枯竭油氣藏型地下儲氣庫事故分析及風險識別

摘 要

摘要：目前世界上76.2%的地下儲氣庫是利用枯竭油氣藏改建而成的，影響該類儲氣庫安全問題的風險因素很多，機理復雜。為此，在儲氣庫事故資料統(tǒng)計分析的基礎上，借鑒輸氣管道風險評價
摘要：目前世界上76.2%的地下儲氣庫是利用枯竭油氣藏改建而成的，影響該類儲氣庫安全問題的風險因素很多，機理復雜。為此，在儲氣庫事故資料統(tǒng)計分析的基礎上，借鑒輸氣管道風險評價方法，歸納總結出了枯竭油氣藏型地下儲氣庫存在注采井或套管損壞、注氣過程中氣體遷移和儲氣庫地面設施失效的三類主要事故類型，對儲氣庫系統(tǒng)中的潛在風險因素進行12大類、33小類的初步分類，并根據(jù)風險因素與時間的關系將風險分為依賴時間、穩(wěn)定不變以及隨機出現(xiàn)三種類型，進而采用事故樹分析的風險評價方法，排查并分析了造成主要事故類型失效的風險因素，對主要事故風險因素進行了識別，提出了相應的風險評價程序，為制訂枯竭油氣藏型地下儲氣庫事故防范措施和安全管理決策提供了依據(jù)。
關鍵詞：枯竭油氣藏；地下儲氣庫；事故；分析；分類；風險；識別；事故樹
    枯竭油氣藏型地下儲氣庫能切實解決天然氣的季節(jié)調峰和應急供氣問題[1～2]，但儲氣庫系統(tǒng)容易受到地質災害、腐蝕、設備故障等風險的不良影響，降低其穩(wěn)定性和可靠性。儲氣庫的安全問題至關重要，然而目前關于枯竭油氣藏型地下儲氣庫的風險研究未見報道。為此，以統(tǒng)計資料為基礎，開展了枯竭油氣藏型地下儲氣庫事故分析及風險識別評價研究，有助于切實維護儲氣庫的安全運行。
1 枯竭油氣藏型地下儲氣庫事故統(tǒng)計
    根據(jù)文獻報道[3～11]，全球枯竭油氣藏型地下儲氣庫共發(fā)生過16起事故，如表1所示。
第一起被報道的枯竭油氣藏型地下儲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40年代起在美國加利福尼亞州的儲氣庫就已存在。全球枯竭油氣藏型地下儲氣庫的事故發(fā)生率約為3%，且全部發(fā)生在天然氣儲存和注氣環(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%。美國為儲庫事故高發(fā)區(qū)，共計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11起，占總數(shù)的69%。
表1 枯竭油氣藏型地下儲氣庫事故概覽表
儲氣庫所在地
事故發(fā)生時間
事故描述
事故注釋
美國科羅拉多州
2006年10月
氣體泄漏，儲氣庫運行中斷，當?shù)?3戶家庭(共計52人)緊急疏散
注采井泄漏，固井質量存在問題
英國北海南部
2006年2月
爆炸及火災，2人受傷，31人緊急疏散
脫水裝置中的冷卻機組失效，引發(fā)爆炸
美國伊利諾伊州
1997年2月
爆炸及火災，3人受傷
油田在儲氣庫區(qū)勘探鉆井過程中氣體遷移
德國巴伐利亞
2003年
注采井井筒環(huán)空壓力升高
固井質量存在問題
美國加利福尼亞州
2003年4月
氣體泄漏約25min，并發(fā)生油氣混合
壓縮機組閥門破裂
美國加利福尼亞州
1975年
氣體從氣藏轉移至鄰近區(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
美國加利福尼亞州
1950～1986年
儲氣庫氣量損耗
儲氣庫氣體在注氣過程中發(fā)生遷移，1986年停止注氣，2003年關停儲庫
美國加利福尼亞州
1940年至今
儲氣庫氣體遷移
地質構造存在斷層，導致儲氣庫氣體遷移至鄰近地區(qū)
美國加利福尼亞州
1993年10月
爆炸，造成200萬美元的經(jīng)濟損失
氣體托說處理裝置發(fā)生爆炸
美國路易斯安那州
1980～1999年
注氣量超負荷，注入氣體發(fā)生遷移
儲氣庫氣體在注氣過程遷移，儲庫仍維持運行
美國加利福尼亞州
1974年
爆炸，火災持續(xù)16d，氣量損耗
事故原因未明
美國加利福尼亞州
20世紀70年代
注氣量超負荷，氣體在注氣過程遷移
注入氣歸屬其他公司，2003年關停儲庫
美國加利福尼亞州
20世紀70年代
氣體遷移
氣體由儲氣庫遷移至地表，已關停儲庫
美國加利福尼亞州
不詳
注采井損毀
地震導致注采井損毀
美國加利福尼亞州
不詳
套管鞋泄漏，注采井損壞
套管鞋泄漏修復過程中注采井不慎損壞
美國加利福尼亞州
不詳
套管腐蝕，注采井損壞
腐蝕套管修復過程中注采井不慎損壞
    美國加利福尼亞州地下儲氣庫事故頻繁發(fā)生，與其地理位置及歷史有著密不可分的關系。自19世紀后半葉至20世紀早期，該地區(qū)油氣勘探開發(fā)活動密集，僅洛杉磯盆地就有70余個油田，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，從而為儲氣庫氣體遷移提供了有利條件，埋下安全隱患。油田進行新井開發(fā)或二次開采時提高了該區(qū)塊的地層壓力(或者儲氣庫運行壓力過高時)迫使地下儲氣庫氣體遷移離開儲層，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產(chǎn)損失等嚴重后果。此外，加利福尼亞州正處于地震活動期，該區(qū)域承受板塊構造引起的擠壓力，其大小通常與構造作用力有關。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氣庫事故類型
    文獻報道的16起事故中，除1起事故原因不明外，按照失效機理，枯竭油氣藏型地下儲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5起，約占事故總數(shù)的31%。事故發(fā)生地分別在美國加利福尼亞(3起)，美國科羅拉多(1起)以及德國巴伐利亞(1起)。美國加利福尼亞2起事故是套管維修環(huán)節(jié)操作失誤導致注采井損壞，另一起則是地震導致注采井變形損壞。補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。美國科羅拉多發(fā)生的事故是儲氣庫26號注采井井下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。儲氣庫緊急關停1周后恢復運行，然而補救措施并未報道。德國巴伐利亞發(fā)生的事故是儲氣庫21號注采井出現(xiàn)壓力異常，表明發(fā)生氣體泄漏。通過采用光纖溫度測量手段確定具體泄漏點位于井下586m處，由注采井管柱接頭損壞所致。隨后及時采取補救措施，通過更換密封進行泄漏修復，由于處理得當，該事故并未釀成嚴重后果。
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荷、儲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)生在美國加利福尼亞。注氣量超負荷為工作人員操作失誤所致，屬于管理問題；而儲層存在廢棄老井或斷層等則屬于地質構造原因。
2.3 儲氣庫地面設施失效
    此類事故共計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致的事故有2起，均造成了嚴重后果。1993年10月發(fā)生在美國加利福尼亞的事故爆炸波及范圍達1.6km，造成車、船等財產(chǎn)損失5萬美元，儲氣庫損失近200萬美元；而2006年2月發(fā)生在英國北海南部的事故導致2名員工燒傷，儲庫被迫暫時關停。壓縮機組失效導致的事故有1起，2003年4月發(fā)生在美國加利福尼亞，閥門破裂致使天然氣急劇噴出長達25min，氣柱高達30m，并與油混合形成棕色霧云，對當?shù)丨h(huán)境造成污染，所幸未起火造成人員傷亡。
3 儲氣庫風險因素識別及其評價
    國際管道技術委員會(PRCI)曾將輸氣管道風險因素分為9個大類、22個小類。借鑒此分類方法，結合儲氣庫自身特點和事故資料統(tǒng)計分析，將枯竭油氣藏型地下儲氣庫風險因素劃分為12個大類、33個小類，并根據(jù)風險因素與時間的關系列表(表2)。
 
    在對枯竭油氣藏型地下儲氣庫風險因素初步分類的基礎上，可采用事故樹分析的風險評價方法，排查并分析造成事故類型失效的風險因素，此過程稱之為風險識別。對一項工程進行風險評價，首要工作即是識別其風險因素。
如前所述，枯竭油氣藏型地下儲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氣庫地面設施失效3種。針對這3種事故類型，儲氣庫的風險因素共有11種，整個系統(tǒng)的事故樹如圖1所示。
 
    對于各種不同的風險因素，可在風險識別的基礎上開展定量風險評價研究，建立相關事故模型，進而判斷其失效概率、計算失效后果，最終確定主要風險及其控制措施。風險評價程序見圖2。
4 結論
    枯竭油氣藏型地下儲氣庫的安全問題至關重要，其風險是多方面的，與儲氣庫的規(guī)劃、設計、施工、運營、維護以及檢修的各過程密切相關。因此必須從系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，在儲氣庫事故資料統(tǒng)計分析的基礎上，借鑒輸氣管道風險評價方法，結合儲氣庫特點對系統(tǒng)中潛在風險因素進行初步分類，將其劃分為12大類、33小類，并建立事故樹進行主要風險因素識別，進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，確定其風險大小，建立相應的風險評價程序，為制訂風險防范措施和安全管理決策提供科學依據(jù)。
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(本文作者：謝麗華1 張宏1 李鶴林2 1.中國石油大學(北京)機電工程學院；2.中國石油天然氣集團公司管材研究所)