储气库建设与运行过程安全风险分析及对策研究

杜 民

(中国石油化工集团有限公司安全监管部,北京 100728)

相对于国外,国内储气库建设起步相对较晚,现阶段中国储气库建设虽初具规模,但与国外发达国家相比仍然存在显著差距,国内投产储气库的调峰能力仅占国内天然气消费量的约4%,远低于国际上11%的平均水平,尚不能满足国家经济发展和保障能源供应安全的需求[1]。为此,国务院及相关部委先后出台了系列指导意见,均明确提出要大力建设储气设施,增强天然气调峰能力。可以预见,国内储气库的建设将会迎来跨越式发展。在大规模的储气库建设过程中,如何安全高质量建设储气库以及如何管控好在役储气库的安全风险给企业带来了严峻的挑战。

1 储气库建设期安全风险分析

1.1 储气库钻井及井筒质量风险

储气库的建设期常伴随着各类安全风险,一旦失控将酿成重大事故。在储气库建设期间,钻井及井筒质量风险是一个突出风险[2]。钻井作业过程中经常会发生套管磨损、井漏等,如果控制不好,往往会衍生出其他类型的井下复杂情况,严重时可能造成卡钻、井喷等恶劣后果,导致不同程度的人员伤害、财产损失或社会舆论负面影响。2001年1月,美国堪萨斯州哈钦森(Hutchinson)镇的一盐穴储气库就发生了钻井致套管损坏导致的事故[3]。

储气库建设期间,井筒质量风险主要有两方面:一是新井固井质量风险。储气库具有建设成本高、寿命周期长(30～50年)、安全性要求苛刻等特点,对于井筒密封性和固井质量要求高。如果钻井施工过程中由于井眼轨迹控制不当、钻完井液选用不合理,造成井身结构不符合设计要求,将严重影响固井质量,进而影响整个库群的安全运行。二是老井封堵质量风险。国内储气库建库区老井多,井况千差万别,处理难度大,同时缺乏相应的规范和标准,存在一定安全风险。老井封堵主要集中在井筒、储层以及管外环空,如果封堵质量存在缺陷,会导致注入井筒的天然气向井口泄漏,可能最终酿成事故。我国文23储气库的文23-6x井,封堵工作历经3年,异常艰难。因此,钻井及井筒质量风险是储气库建设期的重点风险,对储气库的后续安全运行有着决定性影响作用。

1.2 地面设施建设施工风险

储气库地面工程包括注采井场、注采阀组或集配站、集注站、注采管网、生产调度中心等配套设施建设工程。地面工程涉及河流穿越,公路铁路穿越,山区、丘陵施工,土建工程,土石方爆破作业施工等。在整个施工过程由于现场作业风险辨识不到位、承包商管理不到位、人员违章/误操作、设备失效等原因,可造成物体打击、高处坠落、机械伤害、触电、火灾等人员伤亡、财产损失和社会负面影响事故。

储气库建设过程中设备、材料采购环节也存在一定的质控风险。设备、材料采购工作的质量同储气库工程建设全过程都有着密切的联系,会直接影响工程建设的质量和安全性。我国早期建成的储气库使用的双金属复合管,由于受制造工艺和焊接工艺水平限制,目前已出现不同程度的内衬塌陷变形情况。

2 储气库运行期安全风险分析

2.1 地质风险

对于油气藏型储气库来说,其易受到强注强采、交变应力影响,发生地层或井壁岩石松散、断层漏失、盖层及底托层漏失等地质问题,可能会引发严重的气体泄漏事故,造成人员伤亡或重大经济损失。我国板中北储气库设计工作气量10.97×108m3,目前一个周期的采气量仅达到6.4×108m3,已确认有部分天然气向西侧板814断块渗漏,造成安全隐患。从相关资料来看,国外也存在类似的事故案例,1975年美国一个地下储气库气体从气藏迁移至邻近区域并泄漏至地表(气体首先迁移至浅表地层,地表橡树砍伐后泄漏至地面)。

2.2 注采工艺风险

建设储气库注采井的主要目的是在天然气使用低峰时向储层大排量高强度注气,使用高峰时从储层大排量高强度采气。在此过程中存在以下两方面风险。

a) 易导致储气库内气体泄漏事故。注采气井在长期反复高强度的注采气过程中,油管、套管、水泥环、井下安全阀、封隔器等井下设施受到高压注气、循环载荷、地应力不均匀及腐蚀等多种因素作用,造成注采井或附件损坏,容易导致储气库内气体发生泄漏,酿成事故[4]。全球储气库事故主要原因之一就是与井筒安全屏障(如套管/封隔器等)和钻井相关的破损失效。2004年美国德克萨斯州莫斯布拉夫(Moss Bluff)储气库在运行期间就发生了由于套管破损导致天然气大量泄漏,进而导致火灾爆炸的事故。

b) 易导致环空带压。受使用时间长、套管腐蚀磨损、射孔等因素影响,套管强度和水泥环密封完整性均有不同程度下降,气井极易出现管内漏气、管外跑气和层间串气,进而导致环空带压,严重威胁储气库的安全运行[5]。储气库注采过程常为“大吞大吐”,造成气量超设计压力运行,环空带压会引发注入气体迁移,导致气体泄漏至地表,如遇明火,易引发火灾、爆炸、人员伤亡等事故。20世纪70年代,美国加州PDR地下储气库的废弃老井未经妥善处理,储库运行压力过高使气体迁移离开储层,导致环空压力过高,最终于2003年被迫关停。

相比国外储气库而言,我国储气库埋藏更深、运行压力上限更高,环空带压现象较为普遍。在对现役储气库的检查审核中也发现了这个问题。

2.3 地面设备设施完整性风险

根据美国能源资料协会(EIA)数据统计,截至2017年,与地下储气库相关的全球事件的报告总量为500余次,涉及泄漏或与地面相关的事件300余次,其中涉及地面站场设备的操作故障最多,贡献率超过50%。其风险主要包含以下几个方面。

a) 与外国储气库相比,中国储气库采出物组分复杂、注采压力高,采出气中含有大量的油和高矿化度水,介质腐蚀性强,在储气库“大进大出、循坏注采、介质腐蚀性强、压力高”的情况下,其地面设备,如往复式压缩机、泵、加热炉、阀门、工艺管道、储罐和仪表等容易发生失效,造成天然气泄漏、爆炸。美国加州和英国北海南部的2座储气库就曾发生过由于气体脱水处理装置失效造成的严重火灾爆炸事故。

b) 压力容器未定期检验、压缩机超负荷运转失效,振动等。2003年美国加州的一座储气库就发生过由于压缩机失效导致的天然气急剧泄漏事故,所幸未发生火灾爆炸。

c) 地面设备设施检维修作业误操作导致设备损坏。

d) 第三方活动或人为故意造成地面输气管网的破坏,导致天然气泄漏。

2.4 高含硫天然气风险

我国现役储气库多为非含硫型,运行安全性相对较高。但在华北地区的京58储气库群中,个别储气库由带油环的底水含硫凝析气藏改建而成,含硫化氢气藏原始浓度为570～1 300 mg/m3[6]。储气库注入的天然气一般为管输天然气,但当天然气从地下采出时,携带的井流物中就可能含有高浓度硫化氢。如果发生泄漏,而现场硫化氢检测不到位、防护措施设计不合理、现场应急处置不及时,就容易造成人员中毒或死亡事故。

对设备而言,硫化氢是导致管柱发生腐蚀的重要酸性气体之一。在潮湿的环境中,硫化氢使得管材结构壁厚减薄,强度降低,最终形成点状腐蚀缺陷。因此,需从储气库设计-建设-运行-废弃的全生命周期来通盘考虑,做好防护、监测和应急工作。

2.5 自然灾害风险

地震、山体滑坡对储气库的气密性和稳定性具有毁灭性破坏作用,容易造成储气库变形、垮塌,造成井筒破裂、甚至折断,引起井场设备毁坏、泄漏。此外,雷电、洪水、泥石流对注采井口、地面设备设施设也有一定的影响。

3 储气库建设与运行过程安全措施

3.1 制度措施

a) 各储气库应充分分析与油田业务在QHSE方面的差异,梳理储气库质量、安全、环保和职业健康方面的特殊性,明确要管什么、管到什么程度。各储气库应以“地质-井筒-地面”完整性技术为支撑,将完整性技术体系融入QHSE体系建设当中。

b) 储气库运行管理单位应结合现场实际,及时完善和修订相关操作规程,确保建设期和运行期施工管理规程、工艺、设备操作规程等健全,岗位员工日常作业有规可依。

c) 加强国内外储气库全生命周期安全技术标准的跟踪与学习,将标准要求纳入储气库QHSE体系。广泛吸收国内外的先进理念,提升储气库QHSE体系的先进性。

3.2 技术措施

a) 持续推进储气库地面设施风险评估、井筒完整性检测评价、地质体安全诊断等技术攻关研究,形成风险评估成套技术,并推广应用。

b) 深化动载荷下井筒及地面设施密封失效机理、在役管柱监检测评价及修复技术、地面注采设施安全状态监测及控制技术、地质体安全储气等研究,攻克在线智能风险预警与安全评估系统,搭建全系统数字化模拟平台,实现储气库的安全智能化运行,逐步形成储气库地质体、井筒和地面设施“三位一体”的安全监测和实时预警技术体系。

3.3 工程措施

a) 严抓工程设计环节,充分评估储气库地址构造,利用工程技术手段提升储气库的本质安全性,最大程度降低注采井的地质风险[7]。

b) 加强油藏型储气库的采出气气质组分研究(如硫化氢),研究物性变化原因,优化地上、地下处理工艺,调整设备设施内部结构,提高设备装置适应性(如防腐蚀)。

c) 加强注采方案设计,尽量将注气量的增减在短时间内趋于平缓,保障设备设施的安全运行。如发生环空带压的井,采取有效的放压措施或进行修井作业,封闭水泥环中的裂缝和窜流通道。

3.4 管理措施

a) 严抓质量管理,包括控制建设期设备、材料采购质量以及钻井过程、新井固井和老井封堵质量,不合格的要制定相应的措施确保其安全投用。

b) 加强地面设备设施巡检,可采用无人机巡线、重点位置实时视频高清监控等手段加强管线的日常巡查。

c) 严格落实检维修相关的各项规章制度,强化承包商管理,做好目视化管理、工作前安全分析、作业许可、现场监督检查等制度的落实。

d) 压实各层级QHSE培训主体责任,扎实推进培训内容规范化、方式多样化、管理信息化、监督日常化的工作机制,努力实施全覆盖、多手段、高质量的QHSE培训。

4 结语

在储气库大规模的建设和运行过程中,规模的高速扩张、复杂地质条件等对储气库的风险管控和安全运行带来了严峻的挑战。针对上述关键问题,深入研究分析了储气库在建设期和运行期的7类主要安全风险,并结合中国石油储气库安全管理经验,从制度、技术、工程、管理等方面提出了储气库建设与运行安全管理的长效对策措施,为安全高质量建设储气库,高效、低风险运行储气库提供了有力的技术支撑。