枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫事故分析及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

摘 要

摘要：目前世界上76.2%的地下儲(chǔ)氣庫是利用枯竭油氣藏改建而成的，影響該類儲(chǔ)氣庫安全問題的風(fēng)險(xiǎn)因素很多，機(jī)理復(fù)雜。為此，在儲(chǔ)氣庫事故資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，借鑒輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
摘要：目前世界上76.2%的地下儲(chǔ)氣庫是利用枯竭油氣藏改建而成的，影響該類儲(chǔ)氣庫安全問題的風(fēng)險(xiǎn)因素很多，機(jī)理復(fù)雜。為此，在儲(chǔ)氣庫事故資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，借鑒輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，歸納總結(jié)出了枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫存在注采井或套管損壞、注氣過程中氣體遷移和儲(chǔ)氣庫地面設(shè)施失效的三類主要事故類型，對(duì)儲(chǔ)氣庫系統(tǒng)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行12大類、33小類的初步分類，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素與時(shí)間的關(guān)系將風(fēng)險(xiǎn)分為依賴時(shí)間、穩(wěn)定不變以及隨機(jī)出現(xiàn)三種類型，進(jìn)而采用事故樹分析的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，排查并分析了造成主要事故類型失效的風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)主要事故風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了識(shí)別，提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序，為制訂枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫事故防范措施和安全管理決策提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：枯竭油氣藏；地下儲(chǔ)氣庫；事故；分析；分類；風(fēng)險(xiǎn)；識(shí)別；事故樹
    枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫能切實(shí)解決天然氣的季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急供氣問題[1～2]，但儲(chǔ)氣庫系統(tǒng)容易受到地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕、設(shè)備故障等風(fēng)險(xiǎn)的不良影響，降低其穩(wěn)定性和可靠性。儲(chǔ)氣庫的安全問題至關(guān)重要，然而目前關(guān)于枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫的風(fēng)險(xiǎn)研究未見報(bào)道。為此，以統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，開展了枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫事故分析及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別評(píng)價(jià)研究，有助于切實(shí)維護(hù)儲(chǔ)氣庫的安全運(yùn)行。
1 枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫事故統(tǒng)計(jì)
    根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[3～11]，全球枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫共發(fā)生過16起事故，如表1所示。
第一起被報(bào)道的枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫人員受傷事故發(fā)生在1997年，而氣體遷移事故自20世紀(jì)40年代起在美國(guó)加利福尼亞州的儲(chǔ)氣庫就已存在。全球枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫的事故發(fā)生率約為3%，且全部發(fā)生在天然氣儲(chǔ)存和注氣環(huán)節(jié)。由表1可知：造成人員受傷或疏散的事故有3起，約占事故總數(shù)的19%。美國(guó)為儲(chǔ)庫事故高發(fā)區(qū)，共計(jì)14起，約占事故總數(shù)的88%，而發(fā)生在加利福尼亞州的事故高達(dá)11起，占總數(shù)的69%。
表1 枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫事故概覽表
儲(chǔ)氣庫所在地
事故發(fā)生時(shí)間
事故描述
事故注釋
美國(guó)科羅拉多州
2006年10月
氣體泄漏，儲(chǔ)氣庫運(yùn)行中斷，當(dāng)?shù)?3戶家庭(共計(jì)52人)緊急疏散
注采井泄漏，固井質(zhì)量存在問題
英國(guó)北海南部
2006年2月
爆炸及火災(zāi)，2人受傷，31人緊急疏散
脫水裝置中的冷卻機(jī)組失效，引發(fā)爆炸
美國(guó)伊利諾伊州
1997年2月
爆炸及火災(zāi)，3人受傷
油田在儲(chǔ)氣庫區(qū)勘探鉆井過程中氣體遷移
德國(guó)巴伐利亞
2003年
注采井井筒環(huán)空壓力升高
固井質(zhì)量存在問題
美國(guó)加利福尼亞州
2003年4月
氣體泄漏約25min，并發(fā)生油氣混合
壓縮機(jī)組閥門破裂
美國(guó)加利福尼亞州
1975年
氣體從氣藏轉(zhuǎn)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
美國(guó)加利福尼亞州
1950～1986年
儲(chǔ)氣庫氣量損耗
儲(chǔ)氣庫氣體在注氣過程中發(fā)生遷移，1986年停止注氣，2003年關(guān)停儲(chǔ)庫
美國(guó)加利福尼亞州
1940年至今
儲(chǔ)氣庫氣體遷移
地質(zhì)構(gòu)造存在斷層，導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫氣體遷移至鄰近地區(qū)
美國(guó)加利福尼亞州
1993年10月
爆炸，造成200萬美元的經(jīng)濟(jì)損失
氣體托說處理裝置發(fā)生爆炸
美國(guó)路易斯安那州
1980～1999年
注氣量超負(fù)荷，注入氣體發(fā)生遷移
儲(chǔ)氣庫氣體在注氣過程遷移，儲(chǔ)庫仍維持運(yùn)行
美國(guó)加利福尼亞州
1974年
爆炸，火災(zāi)持續(xù)16d，氣量損耗
事故原因未明
美國(guó)加利福尼亞州
20世紀(jì)70年代
注氣量超負(fù)荷，氣體在注氣過程遷移
注入氣歸屬其他公司，2003年關(guān)停儲(chǔ)庫
美國(guó)加利福尼亞州
20世紀(jì)70年代
氣體遷移
氣體由儲(chǔ)氣庫遷移至地表，已關(guān)停儲(chǔ)庫
美國(guó)加利福尼亞州
不詳
注采井損毀
地震導(dǎo)致注采井損毀
美國(guó)加利福尼亞州
不詳
套管鞋泄漏，注采井損壞
套管鞋泄漏修復(fù)過程中注采井不慎損壞
美國(guó)加利福尼亞州
不詳
套管腐蝕，注采井損壞
腐蝕套管修復(fù)過程中注采井不慎損壞
    美國(guó)加利福尼亞州地下儲(chǔ)氣庫事故頻繁發(fā)生，與其地理位置及歷史有著密不可分的關(guān)系。自19世紀(jì)后半葉至20世紀(jì)早期，該地區(qū)油氣勘探開發(fā)活動(dòng)密集，僅洛杉磯盆地就有70余個(gè)油田，并且大多數(shù)油井井位緊密相鄰。以PDR枯竭油田為例，改建而成的地下儲(chǔ)氣庫距洛杉磯盆地大約64km，其間遍布數(shù)百口油井。如今大多數(shù)油井已廢棄，但未經(jīng)妥善處理，位置亦難以探明，從而為儲(chǔ)氣庫氣體遷移提供了有利條件，埋下安全隱患。油田進(jìn)行新井開發(fā)或二次開采時(shí)提高了該區(qū)塊的地層壓力(或者儲(chǔ)氣庫運(yùn)行壓力過高時(shí))迫使地下儲(chǔ)氣庫氣體遷移離開儲(chǔ)層，沿著固井不良或套管銹蝕的老井上升，最終泄漏到地表。這些老井周邊大多新建了住宅，因此氣體遷移事故極易造成人身傷亡或財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。此外，加利福尼亞州正處于地震活動(dòng)期，該區(qū)域承受板塊構(gòu)造引起的擠壓力，其大小通常與構(gòu)造作用力有關(guān)。在此過程形成的背斜使得大片地層發(fā)生斷裂。眾多斷層為地下儲(chǔ)氣庫氣體提供了良好的泄漏通道，是除了廢棄老井之外，造成氣體遷移事故的另一主因。
2 枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫事故類型
    文獻(xiàn)報(bào)道的16起事故中，除1起事故原因不明外，按照失效機(jī)理，枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫事故類型可分為3大類，如下所述。
2.1 注采井或套管損壞
    此類事故共計(jì)5起，約占事故總數(shù)的31%。事故發(fā)生地分別在美國(guó)加利福尼亞(3起)，美國(guó)科羅拉多(1起)以及德國(guó)巴伐利亞(1起)。美國(guó)加利福尼亞2起事故是套管維修環(huán)節(jié)操作失誤導(dǎo)致注采井損壞，另一起則是地震導(dǎo)致注采井變形損壞。補(bǔ)救措施均是采取水泥塞封堵?lián)p壞井段，而后定向鉆井繞開該段，聯(lián)通下部井段。美國(guó)科羅拉多發(fā)生的事故是儲(chǔ)氣庫26號(hào)注采井井下1600m處套管破裂，氣體泄漏至地下含水層并沿周邊水井上升至地表。儲(chǔ)氣庫緊急關(guān)停1周后恢復(fù)運(yùn)行，然而補(bǔ)救措施并未報(bào)道。德國(guó)巴伐利亞發(fā)生的事故是儲(chǔ)氣庫21號(hào)注采井出現(xiàn)壓力異常，表明發(fā)生氣體泄漏。通過采用光纖溫度測(cè)量手段確定具體泄漏點(diǎn)位于井下586m處，由注采井管柱接頭損壞所致。隨后及時(shí)采取補(bǔ)救措施，通過更換密封進(jìn)行泄漏修復(fù)，由于處理得當(dāng)，該事故并未釀成嚴(yán)重后果。
2.2 注氣過程中氣體遷移
    造成此類事故的主要原因有注氣量超負(fù)荷、儲(chǔ)層存在廢棄老井或斷層等。此類事故所占比例最大(約43.8%)，且大多發(fā)生在美國(guó)加利福尼亞。注氣量超負(fù)荷為工作人員操作失誤所致，屬于管理問題；而儲(chǔ)層存在廢棄老井或斷層等則屬于地質(zhì)構(gòu)造原因。
2.3 儲(chǔ)氣庫地面設(shè)施失效
    此類事故共計(jì)3起，約占事故總數(shù)的18.8%。氣體脫水處理裝置失效爆炸導(dǎo)致的事故有2起，均造成了嚴(yán)重后果。1993年10月發(fā)生在美國(guó)加利福尼亞的事故爆炸波及范圍達(dá)1.6km，造成車、船等財(cái)產(chǎn)損失5萬美元，儲(chǔ)氣庫損失近200萬美元；而2006年2月發(fā)生在英國(guó)北海南部的事故導(dǎo)致2名員工燒傷，儲(chǔ)庫被迫暫時(shí)關(guān)停。壓縮機(jī)組失效導(dǎo)致的事故有1起，2003年4月發(fā)生在美國(guó)加利福尼亞，閥門破裂致使天然氣急劇噴出長(zhǎng)達(dá)25min，氣柱高達(dá)30m，并與油混合形成棕色霧云，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染，所幸未起火造成人員傷亡。
3 儲(chǔ)氣庫風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別及其評(píng)價(jià)
    國(guó)際管道技術(shù)委員會(huì)(PRCI)曾將輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)因素分為9個(gè)大類、22個(gè)小類。借鑒此分類方法，結(jié)合儲(chǔ)氣庫自身特點(diǎn)和事故資料統(tǒng)計(jì)分析，將枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為12個(gè)大類、33個(gè)小類，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素與時(shí)間的關(guān)系列表(表2)。
 
    在對(duì)枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫風(fēng)險(xiǎn)因素初步分類的基礎(chǔ)上，可采用事故樹分析的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，排查并分析造成事故類型失效的風(fēng)險(xiǎn)因素，此過程稱之為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。對(duì)一項(xiàng)工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，首要工作即是識(shí)別其風(fēng)險(xiǎn)因素。
如前所述，枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫的事故類型主要為注采井或套管損壞、注氣過程中氣體遷移和儲(chǔ)氣庫地面設(shè)施失效3種。針對(duì)這3種事故類型，儲(chǔ)氣庫的風(fēng)險(xiǎn)因素共有11種，整個(gè)系統(tǒng)的事故樹如圖1所示。
 
    對(duì)于各種不同的風(fēng)險(xiǎn)因素，可在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上開展定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，建立相關(guān)事故模型，進(jìn)而判斷其失效概率、計(jì)算失效后果，最終確定主要風(fēng)險(xiǎn)及其控制措施。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序見圖2。
4 結(jié)論
    枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫的安全問題至關(guān)重要，其風(fēng)險(xiǎn)是多方面的，與儲(chǔ)氣庫的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)以及檢修的各過程密切相關(guān)。因此必須從系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，在儲(chǔ)氣庫事故資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，借鑒輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，結(jié)合儲(chǔ)氣庫特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中潛在風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行初步分類，將其劃分為12大類、33小類，并建立事故樹進(jìn)行主要風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別，進(jìn)一步利用事故模型判斷系統(tǒng)發(fā)生事故的可能性及其危害程度，確定其風(fēng)險(xiǎn)大小，建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序，為制訂風(fēng)險(xiǎn)防范措施和安全管理決策提供科學(xué)依據(jù)。
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(本文作者：謝麗華1 張宏1 李鶴林2 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所)