含硫氣井定量風險分析技術標準探討

摘 要

摘要：隨著近年來我國眾多含硫化氫氣田相繼投入開發(fā)，含硫氣井安全規(guī)劃標準，特別是定量風險分析標準的制訂交得十分必要和迫切。為此，分別對含硫-1井定量風險分析技術標準的制訂原
摘要：隨著近年來我國眾多含硫化氫氣田相繼投入開發(fā)，含硫氣井安全規(guī)劃標準，特別是定量風險分析標準的制訂交得十分必要和迫切。為此，分別對含硫-1井定量風險分析技術標準的制訂原則、適用范圍、框架結構進行了分析，提出了適合我國國情的井噴事故概率的數值統計分析方法及參考值，事故后果分析方法及要求，定量風險計算方法及可接受風險水平等關鍵技術參數及主要技術內容。研究成果可用于指導我國含硫氣井定量風險分析標準的制訂，將使我國對含硫氣田開發(fā)實施定量風險評價和管理成為可能。
關鍵詞：含硫氣井；井噴；定量風險分析；個人風險；社會風險；可接受風險水平；標準
    隨著我國石油天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，含硫油氣田開發(fā)的安全問題越發(fā)突出[1]。
    定量風險分析方法(QRA)采用定量化的風險值(如個人風險和社會風險值)對系統的危險性進行描述，對可接受風險水平進行對比以判斷系統的風險程度，并提出相應的風險控制措施。目前在美、英、日和歐盟等工業(yè)發(fā)達國家，幾乎對所有重大工程項目和建設規(guī)劃都需要事先做定量風險評價和安全建議。對含硫油氣田勘探開發(fā)來說，其風險因素眾多，對其風險進行定量分析比較困難，國內外此方面研究并不多見。盡管國家發(fā)展和改革委員會于2005年頒布了《含硫化氫油氣井安全鉆井推薦做法》等5項含硫氣田勘探開發(fā)行業(yè)標準，但尚未建立含硫氣井的定量風險分析技術標準[2]。含硫氣田勘探開發(fā)安全相關標準規(guī)范的制訂刻不容緩。
1 標準制訂原則
    1) 維護公眾生命安全，促進企業(yè)安全管理，保障能源支柱產業(yè)經濟發(fā)展，充分結合我國國情。
    2) 以國家有關政策、法律、法規(guī)、標準為依據，與安全生產、石油行業(yè)有關規(guī)章、標準相一致。
    3) 滿足現實生產的要求，適應新的發(fā)展形勢，具有權威、科學、實用、全面的特點。
    4) 標準的制訂必須吸收安全監(jiān)管部門、行業(yè)管理部門、油氣田開發(fā)企業(yè)領導及基層、科研院校、地方政府的意見和建議，充分體現標準的代表性和廣泛基礎，具有實際指導意義和可操作性。
2 標準適用范圍及框架
    含硫氣井定量風險分析技術標準主要應包括陸上含硫化氫天然氣井井噴毒物擴散事故的定量風險分析程序、方法、內容及可接受風險水平，可適用于陸上含硫化氫天然氣井的安全評價和規(guī)劃。
    標準的主要結構可設置如下：①范圍；②術語和定義；③定量風險分析程序及方法；④可接受風險水平。上述內容的設置能夠對含硫化氫天然氣井定量風險分析技術方法進行規(guī)定，從而有利于對含硫化氫天然氣井實施定量風險評價，同時也可為應急計劃區(qū)的劃分奠定基礎。
3 標準技術內容
3.1 術語和定義
    含硫化氫天然氣井定義為天然氣中硫化氫含量大于75mg/m3，且硫化氫釋放速率不小于0.01m3/s的天然氣井[3]。風險可定義為某一特定危險情況發(fā)生的可能性和后果的組合[4]。
    個人風險(individual risk)是指在某一特定位置長期生活的未采取任何防護措施的人員遭受特定危害的頻率。個人風險是空間位置坐標的函數，在區(qū)域地圖上將個人風險值相等的點連接起來，就構成了不同水平個人風險值的等值線。個人風險值給出了給定條件下位置的風險信息，而不考慮此處是否存在人員。因此，個人風險可定義為危險源造成在周邊區(qū)域內某一固定位置的人員的個體死亡概率，也即單位時間內(通常為年)的死亡率，通常用區(qū)域地理圖上的風險等值線表示。
    社會風險(social risk)用于描述事故發(fā)生概率與事故造成的人員受傷或死亡人數的相互關系，是指同時影響許多人的災難性事故的風險。社會風險是以死亡人數對應各種事件后果發(fā)生頻率累加值作圖的分布圖形。某種意義上講，社會風險與位置無關，而是與周圍人口密度相結合的危險活動的風險量度。因此，社會風險可定義為能夠引起大于等于N人死亡的事故累計頻率(F)，也即單位時間內(通常為年)的死亡人數，通常用F—N曲線表示。
    可接受風險水平(acceptable level of risk)是進行安全決策的重要依據，應根據經濟發(fā)展水平、人文環(huán)境等諸多因素制訂，且應得到政府部門和社會的公認。因此，可接受風險水平可定義為符合安全生產發(fā)展水平、能被社會公眾接受的風險。
3.2 定量風險分析程序及方法
3.2.1資料及數據收集
    主要工作是收集事故概率分析及事故后果分析所需氣井資料、周邊環(huán)境資料及事故資料，由于我國含硫氣田多位于山區(qū)，其地形條件對事故后果影響較大，因此地形資料尤其重要。本部分工作應包括但不僅限于下述內容：
    1) 氣井資料：主要包括氣井名稱、坐標、絕對無阻流量、硫化氫含量等數據資料。
    2) 周邊環(huán)境資料：主要包括地形資料、氣象資料及人口分布資料。其中地形資料應收集氣井井口周邊區(qū)域的地形圖，并標注地表狀況、氣井位置、村鎮(zhèn)和城市分布、主要廠礦及大型建筑物、構筑物分布等；氣象資料在條件允許時盡量采用當地井場的實際氣象數據，如數據不能獲取或獲取不充分時，可選用地理條件基本一致且距氣井最近的氣候要素資料，應包括氣溫、濕度、平均風速、主導風向、風頻、總云量、低云量等項內容；人口分布資料主要收集氣井周邊村鎮(zhèn)、城市、公共設施及常住居民等人口密集區(qū)域情況。
    3) 事故資料：主要包括國內外同行業(yè)事故統計分析資料、典型事故案例等。
3.2.2井噴事故概率分析
    對于井噴事故概率方面的研究，人們通常主要采用兩種方式：數值統計和故障樹分析。由于故障樹分析還需要井口不同設備的基礎數據，因此推薦采用數值統計方法來分析井噴事故概率，統計數據來源應為國內最近5a以上的國內鉆井數及井噴事故統計資料。
    國內報道和研究井噴的總體數據較少，收集到的國內井噴文獻資料往往也只是基于某個單井的數據，總體數據不清楚。國外20世紀后期井噴統計數據較多，而近年公開發(fā)表的數據較少，Rezaei等人[5]提出針對所研究的酸氣井，垂直敞噴發(fā)生的概率是4.9×10-4，加拿大阿爾伯達省能源資源保護委員會(ERCB)鉆井事故統計數據[6]見表1。綜合以上研究成果，在國內數據暫缺的情況下，建議的井噴事故概率參考值為4.5×10-4次/a。
表1 加拿大ERCB鉆井事故概率統計表
溢流概率
井涌概率
井噴概率
3.48×10-2
1.07×10-3
4.53×10-4
3.2.3井噴事故后果分析
    分析主要考慮硫化氫擴散對公眾造成的大范圍毒性危害，不考慮火災、爆炸等影響范圍較小的事故后果。
3.2.3.1 計算模型選取
    應采用符合以下要求的軟件計算井噴事故毒物擴散后果[7]：可公開獲?。灰言谙嚓P行業(yè)推廣應用；可以獲取其理論描述和模型驗證的相關文獻；適用于重氣擴散模擬；可考慮地形條件影響；可計算硫化氫擴散過程中濃度的時間及空間分布；符合井噴事故毒物擴散后果分析的其他需求。
3.2.3.2 計算參數確定
    釋放源應包括垂直噴射和水平噴射兩種形式；釋放流量應取為該氣井的硫化氫釋放速率；釋放時間應取為15min[8]。
3.2.3.3 計算結果及分析
    計算結果應包括不同風向及風速條件下距地面1m高處大氣中硫化氫的150mg/m3、450mg/m3、900mg/m3、1500mg/m3瞬時濃度隨時間變化的擴散范圍，其中風向應包括東、南、西、北、東南、東北、西南、西北8個風向，風速應包括各風向下的3m/s、當地常年平均風速及0.5m/s這3種風速。
    根據硫化氫濃度計算結果進行毒性負荷計算，毒性負荷按下式計算[9]：
    Pc(x，y)=0.28∫C(x，y)3.5dt    (1)
式中：Pc(x，y)為(x，y)位置處的毒性負荷；C(x，y)為(x，y)位置處的硫化氫濃度，mg/m3；t為時間，min。
3.2.4風險計算及對比可接受風險水平
    整合井噴事故概率及后果分析，計算含硫化氫天然氣井個人風險值及社會風險值，參考加拿大RWDI定量風險分析技術方法，并結合我國含硫氣田實際情況，提出了個人風險及社會風險的計算公式。
    個人風險按式(2)計算：
    RI(x，y)=PBPWPA(x，y)PL(x，y)    (2)
式中：RI(x，y)為(x，y)位置處的個人風險值；PB為井噴事故概率；PW為大氣穩(wěn)定度出現的頻率，根據氣象資料確定；PA(x，y)為(x，y)位置處風角度概率，根據氣象資料確定；PL(x，y)為(x，y)位置處受體致死概率，根據下式確定：
    PL(x，y)=-29.4+1.4㏑[Pc(x，y)] (3)
式中：Pc(x，y)為(x，y)位置的毒性負荷。
    社會風險按下式計算：
    RS=∑PBPWPD(≥N)，N    (4)
式中：RS為社會風險值；PB為井噴事故概率；PD(≥N)為導致大于等于N人死亡的風向D出現的頻率，由個人風險分析及人口分布資料計算確定；N為死亡人數，根據計算情況設定。
    根據定量風險計算結果繪制個人風險等值線及社會風險F—N曲線，其中個人風險等值線應包括10-3/a、10-4/a、10-5/a、10-6/a、10-7/a；將個人及社會風險計算結果與可接受風險水平進行對比分析。
    個人風險與可接受水平的對比應參考最低合理可行原則(ALARP原則)[10]，如表2所示。
表2 個人風險可接受水平表
最大可忍受風險(每年)
可忽略的風險(每年)
1×10-5
1×10-7
社會風險可接受水平如圖1所示。
 
4 結論
    對含硫氣井定量風險分析技術標準的制訂原則、適用范圍、框架結構進行了分析，提出了井噴事故概率的分析方法及參考值、事故后果分析方法及要求、定量風險計算方法及可接受風險水平等，可較好地用于指導我國含硫氣井定量風險分析標準的制訂，使我國對含硫氣田開發(fā)實施定量風險評價和管理成為可能。
參考文獻
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(本文作者：吳慶善1，2 錢新明1 郭再富3 1.北京理工大學宇航學院；2.中國石油天然氣集團公司；3.中國安全生產科學研究院)