汇试压15MPa。其主要危险因素包括车辆伤害、机械伤害、物体打击、触电、井喷、井漏、高压伤害等。

2.5 射孔工程

射孔采用电缆输送,将射孔枪弹送至射孔层位,引爆射孔弹完成射孔,使井眼与地层相通。其主要危险因素包括射孔弹爆炸、触电及电气火灾、物体打击与机械伤害、车辆伤害。

2.6 压裂工程

压裂工程是利用水力作用,使煤层形成裂缝的一种方法,又称煤层水力压裂。其目的是对已完钻井的煤层进行压裂,增加煤储层导流能力,提高煤层气井产气量。所需设备包括砂罐车、混砂车、输砂器、管汇车、压裂泵车 (6～8台)、仪表车等(见图2),作业压力最高可达40MPa。主要危险因素有火灾、爆炸、高压伤害、车辆伤害、物体打击与机械伤害。

图2 压裂现场设备布置图

2.7 地面排采集输与增压处理工程

煤层气要实现商业化,还必须有相应的地面排采集输与增压处理工程等配套工程,包括装抽工程(采气工艺)、集输管线建设、场站建设等,其特点是集输密集,工艺流程长,并要求密闭和连续性长周期运转。在地面工程建设及工程完毕后的运行阶段,同样存在着各种类型的危险,如火灾、爆炸、管道破裂、车辆伤害等。

2.8 其他危险因素

煤层气开发中的危险因素除上述提到外,还有环境因素、质量因素等。

(1)环境因素

煤层气生产线长面广,涉及饮用水源地、生态敏感区、居民集中区、河库沿岸,所涉及的环境危害因素包括自然环境危害因素和社会环境因素,自然环境危害包括地震、地面沉降、洪水、雷电等;社会环境危害因素包括自然环境破坏和施工过程中的无意破坏、交叉作业带来的危害、不法分子的有意破坏、道路行驶中的危害以及政府和企业关系、工农关系等。

(2)工程质量因素

大量事实证明,安全事故多发生在生产过程中,而且许多安全问题的根源就是质量问题。煤层气开发过程中涉及到环节非常多,而且大部门工程都是靠承包方完成,因此工程建设中的质量问题不容忽视,不能让质量问题成为今后企业运营中的安全隐患。

3 煤层气开发生产对安全的要求

安全要求是指为了保障生产活动的安全顺利进行,针对生产特点及生产过程中潜在的不安全因素而提出的具体预防性要求。对一个具体的产业体系来讲,明确了本产业的安全要求,即相当于较全面地认识到本产业体系内事故的特点与类属,以及其危害性的大小。在煤层气开发生产中,通过以上分析,发生频率较高的事故可归纳为五类：

(1)由机械性外力的作用而造成的机械性事故。

(2)由机械、化学和热效应的联合作业而产生的小型火灾、爆炸事故。

(3)因人体接触或者接近带电物体而造成的电击或电伤事故,以及因电器设备异常发热而造成的烧毁设备事故等。

(4)因直接接触高温物体而造成的热伤害事故。

(5)因有毒或有腐蚀性的化学物质作用于人体而造成伤害或中毒的化学物质伤害事故;一般性的自然灾害事故,包括洪涝及大风等。

上述事故均属于常见事故,发生的几率高,企业应在日常的安全管理中提出具体而可行的安全要求,并形成有关的规程和标准。

4 建议

煤层气的开发过程涉及内容广,环节多,安全监管复杂,跨度大。开发企业要实现安全生产、绿色生产,笔者建议,企业除了要解决人的不安全因素、设备不安全状态以及管理缺陷外,还应做好以下工作：

(1)当前情况下,鉴于煤层气开采技术工艺和天然气相似,在遵守国家已颁布的两个煤层气行业标准 (《煤层气地面开采防火防爆安全规程》和《煤层气集输安全规程》)的基础上,煤层气开发企业仍应参照石油天然气行业标准,并结合煤层气开发的特点,建立起本企业的安全管理标注及安全管理体系。

(2)煤层气开发过程中安全事故的预防与控制可以从安全技术、安全教育、安全管理三个方面入手,采取相应措施,而且三者要保持平衡。

(3)加强对工程承包商的安全管理

工程承包商的安全生产管理是实现项目安全生产的重要组成部分,首先要在合同中明确职责,对权利、义务应当进行详细规定;其次对承包商的资质进行严格审查,符合国家有关法律法规的要求;三是加强承包商监管工作;最后要提高承包商与甲方的应急联动能力,建立良好的合作关系,确保在紧急情况下共同建立联动机制,减少事故带来的损失。

(4)提高企业安全文化水平,营造良好的安全工作环境

安全文化是安全具体工作的一种提升,是每位员工对于安全工作的态度。在工作中,我们应该能够让每位员工清楚地认识到身边存在的各种隐患和事故的严重程度,要让员工敢于对违章行为说“不”。

[1] 崔凯华,郑洪涛.煤层气开采.北京：石油工业出版社,2009.

[2] 中国安全生产协会注册安全工程师工作委员会编[M].注册安全工程师考试教材.北京：中国大百科全书出版社,2008.

[3] 陈安标,郝建设,孙为民,王庆余,潘积鹏.油田企业HSE管理人员培训教材 [M].北京：中国石化出版社,2009.

[4] 中联煤层气有限公司.AQ1081-2010煤层气地面开采防火防爆安全规程.北京：煤炭工业出版社.2011.

[5] 中联煤层气有限公司.AQ1081-2010煤层气集输安全规程.北京：煤炭工业出版社,2011.