鹽穴地下儲氣庫風險評估方法及應(yīng)用研究

摘 要

摘要：隨著我國地下儲氣庫的建設(shè)投入逐步加大，如何有效防止地下儲氣庫事故發(fā)生，在增強其運行安全性的同時合理利用資源，以獲取最大經(jīng)濟效益，已成為儲氣庫管理者重點關(guān)注的問題。為
摘要：隨著我國地下儲氣庫的建設(shè)投入逐步加大，如何有效防止地下儲氣庫事故發(fā)生，在增強其運行安全性的同時合理利用資源，以獲取最大經(jīng)濟效益，已成為儲氣庫管理者重點關(guān)注的問題。為此，以鹽穴地下儲氣庫作為研究對象，將其劃分為地下儲氣設(shè)施、地面站場設(shè)施和地面集輸管線3個評價單元，采用系統(tǒng)分析和事故分析的綜合分析方法，將該類儲氣庫風險因素歸類為腐蝕、沖蝕、水合物生成、設(shè)備失效、操作相關(guān)、機械損傷、地質(zhì)構(gòu)造因素以及自然力8類共性風險，包括14大類和45小類風險因素；研究建立了鹽穴地下儲氣庫風險評估方法，包括基于故障樹技術(shù)的地下儲氣設(shè)施風險評估方法、地面站場設(shè)施的定量風險評估方法和地面集輸管線的肯特管道風險評分法；并將建立的鹽穴地下儲氣庫風險評估方法應(yīng)用于某鹽穴地下儲氣庫的風險評估，為鹽穴地下儲氣庫安全管理提供了依據(jù)，同時可為枯竭油氣藏型和含水層型儲氣庫的安全管理提供參考。
關(guān)鍵詞：鹽穴地下儲氣庫；事故；風險因素；風險評估；安全管理
    目前我國地下儲氣庫主要以枯竭油氣藏型和鹽穴型為主，已建成喇嘛甸儲氣庫和陜京輸氣管道配套工程的大張坨和板876等儲氣庫；建設(shè)中的西氣東輸一線配套工程金壇儲氣庫，已有5個老腔進入注采運行階段，規(guī)劃將達到62個單腔的規(guī)模。西氣東輸二線配套工程河南平頂山、湖北云應(yīng)鹽穴儲氣庫和南昌麻丘含水層儲氣庫、長慶油田鄂爾多斯盆地儲氣庫、相國寺地下儲氣庫等項目已納人規(guī)劃建設(shè)。
    由于地下儲氣庫系統(tǒng)可能受腐蝕、設(shè)備失效、沖蝕、水合物生成、機械損傷、自然災(zāi)害、誤操作、鹽巖蠕變等危害因素的不良影響，造成儲氣庫穩(wěn)定性和安全可靠性降低，甚至引發(fā)災(zāi)難性的事故，如氣體泄漏、溶腔失穩(wěn)和庫區(qū)地表沉陷等，這些已被國外地下儲氣庫事故所證明[1]。因此，地下儲氣庫的安全問題不容忽視。
    如何采取有效措施，降低各種危害因素對地下儲氣庫安全的影響，避免地下儲氣庫事故發(fā)生，有效地對地下儲氣庫進行預(yù)防性維護，做到事前預(yù)控，是儲氣庫管理者面臨的重要問題。為此，本文以鹽穴地下儲氣庫作為研究對象，系統(tǒng)識別了鹽穴地下儲氣庫風險因素并予以歸類，建立了鹽穴地下儲氣庫風險評估方法，同時將建立的鹽穴地下儲氣庫風險評估方法應(yīng)用于某鹽穴地下儲氣庫的風險評估，為鹽穴地下儲氣庫安全管理提供了依據(jù)，同時可為枯竭油氣藏型和含水層型儲氣庫的安全管理提供參考。
1 評價單元劃分
    鹽穴地下儲氣庫系統(tǒng)包括地下儲氣設(shè)施、地面站場設(shè)施和地面集輸管線3個子系統(tǒng)。①地下儲氣設(shè)施是由地下溶腔、注采管柱、井口設(shè)施3部分組成并可實現(xiàn)儲存天然氣的地下封閉系統(tǒng)；②地面站場設(shè)施系統(tǒng)主要實現(xiàn)天然氣的處理、增壓和計量功能，包括天然氣處理系統(tǒng)、壓縮機組和工藝管道3部分；③地面集輸管線系統(tǒng)是井場與站場之間傳輸天然氣的通道。因此將鹽穴地下儲氣庫系統(tǒng)劃分為3個子系統(tǒng)和7個子單元，并將3個子系統(tǒng)作為待風險評價單元(圖1)。

2 風險因素識別
2.1 風險分析
   鹽穴地下儲氣庫是通過井筒將氣體注入鹽丘或鹽層上的廢棄鹽穴或淋漓建造的鹽穴內(nèi)進行儲存，并可采出來滿足市場需求。儲氣庫應(yīng)具備兩種能力：①儲存天然氣并阻止天然氣釋放到周圍環(huán)境中；②以有效速率為用戶提供儲存天然氣。一旦喪失這兩種或其中一種能力，即定義為失效，失效模式包括泄漏和傳輸能力下降兩種[1]。特別強調(diào)的是，對于地下儲氣設(shè)施應(yīng)考慮兩種失效模式，而對于地面站場設(shè)施和地面集輸管線則只關(guān)注泄漏模式。
   1) 地下儲氣設(shè)施一旦發(fā)生泄漏，可能會將氣體釋放到大氣或者地層(圖2)，甚至引發(fā)大火或爆炸事故，威脅人員生命安全和財產(chǎn)安全，將帶來人員安全風險、經(jīng)濟風險和環(huán)境風險。而注采能力下降則主要是影響儲氣庫調(diào)峰作用和運行效率，可能造成額外的維修費用，帶來經(jīng)濟風險。
 

   2) 地面站場設(shè)施和地面集輸管線如果發(fā)生泄漏，天然氣將直接擴散到大氣，可能引發(fā)大火甚至爆炸，同樣將帶來人員安全風險、經(jīng)濟風險和環(huán)境風險。
2.2 事故原因統(tǒng)計分析
    1960—2005年期間，美國關(guān)于鹽穴地下儲氣庫地下儲氣設(shè)施在運行階段的失效事故共報道18起，其中導(dǎo)致人員傷亡或疏散的事故9起，共造成8人死亡，48人受傷，疏散人員達6110人次。截至2009年，歐洲報道了3起鹽穴地下儲氣庫失效事故。加拿大在1997年發(fā)生2起因鹽穴失穩(wěn)而引起的套管失效事故，2001年發(fā)生1起鹽穴地下儲氣庫井口泄漏事故。失效原因按統(tǒng)計頻次從高到低排序為：套管失效、水泥固井質(zhì)量差、封隔器失效、鹽巖蠕變、運行導(dǎo)致臨近鹽穴連通、鹽層頂鹽巖溶解、頂板坍塌、井口連接管線彎頭失效、法蘭失效、管路失效、過量充填和原因不確定[1]。
    鹽穴地下儲氣庫地面站場設(shè)施和地面集輸管線的事故未見相關(guān)報道，可將同類設(shè)施(如壓縮機、換熱器、空冷器、儲罐、分離器和長輸管道)事故原因作為參考。導(dǎo)致站場同類設(shè)備發(fā)生事故的原因很多：包括各設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝導(dǎo)致的缺陷，腐蝕和沖蝕導(dǎo)致的減薄和開裂，以及由于人員的誤操作、疲勞、凝管堵塞和自然災(zāi)害等導(dǎo)致的失效。
    對于地面集輸管線，參考我國城市燃氣輸送系統(tǒng)事故(2003—2008年)的統(tǒng)計，結(jié)果表明：第三方破壞、腐蝕和誤操作是國內(nèi)管道失效事故的主要原因，其中第三方破壞占的比例最大，其次是腐蝕，誤操作和設(shè)備因素也占有很大的比例。
2.3 風險因素識別與歸類
    通過對地下溶腔、注采管柱、注采井口、天然氣處理系統(tǒng)、壓縮機組、工藝管路和地面集輸管線7個子單元的工作過程系統(tǒng)分析，并結(jié)合事故原因統(tǒng)計分析結(jié)果和借鑒管道風險因素歸類方法，確定了鹽穴地下儲氣庫風險，包括腐蝕、設(shè)備失效、沖蝕、水合物生成、地質(zhì)構(gòu)造、操作相關(guān)、機械損傷以及自然力8類共性風險，可細分為14大類和45小類風險因素(表1)。

3 鹽穴地下儲氣庫風險評估方法
    鹽穴地下儲氣庫地下儲氣設(shè)施、地面站場設(shè)施和地面集輸管線3個評價單元具有不同的功能特點，因此必須建立各自適用的風險評估方法。每類風險評估方法的基本內(nèi)容均包括失效概率分析、失效后果分析和風險分析3部分。
3.1 基于故障樹的地下儲氣設(shè)施風險評估方法
3.1.1失效概率計算
    由于地下儲氣設(shè)施比油氣管道復(fù)雜，引發(fā)失效的事件也相對較多，因此適于采用故障樹方法來確定地下儲氣設(shè)施失效概率[2]，并可進一步明確泄漏的途徑和引起注采能力下降的原因。具體步驟如下：
    1) 建立故障樹，以地下儲氣設(shè)施失效作為頂事件，而泄漏和注采能力下降作為次級事件(如圖3所示)，圖3中的A、B、C、D則分別表示泄漏到大氣、通過地層泄漏、運行中斷和運行減緩中間事件，并可進一步建立子故障樹，圖4為運行減緩中間事件的子故障樹。
 

    2) 確定基本事件的發(fā)生概率是地下儲氣設(shè)施失效概率計算的關(guān)鍵。根據(jù)建立的故障樹，對于鹽穴地下儲氣庫共識別出18個基本事件。基本事件發(fā)生概率計算方法采用統(tǒng)計法或建立工程評價模型計算獲得。統(tǒng)計法是通過收集相應(yīng)的鹽穴地下儲氣庫或同類設(shè)施的歷史失效數(shù)據(jù)進行分析，得出該失效事件過去的發(fā)生頻率，并以此預(yù)測現(xiàn)在或?qū)淼陌l(fā)生頻率。對于設(shè)備失效、頂板坍塌、上覆層不穩(wěn)定、通過固井水泥泄漏等基本事件的發(fā)生概率可采用統(tǒng)計法。當歷史數(shù)據(jù)不能或獲取不充分時，則可采用建立的工程評價模型來計算基本事件的發(fā)生概率計算模型，例如井口微粒沖蝕模型、水合物堵管概率計算模型、地震概率危害分析模型、套管泄漏模型、溶腔收縮體積計算模型等。

    3) 基本事件發(fā)生概率確定之后，即可根據(jù)故障樹邏輯計算中間事件和頂事件發(fā)生概率。
3.1.2失效后果計算
    地下儲氣設(shè)施失效后果計算模型專門用來量化其發(fā)生泄漏或注采能力下降對人員生命安全、經(jīng)濟、環(huán)境方面造成的后果。地下儲氣設(shè)施失效后果是與失效事件類型和失效嚴重度級別密切相關(guān)的。
3.1.2.1 泄漏后果計算
對于泄漏模式，后果模型則需考慮氣體泄漏對人員生命安全、經(jīng)濟和環(huán)境等方面的綜合影響，其中人員生命安全后果考慮災(zāi)害發(fā)生后人員死亡人數(shù)和受傷情況，災(zāi)害模型采用噴射火模型；經(jīng)濟后果考慮產(chǎn)品損失費用、設(shè)施維修費用、災(zāi)害發(fā)生后造成的財產(chǎn)損失以及服務(wù)中斷費用；而環(huán)境后果則考慮氣體泄漏到含水層或空氣中對環(huán)境的影響，對于儲存介質(zhì)不含有毒或強酸性物質(zhì)的儲氣庫而言，環(huán)境后果可不予以重點考慮。
泄漏事件的嚴重度級別考慮小泄漏、大泄漏和破裂3類，不同級別的失效后果差別很大。泄漏失效后果計算關(guān)鍵在于不同泄漏級別的泄漏率計算。對于通過地層泄漏和大氣泄漏的情況，小泄漏和大泄漏采用Beggs建立的阻流模型[3]：
 
式中qsc為氣體流動率，m3/d；p1為泄漏點處壓力，kPa；K為天然氣的比熱容比；y為壓力比率，p2/p1；p2為泄漏點處外部壓力，kPa；dch為孔尺寸，mm；Cn為常數(shù)，3.791 5；T1為井內(nèi)溫度，K；Z1為在溫度T1壓力p1下的氣體壓縮因子，無量綱；γg為天然氣相對密度，無量綱。
而破裂并不考慮鹽穴壓力變化的情況則按式(2)計算：
 
式中q(t)為泄漏率，m3/d；d為水平方向的滲透率，mD；h為滲透厚度，m；pw為井內(nèi)壓力，kPa；pe為氣液界面壓力，kPa；μ為氣體黏度，Pa·s；r(t)為氣體前緣位置，m；rw為井內(nèi)半徑，m。
   對于破裂泄漏情況，如考慮壓力變化對泄漏率的影響，可采用準瞬態(tài)計算模型[4]。
3.1.2.2 注采能力下降
   對于注采能力下降模式，嚴重度級別考慮輕微減緩、嚴重減緩、臨時中斷和長期中斷4類。后果計算則僅考慮經(jīng)濟因素，主要包括運行中斷或運行減緩而造成的儲氣庫運行收入損失和設(shè)施維修費用。
3.1.3風險計算
   地下儲氣設(shè)施風險評估目的在于綜合失效概率分析和后果分析的結(jié)果，從而度量所評價地下儲氣設(shè)施的風險水平，主要考慮個人安全風險和經(jīng)濟風險兩個方面。
    1) 個人安全風險是針對泄漏而言的，是指生活或工作在地下儲氣設(shè)施附近的任何個人由于儲氣設(shè)施泄漏造成的年死亡概率，是與泄漏發(fā)生的概率、危害類型、災(zāi)害區(qū)域內(nèi)的人員分布情況相關(guān)的，計算公式如下式：
    IRijkl=θilPilPleak,jPjkPfat,iykl    (3)
式中IRijkl為在位置i、泄漏嚴重度級別j時災(zāi)害事件k對人員l造成的個人風險；θil為人員l在位置i所占的時間比；Pil為人員l在位置i的概率；Pleak,j為嚴重度級別為j時泄漏事件發(fā)生概率；Pjk為泄漏嚴重度級別為j，災(zāi)害事件為是的發(fā)生概率；Pfat,ijkl為泄漏嚴重度級別j時災(zāi)害事件k造成人員l在位置i的死亡概率。
    2) 經(jīng)濟風險是失效事件發(fā)生概率與失效后果(經(jīng)濟費用)相乘得到的。經(jīng)濟風險主要考慮大氣泄漏、地層泄漏、運行減緩、運行中斷4類失效事件，并對泄漏經(jīng)濟風險分別考慮小泄漏、大泄漏和破裂3種嚴重度級別來計算，注采能力下降經(jīng)濟風險同樣如此，考慮輕微減緩、嚴重減緩、臨時中斷和長期中斷4種嚴重度級別來確定。
    地下儲氣設(shè)施個人安全風險是否可接受可根據(jù)ALARA原則，推薦不可接受線為l0-4次/a和廣泛接受線為10-6次/a。對于經(jīng)濟風險可根據(jù)成本效益分析法來確定其是否可接受，即分析對比控制風險所需成本與所取得效益的大小，如成本高于效益則視風險不可接受。
3.2 地面站場設(shè)施風險評估方法
    目前專門針對站場設(shè)施的風險評價方法還不多，現(xiàn)有的手段只是根據(jù)國家法律法規(guī)得出定性的評價結(jié)果，然后按照評價結(jié)果對照得出整改方案。筆者通過結(jié)合儲氣庫地面站場設(shè)施的工藝特點，建立了一套地面站場設(shè)施的風險評估方法。該方法首先運用定量風險評價方法對站場工藝單元或設(shè)備進行風險排序，查找主要風險單元，或風險單元的主要風險設(shè)備或管路，并以此作為主要分析對象，有針對性地進行設(shè)備風險HAZOP分析，詳細分析設(shè)備工藝過程危害，查找風險原因，并提出切實有效的控制措施[5]，具體評估過程如下：
3.2.1失效概率計算
    地面站場設(shè)施失效概率的計算是通過采用同類失效概率數(shù)據(jù)，以及設(shè)備修正系數(shù)(FE)和管理系統(tǒng)修正系數(shù)(FM)來修改同類失效概率，計算出一個經(jīng)過調(diào)整的失效概率[6]，即：
    概率調(diào)整=概率通用FEFM    (4)
其中，通用失效概率來自于多種工業(yè)部門的設(shè)備失效歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。FE通過辨別對設(shè)備失效概率有重要影響的特定條件而得出。這些條件通過劃分可以歸結(jié)為技術(shù)模量子因子、通用子因子、機械子因子和工藝子因子4個子因子。而FM是根據(jù)具體的安全管理體系來判斷其對通用失效頻率或概率的影響，該系數(shù)區(qū)分了不同管理體系對設(shè)備安全狀況的影響。
3.2.2失效后果計算
    地面站場設(shè)施失效后果計算包括8個步驟[5]：①確定有代表性的流體及其性質(zhì)；②選擇一組孔尺寸以得到在風險計算中結(jié)果的可能范圍；③估計流體可能泄漏的總量；④估計潛在的泄漏速率；⑤確定泄漏類型，以確定模擬擴散和后果的方法；⑥確認流體的最終相態(tài)，是液態(tài)還是氣態(tài)；⑦評估泄漏后果的響應(yīng)和減緩系統(tǒng)；⑧確定潛在的受流體泄漏影響的區(qū)域面積或費用，即燃燒或爆炸、毒害、環(huán)境污染以及生產(chǎn)中斷的后果等。
3.2.3風險計算
地面站場設(shè)施風險主要考慮設(shè)備破壞和人員傷亡兩類風險，基本公式采用式(5)，其中孔尺寸代表泄漏的嚴重級別。設(shè)備破壞風險計算時失效后果取設(shè)備破壞面積，人員傷亡風險則取人員傷亡面積。
設(shè)備或管線風險=∑孔尺寸(失效后果×失效概率) (5)
    對于設(shè)備破壞和人員傷亡兩類風險是否可接受，則采用建立的風險矩陣來判斷。對于失效后果和失效概率均分為5級，其中失效后果等級見表2。
 

3.3 地面集輸管線的肯特風險評分法
管道肯特風險評分法已在世界各國埋地管道廣泛應(yīng)用，該方法也適用于地面集輸管線風險評估[6]。然而，原評分體系的部分指標與地面集輸管線的具體情況不相匹配，需要調(diào)整。筆者根據(jù)地面集輸管線的特點，對第三方破壞因素的報警系統(tǒng)和公眾教育評分指標的12項評分指標進行了修正，刪減了腐蝕因素中內(nèi)檢測器指標和誤操作因素中的中毒品檢查指標。管道肯特風險評分法假設(shè)第三方破壞、腐蝕、誤操作和設(shè)計因素的發(fā)生概率相同，而實際不盡相同，因此在計算風險指數(shù)時引入了權(quán)重系數(shù)，計算公式如下式：
 
式中V為相對風險值；wi為相對權(quán)重；xi為一級指數(shù)因素分值；l為泄漏影響系數(shù)。
    權(quán)重系數(shù)可參考歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料或?qū)＜医?jīng)驗法確定。
4 方法應(yīng)用
4.1 應(yīng)用對象基本概況
    某鹽穴地下儲氣庫鹽穴容積為105000m3，儲存介質(zhì)為天然氣，天然氣相對密度為0.575，氣庫運行壓力為7～14MPa，鹽穴中層溫度為326.15K，注采管外徑為177.8mm，井口平均溫度為298.15K，大氣壓力為101325Pa。該鹽穴地下儲氣庫注采氣站于2007年1月投產(chǎn)，全站采用SCADA系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，主要完成站內(nèi)工藝數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制和流量計算等功能，目前轄管5口在役鹽穴井。
    該鹽穴井場到注采氣站進站閥組的單井管道為Φ273mm×20mm規(guī)格的16Mn無縫鋼管，總長2.7km，設(shè)計壓力17.5MPa，屈服強度245MPa。整個管道有一池塘穿越，途經(jīng)村莊，沿線環(huán)境較單一，雜散電流影響較小。
4.2 風險評估結(jié)果分析
    根據(jù)建立的鹽穴地下儲氣庫風險評估方法分別對上述鹽穴井、注采氣站和單井管道進行了風險評估應(yīng)用。
    1) 對于鹽穴井，在井口破裂最嚴重的情況下，距離井口50m處居民和在井場的工作人員(維修工人或巡檢人員)的個人風險計算結(jié)果分別為2.472×10-5和2.06×10-6次/a。根據(jù)建立的個人風險可接受準則(不可接受線10-4次/a和可接受線10-6次/a)可知，維修工人和周邊居民在距離鹽穴50m處的個人安全風險可接受，處在風險可容忍區(qū)，但仍應(yīng)該根據(jù)ALARA原則采取措施，在合理可行的范圍內(nèi)將風險盡可能地降低到最低水平。而泄漏和注采能力下降兩類失效事件產(chǎn)生的經(jīng)濟風險計算結(jié)果(表3)顯示：大氣泄漏比地下泄漏的經(jīng)濟風險要大，主要是因為其事件率遠大于地下泄漏，同時運行減緩的發(fā)生概率也具有高的發(fā)生概率，因此，應(yīng)根據(jù)故障樹重點加強對引發(fā)大氣泄漏和運行減緩的事件控制。例如，運行減緩則要防止水合物堵管、設(shè)備故障、頂板坍塌、上覆層運動和鹽穴坍塌等事件的發(fā)生(圖4)。較大中斷的經(jīng)濟風險最大，主要是由于鹽穴廢棄帶來的經(jīng)濟損失較大。

   2) 注采氣站風險評估結(jié)果表明：壓縮機系統(tǒng)和處理系統(tǒng)風險遠遠大于管路系統(tǒng)風險，其中壓縮機組最大；處理系統(tǒng)設(shè)備中空冷器風險最大，其次是緩沖罐(壓縮機出口)、過濾分離器和旋流分離器(圖5)；而管路系統(tǒng)中對帶壓的34條管線中，從壓縮機出口到緩沖罐出口的管線P2112～P2118風險最大，其中P2113最大，管路系統(tǒng)風險值大主要是由于壓力和溫度相對較高引起的。采用風險矩陣對各類設(shè)備或管路風險定級可知：壓縮機風險為高風險，而管路系統(tǒng)均為中低風險(圖6)。通過風險排序，明確了高風險單元，即可采用HAZOP法進行詳細風險分析。
   3) 對于單井管道根據(jù)具體情況將管段分為7段，經(jīng)風險評分后，各管段風險均處于中低風險。

   通過對鹽穴地下儲氣庫進行風險評估，可使儲氣庫管理者明確各類設(shè)施或設(shè)備風險高低，從而采取有效措施控制風險，以避免災(zāi)害事故發(fā)生。
5 結(jié)束語
   鹽穴型地下儲氣庫系統(tǒng)復(fù)雜，風險因素眾多，其安全問題不容忽視。如何全面提高鹽穴儲氣庫安全級別、確保安全平穩(wěn)供氣，已成為儲氣庫管理者重點關(guān)注的問題。對鹽穴地下儲氣庫開展風險評估工作有助于實現(xiàn)儲氣庫的科學(xué)化管理，保障人民生命、財產(chǎn)的安全
和社會穩(wěn)定，減少災(zāi)難性事故的發(fā)生，從而達到為用戶安全平穩(wěn)供氣的要求和使鹽穴地下儲氣庫獲得較高的經(jīng)濟效益。
參考文獻
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(本文作者：羅金恒1 李麗鋒1 趙新偉1 王珂1 蔡克1 李祥2 楊海軍2 1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院；2.中國石油西氣東輸管道公司金壇儲氣庫項目部)