枯竭油气藏型地下储气库事故分析及风险识别.pdf

天然气工业 2 0 0 9 年 l 1 月 枯竭油气藏型地下储气库事故分析及风 险识别 谢丽华 张 宏 李鹤林 中国 工程院院士 1 ． 中 国 石 油 大学 北京 机 电 工 程 学 院 2 ． 中 国石 油 天 然 气 集 团 公 司 管 材研 究 所 谢丽华等． 枯 竭油气藏型地下储 气库事故分析及风 险识别． 天然 气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 n 1 1 6 1 1 9 ． 摘 要 目前世界上 7 6 ． 2 ％的地下储气库是利用枯 竭油气藏 改建 而成 的， 影响该类储气库安全问题的风险 因 素很 多， 机理 复杂。为此 ， 在储 气库事故资料统计分析的基础 上， 借 鉴输气管道 风险评价 方法， 归纳总结 出 了枯竭 油气藏型地下储气库存在注采 井或套管损坏 、 注气过程 中气体迁 移和储 气库地 面设施 失效 的三 类主要事故 类型， 对储 气库 系统 中的潜在风险因素进行 1 2大类 、 3 3小类的初 步分 类， 并根据风险因素与时间的关 系将风险分为依赖 时间、 稳定不变以及随机 出现三种类型， 进而采用事故树分析 的风 险评价方法 ， 排查 并分析 了造成 主要事故类型失 效的风 险因素 ， 对 主要事故风险 因素进行 了识别 ， 提出 了相 应的风 险评价程序 ， 为制订枯竭油 气藏 型地 下储 气库事 故 防 范措 施 和 安 全 管 理 决 策提 供 了依 据 。 关 键 词 枯 竭 油 气 藏 地 下储 气库 事 故 分 析 分 类 风 险 识 别 事 故 树 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 1 1 ． 0 3 4 枯竭油 气藏型 地下储 气库 能切 实解 决 天然 气 的 季节 调峰和 应急供气 问题[ 1 ] ， 但 储 气 库 系统容 易 受 到地质灾害、 腐蚀、 设备故障等风险 的不 良影响， 降 低 其稳 定 性 和 可 靠 性 。储 气 库 的 安 全 问题 至 关 重 要 ， 然 而 目前 关 于枯 竭 油气 藏 型 地下 储 气 库 的风 险 研 究未见报 道 。为此 ， 以统计 资料 为基 础 ， 开 展 了枯 竭 油气藏 型地下储 气库 事故 分析及 风 险识 别 评价 研 究 ， 有助 于切实维 护储气 库 的安全运 行 。 1 枯竭油气藏型地下储气库事故统计 根 据文献 报道_ 3 。 ， 全 球枯竭 油气藏 型地下 储 气 库共 发生过 1 6起事 故 ， 如表 1 所示 。 第 一起 被报道 的枯竭 油气 藏型 地下 储 气库 人 员 受伤 事故发 生 在 1 9 9 7年 ， 而 气 体 迁 移 事故 自 2 0世 纪 4 0年代 起 在美 国加 利福 尼 亚 州 的储 气库 就 已存 在 。全球枯 竭油气 藏型地 下储 气库 的事故 发 生率 约 为 3 ， 且全部 发生在 天然气 储存 和注气环 节 。 由表 1 可知 造成人 员受 伤 或疏 散 的事 故 有 3起 ， 约 占事 故 总数 的 1 9 。美 国 为 储 库 事 故 高 发 区 ， 共 计 1 4 起 ， 约 占事故 总数的 8 8 ， 而发生 在加利 福尼 亚州 的 事故高达 l 1 起 ， 占总数的 6 9 。 美 国加 利 福 尼亚 州 地下 储 气 库事 故 频 繁发 生 ， 与其 地理 位 置 及 历 史 有 着 密 不 可 分 的关 系 。 自 1 9 世纪 后半 叶至 2 0世纪早 期 ， 该地 区油 气 勘探 开发 活 动 密集 ， 仅 洛杉 矶 盆 地 就 有 7 O余个 油 田， 并 且 大 多 数 油井井位 紧密 相邻 。以 P DR枯竭 油 田为 例 ， 改建 而 成的地下 储 气 库 距 洛 杉 矶 盆 地 大 约 6 4 k m， 其 间 遍 布数百 口油 井 。如今 大多 数 油 井 已废 弃 ， 但 未 经 妥 善处理 ， 位置 亦难 以探 明 ， 从 而为储 气 库 气体 迁 移 提 供 了有 利 条 件 ， 埋 下 安全 隐患 。油 田进 行 新 井 开 发 或二 次开采 时提 高 了该 区块 的地 层 压力 或 者 储 气 库运 行压 力过 高 时 迫 使 地 下 储 气 库气 体 迁 移 离 开储层 ， 沿着 固井不 良或套 管 锈蚀 的 老井 上 升 ， 最 终 泄漏 到地表 。这些 老 井 周 边 大 多新 建 了住 宅 ， 因此 气 体迁 移事 故极 易造成 人身 伤亡 或财 产 损失 等严 重 后果 。此外 ， 加利 福尼 亚州正 处 于地 震 活动 期 ， 该 区 域 承受 板 块构 造 引起 的挤 压 力 ， 其 大小 通 常 与构 造 作用 力有关 。在 此过 程形成 的 背斜使 得 大 片地 层发 生 断裂 。众多 断层为 地下储 气 库气 体提 供 了 良好 的 泄漏 通道 ， 是 除 了废弃 老井 之外 ， 造 成气 体 迁移 事故 的另一 主 因。 2 枯竭油气藏型地下储气库事故 类型 文 献 报 道 的1 6 起 事 故 中 ， 除 1 起 事 故 原 因不 明 * 本文受到 中国石油天然气股份有 限公司科学研 究与技术 开发项 目的资助 。 作者简介 谢 丽华 ， 女 ， 1 9 8 0年生 ， 博士研究生 ； 主要研究方向为油气储 运系统安全 。地址 1 0 2 2 4 9 北京市 昌平 区府 学路 1 8号中国石油大学 2 4 6信箱。电话 1 5 2 1 0 0 4 0 1 5 4 。E ma i l x i e l i h u a l 9 8 0 1 2 6 ． t o m 1 1 6 第2 9 卷第1 1 期 天然气工业 外 ， 按 照失效机 理 ， 枯竭油气 藏 型地下 储气 库 事故 类 型可分 为 3 大类 ， 如下所述 。 2 ． 1注采井或套 管损坏 此 类 事故共 计 5起 ， 约 占事 故总 数 的 3 1 。事 故发生 地分别在美 国加利福 尼亚 3起 ， 美 国科罗 拉 多 1起 以及德 国巴伐 利 亚 1起 。美 国加 利 福 尼 亚 2 起事故是套管维修环节操作失误导致注采井损 坏 ， 另一起 则 是地 震 导致 注 采 井变 形 损 坏 。补救 措 施均 是采 取水 泥 塞封 堵损 坏 井段 ， 而后 定 向钻井 绕 开该段 ， 联 通 下部 井 段 。美 国科 罗拉 多 发 生 的事 故 是储气库 2 6号注采井 井下 1 6 0 0 m 处 套管 破裂 ， 气 体泄漏至地 下含水层 并沿周 边水 井上 升 至地表 。储 气 库紧 急关 停 1周后恢 复 运行 ， 然 而 补救 措施 并 未 报道。德国巴伐利亚发生的事故是储气库 2 1号注 采井 出现压 力 异 常 ， 表 明发 生气 体 泄 漏 。通 过 采 用 光纤 温度 测量 手段确 定具 体泄漏 点位 于井 下 5 8 6 m 处 ， 由注采井 管 柱 接头 损 坏所 致 。随 后及 时采 取 补 救 措施 ， 通 过更 换 密 封 进 行 泄 漏 修 复 ， 由于 处 理 得 当， 该事故并未酿成严重后果 。 2 ． 2 注气过程 中气体迁移 造成 此 类事 故 的 主要原 因有注 气量 超 负荷 、 储 层 存在废弃 老井或 断层等 。此类事 故所 占 比例 最大 约 4 3 ． 8 ， 且大多发生在美 国加利福尼亚 。注气量 超 负荷为工 作人 员操 作失 误所 致 ， 属 于 管理 问题 ； 而 储层存在废弃老井或断层等则属于地质构造 原因。 2 ． 3储气 库地面设 施失效 此类事故共计 3起 ， 约 占事故总数 的 1 8 ． 8 。 气体 脱水 处 理装 置 失效 爆 炸导 致 的事 故有 2起 ， 均 造 成 了严 重 后果 。1 9 9 3年 1 O月发 生在 美 国加利 福 尼 亚的事故爆 炸 波 及 范 围达 1 ． 6 k m， 造 成 车 、 船 等 财产 损 失 5万 美 元 ， 储 气 库 损 失 近 2 0 0万 美 元 ； 而 2 0 0 6年 2月发生在英 国北海南 部 的事 故导致 2 名 员 工烧伤 ， 储 库 被 迫暂 时 关 停 。压 缩 机组 失 效 导 致 的 事故有 1 起， 2 0 0 3 年 4月发生在美国加利福尼亚 ， 阀 门破裂致使天然气急剧喷 出长达 2 5 mi n ， 气柱高达 3 0 m， 并 与油混合 形成棕 色雾云 ， 对 当地 环境 造成 污 染 ， 所幸未 起火造 成人员伤 亡 。 3 储气库风 险因素识别及其评价 国际管道技术委员会 P R C I 曾将输气管道风 险因素分为 9个大类 、 2 2个小类。借鉴此分类方法， 结合储气库 自身特点和事故资料统计分析， 将枯竭 1 1 7 天然气工业 2 0 0 9 年 l 1 月 油气藏 型地下储 气库风 险 因素划 分 为 ’ 1 2个 大类 、 3 3 个 小类 ， 并根 据风险 因素与 时间 的关 系列 表 表 2 。 表 2枯竭油气藏型地下储气库的风险因素分 类表 类别 与时间关系 风 险因素名称 小类名称 羚蘸 藏嗷 内腐蚀 内腐蚀一 依赖时间 细菌腐蚀 细菌腐蚀 应力腐蚀 应力腐蚀 机械疲劳、 振动 压力波动金属疲劳 管体缺陷 制造缺陷 管焊缝缺陷 井口装置缺陷 环焊缝缺陷 焊 接 、舡缺 陷 篓 裹 缺 陷 管内壁皱褶变形 稳定不变 失效 固井水泥、 封隔器或套管失效 设备缺陷 密封失效 气体脱水处理装置换热器失效 气体脱水处理装置冷却器失效 压缩机组失效 地质构造缺陷 误操作 } 与时间无关 ’ 断层 废弃井 注气量超负荷 运行压力超高 维护操作失误 第三3 - 活动造成的破坏 管材的延滞失效 人为故意破坏 极端温度 如寒流 狂风 裹挟岩属 一 气候、 外力作尉 暴雨、 洪水 雷电 大地运动、 地震 在 对枯竭 油气藏 型地 下储气 库 风 险因 素初 步分 类 的基 础上 ， 可采用 事故树 分析 的 风险 评价 方 法 ， 排 查并 分 析造 成 事故 类 型 失效 的风 险 因素 ， 此 过 程 称 之 为风险识 别 。对 一 项 工程 进 行 风 险评 价 ， 首 要 工 作 即是识别其 风 险因素 。 如 前 所述 ， 枯 竭 油气 藏 型 地下 储 气 库 的事 故 类 型 主要 为 注采 井 或套 管 损 坏 、 注 气过 程 中 气体 迁 移 和储 气 库 地 面设 施 失 效 3种 。针 对 这 3种 事 故 类 型 ， 储 气库 的风 险 因素共 有 1 1种 ， 整 个 系 统 的事 故 树 如图 1 所 示 。 对 于 各 种不 同的 风 险 因素 ， 可 在风 险 识 别 的基 础 上开展定 量风 险评价 研究 ， 建立 相 关事 故 模 型 ， 进 而判断其 失效概 率 、 计算 失效 后果 ， 最 终确 定 主 要风 险及其 控制措施 。风 险评价 程序见 图 2 。 ． 】 】 8 图 1 枯竭油气藏型地下储气库事故树图 图 2枯竭油气藏 型地 下储气库风险评价程序图 4 结论 枯 竭 油 气 藏 型 地 下 储 气 库 的安 全 问 题 至 关 重 要 ， 其 风险 是 多 方 面 的 ， 与储 气 库 的规 划 、 设 计 、 施 工 、 运 营 、 维 护 以及 检修 的各 过程 密 切相 关 。 因此必 须从 系 统 安全 的角 度 出发 ， 在 储 气 库事 故 资 料统 计 分析的基础上， 借鉴输气管道风险评价方法 ， 结合储 气库 特 点 对 系统 中潜 在 风险 因素 进行 初 步 分类 ， 将 其划分 为 1 2大类 、 3 3小类 ， 并建 立 事 故树 进 行 主要 风 险 因素 识 别 ， 进 一 步利 用 事故 模 型 判 断 系统 发 生 事故 的可 能性及 其危 害程度 ， 确 定 其风 险 大小 ， 建 立 相 应 的风 险 评 价程 序 ， 为制 订 风 险 防范措 施 和 安 全 管理 决策 提供科 学依 据 。 参 考 文 献 [ 1 ]谭羽非 ． 天然气地下储 气库技术 及数值模 拟 [ M] ． 北京 石 油 工业 出 版社 ， 2 0 0 7 1 5 ． [ 2 ]丁国生 ， 谢萍． 中国地下储气库现状与发展展望[ J ] ． 天然 第 2 9 卷第 l 1 期 天然气工业 气 工 业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 6 1 1 1 1 1 3 ． E 3 ]王起京 ， 张余 ， 张利亚． 赴美储气库 调研及其启 示E J ] ． 天 然气 工 业 ， 2 0 0 6， 2 6 8 l 3 O 一 1 3 3 ． [ 4 ]E n e r g y I n f o r ma t i o n Ad m i n i s t r a t i o n O f f i c e o f Oi l a n d Ga s，U．S． Un de r g r o u nd na t u r a l ga s s t o r a ge de v e l o p me n t s 1 9 9 8 2 0 0 5 [ E B ／ O L ] ．[ 2 0 0 6 1 0 ] ． h t t p ∥ W WW ． e i a ． d o e ． g o v ／ o i l g a s ／ f wd ／ n g s t o r a g e ． h t m1 ． E 5 3 B E R E S T P ．A c c i d e n t s i n u n d e r g r o u n d o i l a n d g a s s t o r a g e s c a s e h i s t o r i e s a n d p r e v e n t i o n [ J ] ． T u n n e l l i n g a n d Un de r gr o un d S pa c e Te c hn o l o g y． 1 99 0， 5 4 3 27 3 35 ． r 6 ]TH0MAS L DAVl S，J AY S NAMS 0N．Ro l e o f f a u l t s i n Ca l i f or ni a o i l f i e l dsPTTC f i e l d t r i p Au gus t 1 9， 2 00 4 [ E B ／ OL ] ．[ 2 0 0 4 0 8 1 9 ] ．h t t p ∥ WW W ．d a v i s n a ms o n ． c o m／ d o wn l o a d s ／ P TTC F i e l d Tr i p 1 9 Au g 0 4一Fi n a l t e c hn ol o gi e s a nd i nc i d e nt s，f o r t h e de v e l o pme n t of r i s k a s s e s s me n t me t h 0 d o 1 o g y [ E B ／ 0 I ] ． [2 0 0 8 0 2 1 3 ] ． h t t p ∥W WW ． h s e ． g o v ． u k ／ r e s e a r c h ／ r r p d f ／ r r 6 O 5 ． p d f ． r 9 ]GAE TAN RI MMEI E，VE RONI QUE BARLET GOUE DARD，0LI VI ER P0RCHERl E，e t a 1 ． He t e r og e n e ou s p o r o s i t y d i s t r i b u t i o n i n p o r t l a n d c e me n t e x p o s e d t O COz r i c h f l u i d s I- j ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ， 3 8 8 1 0 38 1 04 8 ． r 1 O ]S ANDE EP S HARMA， PE TE R COOK，S ANDY ROB I NS ON ，e t a 1 ． Re g u l a t o r y c h a l l e n g e s a n d ma n a g i n g p u b l i c p e r c e p t i o n i n p l a n n i n g a g e o l o g i c a l s t o r a g e p i l o t p r o j e c t i n Au s t r a l i a [ J ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Gr e e n h o u s e Ga s Co nt r ol ， 20 07， 1 2 2 47 2 52 ． [ 1 1 3 S T E F O P OUL OS E K，DA MI G OS D G ．D e s i g n o f e I ． oRe s ．p df ． me r g e n c y v e n t i l a t i on s y s t e m f o r a n u n de r gr o un d s t or a g e [ 7 3 GUR E VI CH A E ，E N D R E S B I ，R OB E R TS ON j O f a c i l i t y [ J ] ． Tu n n e l l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l J R．e t a 1 ．Ga s mi g r a t i o n f r o m o i l a n d g a s f i e l d s a n d a s s o o g y ， 2 0 0 7， 2 2 3 2 9 3 3 0 2 ． c i a t e d h a z a r d s [ J ] ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 3 ， 9 3 2 2 3 2 3 8 ． 收稿 日期2 0 0 9 0 2 0 4 编辑何明 [ 8 ]E VAN S D J ． An a p p r a i s a I o f u n d e r g r o u n d g a s s t o r a g e j ； 嗡 ； 石 ； ； ； } 0 ； 写 、 e ；＼ ； UB D技术 与 MP D技 术 的展 望 随着大量低产 、 低渗区块 的发现及油气勘探难度的增加 ， 井下复杂情况增多 ， 常规 钻井方式 难以取得突破 。UB D技术 及 MP D技术是其中可行 的钻井技术 ， 在未来钻井技术发展 中有着广阔的前景 。 UB D技术的发展趋势 ①随着工具的进一步改进 ， 全过 程 UB D技术将得到广泛应用 ； ②基 于 UB D技 术的 MP D技术将 得到快速发展 ； ③UB D水 力分析模型会更加完善 ， 计算结果将更切合 实际 ； ④随钻井底压力 、 地层压力测 量技术将迅速发展 ； ⑤与套管钻井相结合 的 UB D技术将 日臻完善 ； ⑥空气 钻井 、 泡 沫钻 井 、 雾化钻 井等技术将广泛推 广和应用。未来的 UB D技 术将进一步朝着安全 、 简便和适用的方 向发展。这对 于发现低孔低渗储 层油气、 保 护油气层 、 提高钻 井速度等都具有重要 意 义 ， 该技术将广泛用于低压低渗油气田和老油气 田。 MP D技术为提高钻井作业的经济效益提供 了一种方法， 可以在短 时间内获得较高的油气流， 提高油气开发的可采储量 ， 而且 MP D技术可能是天然 气水合 物钻井 中唯一可 行的技 术。MP D技 术所带 来的突 破性变化 不如 真正的 U B D技 术 ， 但 MP D技术是 U B D技术所必须的 、 容易接受 的突破性技术 。目前 ， 在我 国对该技术的引进与吸收还不够， 但随着油气勘探难度 的增 加，井下复杂情况会增多 、 钻井费用剧增 ， 人们将越来越深入地认识理解 MP D技术 ， 并应用这一先进 的井控设备 和方法 实现钻井技术最优化 ， 解决石油工业上最 困难 、 最昂贵的井下难题 ， 达到提高钻井经济效益、 减少非生产时间 、 降低钻井成本 的 目的。如果应 用 MP D技术，在继续钻进时实现更精确 的压力控制从 而减少 4 O 的非生 产时间，那么 ， 或许 多达 1 0 ～ 1 5 的“ 边际” 钻井勘探 ， 可以在批准预算内获得 良好的经济效益 。保险公司代理商 MMS乐意将 目前预算的 2 O 用 于这项 安全钻井技术 ， 从而影 响和促进整个钻井行业的发展伴随着油气田的勘探开发进入中后期 ， “ 三低” 油气 田的经济有效 的开发 变得 尤为重要低压 、 低渗 、 低产油气藏 ， 特别是衰竭油气藏 ， 使用 MP D技术 ， 可达到提高单井产 量、 提高钻井效率、 降低钻 井成本的效果。目前存在 的主要问题是许多公司不想去承担试验新技术带 来的风险 ， 但经 过一段时间 ， MP D技术会像 U B D 技术一样 ， 变成一种公认的方法并用于常规钻井作业 中。 谭蓉蓉摘编