油气田压裂作业环节消防自保系统的设计

崔建林

（中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司采油气工程技术服务中心）

0 引言

油气水井压裂施工是油气田各类工程作业中规模最大的一种，需要十几台（套）甚至几十台（套）地面设备联合进行多工种、多工序、高压状态下的作业。因现场设备燃油、放喷油气、油基压裂液等易燃可燃物较多，压裂作业环节存在较大的火灾爆炸潜在风险；又因压裂施工地点基本远离市区，且道路通行普遍较为困难，遇火警社会消防力量往往不能及时赶到，因此必须立足于现场自救。结合油气田压裂作业环节火灾爆炸事故原因和施工作业特点，对如何进行初期火灾消防自救，立足于现有条件，探索设计了一套消防自保系统。

1 油气田压裂作业简介

油气田压裂作业是将具有一定黏度液体通过高压泵组高速注入目的地层，形成具有一定长度、宽度和高度的人工裂缝，并在裂缝中充填支撑剂，以改善地层渗流能力、提高单井油气产量和油气藏的最终采收率。

压裂设备主要包括压裂机组（压裂车、水泥车）、压裂供液车（供液罐车、清水罐车、供油罐车）、拉砂车（砂罐车）、混配车、供酸橇车、平衡车、仪表车和管汇车等。压裂施工为多工种联合作业，一般要经过压裂车循环、试压、小型测试、曲线分析、压裂、加入支撑剂、泵入顶替液等七道工序。压裂作业井场现场如图1所示。

图1 压裂作业井场

2 压裂作业火灾爆炸形式

压裂作业具有易燃易爆烃类油气介质多、设备工作区域高压高能聚集、井场用火用电交叉且连续作业的特点，而且井下环境具有不确定性，因此作业现场存在多种火灾爆炸因素，极易造成人员伤亡及巨大经济损失。火灾爆炸风险主要有以下几项［1］：

一是施工用油品泄漏。若压裂施工所需要的油品因罐装操作不当，会发生泄漏散失，在遇到火源或热源的情况下，易引起火灾爆炸。

二是放喷过程中的烃类气体闪爆。压裂施工后要进行井口放喷，井下喷出的油气混合烃类气体若因操作不当和风向因素，会弥漫于井场，当达到可燃气体爆炸浓度并遇点火源时，会引起闪爆。

三是压裂车组自燃。受井场大小限制（基本要求达到50 m×50 m），压裂车组停放间距普遍较小，十几台（套）甚至几十台（套）设备同时工作时，热量散发不充分，易引起车辆自燃。同时，发电机组、照明灯具、电器检测控制操作仪表等系统，如配置、操作、管理不当，会出现过负荷、过电流、短路等故障，极易引起压裂车组自燃。

四是油基压裂液泄漏。油基压裂液主要通过在原油或成品油（如柴油、煤油）的基液中加入增稠剂、交联剂交联而成。因基液中柴油、煤油的火灾危险性较高，一旦发生泄漏，遇到车辆排气管火花和设备散发高温，容易引起火灾。

五是压力容器、高压管道爆裂。压裂施工作业中当压力容器、高压管汇内的工作介质失去控制，容器、管道超压崩裂形成高速碎片，可击穿储油罐或车载油箱，油品泄漏发生火灾。

六是井喷失控。在重复压裂井、大型酸化压裂施工中，因压力高、金属反复遇酸腐蚀后强度降低，易出现井身结构破坏、管柱断脱、管道爆裂、井下工具异常等作业工程事故，以及压裂液配比不合理，放喷操作不当，均易引发井喷事故。

无论上述哪种情况，压裂作业火灾都是发生突然，强度猛烈，蔓延迅速。干粉灭火器在扑救这类初期火灾时，受喷射时间、喷射距离和燃烧区温度影响，往往会影响灭火效果。一般手提式灭火器喷射时间小于1 min，有效灭火时间仅10～20 s，而原油、天然气、柴油热值较高，在扑救过程中，燃烧区温度一般高于易燃可燃物的自燃点，会造成灭火不彻底而再次复燃，若辅与泡沫、水类灭火剂联用方式，可有效降低燃烧区温度，提高灭火效率。

3 压裂作业消防自保系统设计

为了改善干粉灭火器在压裂作业环节火灾扑救的局限性，结合压裂车组中有水源和动力源的有利条件，通过预敷设消防管网，增设泡沫发生装置和移动式泡沫枪、水枪，从而建立一套现场应对初期火灾的消防自救系统。

3.1 设计参数的确定

不同尺寸的汽车，其火场热流密度不同，造成火场平均热源功率和火灾载荷也不同。考虑到压裂环节火灾主要以压裂车组火灾为主，因此，以世界道路协会对大型货车火灾所对应的火灾规模推荐性取值来确定火灾规模，从而确定消防水及灭火剂供给强度。

大型货车燃烧参数如下［2］：车辆平均占地面积32.5 m2，火场平均热源功率75 MW，火场热流密度23.1×105J/（s·m2），最高温度 1 000～1 200 ℃，火灾载荷923.1 kg/m2。

3.1.1 供水强度的确定

面积小于200 m2的火灾现场，其供水强度可根据单位面积与单位时间的供水量计算；面积超过200 m2的火灾现场，可根据单位周长上单位时间的供水量来计算其供水强度。压裂作业环节火灾的起火面积一般在 100 m2以下，初起火灾一般在 1～2台车，因此其供水强度根据火灾面积计算。

对供水强度的影响因素还有火场热流密度，它是指在单位时间内，每平方米火场物质表面所析出的热量。根据火场热流密度和水吸热能力之间的关系来计算火场供水强度，计算公式为：

式（1）中：q——火场供水强度，L/（s·m2）；Q火——火场热流密度，J/（s·m2），取 23.1×105J/（s·m2）；Q水——水的吸热能力，J/L，一般取25.9×105J/L；η——喷射器具的灭火效率，室外条件下，灭火效率一般为70%～80%。

经计算，得出大型货车的理论火场供水强度为1.1～1.2 L/（s·m2）。

3.1.2 泡沫混合液供给强度的确定

压裂施工现场主要存在车载罐装柴油、润滑油、油基压裂液等可燃液体泄漏，以及井喷落地原油被点燃而发生的车辆火灾。根据GB 50151—2010《泡沫灭火系统设计规范》规定，当甲、乙、丙类液体泄漏导致的室外流淌火灾场所设置移动泡沫枪、泡沫炮系统时，应根据保护场所的具体情况确定最大流淌面积。当采用蛋白、氟蛋白泡沫时，其泡沫混合液供给强度不应小于6.5 L/（min·m2），连续供给时间应不小于15 min。

3.1.3 系统设计参数

（1）消防系统工作压力0.35～0.70 MPa；

（2）泡沫混合液供给强度 6.5 L/（min·m2）；

（3）3%泡沫液供给时间不小于15 min；

（4）消防供水强度 1.1～1.2 L/（s·m2）；

（5）冷却用水供给时间不小于15 min。

3.2 供剂车辆的选择

根据系统设计参数，首先要选择合适的供剂车辆。供酸橇车流量最大，但其工作介质为酸液，腐蚀性较强，如若使用必须进行清管，不符合初期应急快速反应的要求，故不采用；水泥车、压裂车因工作压力较高，远超出水枪、泡沫枪进口压力0.35～0.70 MPa的要求，故也不予采用。

混配车的供剂流量为113 L/s，工作压力不大于2 MPa。按照火场供水强度 1.1～1.2 L/（s·m2）和普通蛋白泡沫供给强度 6.5 L/（min·m2）计算，由于压裂施工时初期火灾燃烧面积一般在100 m2以下，同时发生2～3辆压裂车全面积燃烧的最不利情况，最大供水量仅需78～117 L/s，混配车的流量满足要求，故采用混配车供剂。

3.3 消防自保系统的配置

根据上述估算，理论上利用清水罐车和混配车配套，储存一定量的泡沫液，可以达到初期火灾扑救的要求。为了便于应急情况下的快速反应，在压裂车组外围边界布置消防供水管汇，在压裂环状管汇前端设置移动式消防自保系统，其平面布局见图2所示。

图2 消防自保系统压裂现场平面布局

3.3.1 冷却水枪配置数量的确定

一般压裂施工现场备有清水罐车2～3台，每台车储水量为13 000 L，可满足单支直径19 mm水枪进口压力0.35 MPa、有效射程17 m、流量7.5 L/s的要求［3］，持续供水时间为28 min，满足初期火灾处置时间要求。

按照单支直径19 mm水枪流量7.5 L/s，以及火场供水强度 1.1～1.2 L/（s·m2）进行估算，单支水枪可控制面积为6.25～6.82 m2。3辆压裂车燃烧全面积为97.5 m2，理论上需水枪14～16支。考虑到初期火灾特点，以及在车辆火灾中冷却水仅是作为降低燃烧区温度、减少热辐射对周边车辆影响的作用，故以1辆压裂车燃烧全面积32.5 m2为水枪配置依据，即4～5支水枪为宜。

3.3.2 空气泡沫枪配置数量的确定

单支PQ8空气泡沫枪的进口压力为0.70 MPa、流量8 L/s。根据《消防灭火救援》的规定，当泡沫枪的进口压力大于0.35 MPa时，普通蛋白泡沫发泡倍数可直接按6.25倍估算［4］。因此，单支PQ8空气泡沫枪的泡沫产生量为50 L/s。

每支PQ8空气泡沫枪（普通蛋白）能控制的燃烧面积为空气泡沫枪的泡沫产生量除以泡沫灭火供给强度。根据《消防灭火救援》规定，移动设备灭地面油品的泡沫灭火供给强度取值1.2 L/（s·m2）。因此，可得每支空气泡沫枪控制面积为 41.67 m2，以同时发生2～3辆压裂车全面积燃烧为假设情况，需配置PQ8空气泡沫枪2～3支。

3.3.3 普通蛋白泡沫液常备量估算

根据 GB 50151—2010《泡沫灭火系统设计规范》规定，室外流淌火灾场所设置泡沫枪系统时，泡沫混合液供给强度不小于6.5 L/（min·m2），连续供给时间不小于15 min。压裂施工初期火灾最大流淌面积一般小于100 m2，考虑现场布置和运输方便，采用混合比3%的普通蛋白泡沫液。经计算，泡沫液常备量为292.5 L。

3.3.4 消防自保系统设备组成

该系统包括 2台清水罐车、1台混配车、围绕压裂车组布置的直径100 mm的供水管道、6条直径65 mm的消防水带、4支直径19 mm消防水枪、2支PQ8型泡沫枪、1个两分水器、2个三分水器和1台泡沫储液罐容积为400～500 L的PY系列半固定式泡沫发生器。泡沫发生器工作压力为0.6～1.1 MPa，喷射距离为10 m，PY400、PY500两种规格泡沫发生器3%泡沫液喷射时间分别为25 min、30 min。

3.4 消防自保系统流程及测试

3.4.1 工作流程

压裂施工前，混配车使用清水以0.5 MPa泵压试压，试压合格后，敷设供水管道于压裂车组两端，并设置2个三分水器，各出2支消防水枪和1支泡沫枪，水枪与泡沫枪支线可以视火情调整，但干线水带需分别延伸至压裂车、井口、土油池处。

当火情发生后，压裂车停泵熄火，通知高压流程组关井泄压，确认压力为 0，并将供液切换成清水，再确认泡沫发生器、两分水器处于应急状态。混配车用清水开泵，泵压维持在 0.5～0.6 MPa，视初期火灾燃烧对象性质（可燃液体、落地原油或车辆）及火灾扑救阶段（初期灭火、冷却降温）等情况，开启泡沫发生器出泡沫灭火或出水冷却，并根据着火点所处方位打开两分水器左右端阀门。

3.4.2 测试实验

对混配车不同压力条件下的出水口来水时间、供水时间、水枪与泡沫枪射程等工况进行了测试实验，具体数据见表1。通过单支水枪与泡沫枪测试数据对比，各压力条件下，两分水器来水时间均小于10 s；混配车出口压力越高，水枪与泡沫枪流量越大、射程越远，在不小于0.5 MPa时，射程与流量可以满足最不利射点要求。因此，该系统完全满足油气田压裂环节初期火灾扑救。

表1 消防自保系统测试数据

3.5 消防自保系统分级

为了便于压裂现场初期火灾所需灭火剂储备，根据压裂施工一个车组内存在较高火灾风险的是压裂、混砂和仪表控制车辆，共计7～8台的实际情况，将消防自保系统保护压裂车组的数量分为三个级别：三级为保护1个压裂车组，二级为2～3个压裂车组，一级为3～5个车组。各级消防水和泡沫液储备量估算数据见表2。表2中，消防用水储备量按冷却用水供给时间15 min计，泡沫液储备量按3%泡沫液供给时间15 min计。

表2 消防自保系统各级消防灭火剂估算数据

以2台清水罐车、1台混配车和1套半固定式泡沫发生器组成的该系统，灭火能力可相当于1台泡沫消防车。当所保护级别每升高一级，所需的消防水和泡沫液储备量相应增加，为满足供剂流量和强度需求，系统内应增设清水罐车、混配车和半固定式泡沫发生器各1～2组。

4 结论

该系统利用现有压裂设备，且不影响压裂现场布局，仅适当增配泡沫发生器、水枪、泡沫枪等消防设备，就可以满足油气田压裂作业各区域的消防保护。由于事先完成了消防管路铺设，在应急情况下，可以快速形成灭火阵地，有效防止初期火灾蔓延扩大。

该系统已在重庆涪陵页岩气田山区缺水井场压裂施工现场投入运用，达到了预期目的。该系统简单、经济、实用，可为油气田压裂作业在消防安全防护方面提供参考和借鉴。