商 翼

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

壓裂技術(shù)是目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的主流儲層改造技術(shù)，保障油氣田高效、高產(chǎn)開發(fā)[1]。壓裂施工過程屬于典型的高壓作業(yè)，地面設(shè)備內(nèi)部承壓普遍在30～70 MPa，甚至?xí)^100 MPa[2]。同時，還具有涉及設(shè)備多、工藝復(fù)雜、工況惡劣，難以救援與逃生等特點，在作業(yè)過程中極易發(fā)生HSE事故。因此，必須對壓裂作業(yè)過程進行全面的風(fēng)險分析并加強管控[3，4]。

1 壓裂作業(yè)過程的主要風(fēng)險因素分析

壓裂施工流程包括壓裂施工前準(zhǔn)備、壓裂施工、排液與測試等。壓裂施工時壓裂液先后通過液罐、混砂車、壓裂泵、高壓管匯、井口裝備、壓裂管柱、射孔炮眼最終到達并壓裂地層。通過識別，作業(yè)過程中存在的主要風(fēng)險類型包括壓裂設(shè)備失效、環(huán)境污染、作業(yè)人員傷亡、應(yīng)急救援困難等，如圖1所示。

1.1 壓裂設(shè)備失效

在壓裂作業(yè)的高壓條件下，極易發(fā)生井身結(jié)構(gòu)破壞、管線/彎頭爆裂、壓裂管柱刺漏、砂堵等工程事故，甚至引發(fā)井噴和火災(zāi)爆炸等災(zāi)難性事故。

圖1 壓裂作業(yè)過程風(fēng)險因素示意

1.1.1壓裂彎頭失效

壓裂彎頭廣泛應(yīng)用于壓裂施工中，用于改變高壓流體方向。在作業(yè)過程，彎頭內(nèi)部承受著壓裂液和支撐劑沖擊力和交變載荷、壓裂泵運行引起的振動載荷以及壓裂液的腐蝕作用。壓裂彎頭失效原因主要包括：①彎頭內(nèi)部由于固液沖蝕造成壁厚嚴(yán)重減薄導(dǎo)致的刺穿失效；②彎頭內(nèi)部由于應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生裂紋并延伸后導(dǎo)致的斷裂失效；③壓裂泵震動導(dǎo)致彎頭的疲勞斷裂失效；④彎頭內(nèi)部由于長期受到壓裂液腐蝕產(chǎn)生的刺穿失效[5,6]。

1.1.2壓裂管線失效

壓裂作業(yè)中壓裂液攜帶大量支撐劑在管線中高速流動，一旦在接頭處發(fā)生流道變化，就會在該部位發(fā)生沖蝕作用導(dǎo)致管線壁厚降低，最終造成管線刺漏失效。另外，周期性高壓作業(yè)過程中產(chǎn)生的循環(huán)載荷將導(dǎo)致管線發(fā)生疲勞破壞，始于內(nèi)壁的裂紋徑向擴展至外壁進而縱向擴展至橫向斷裂處，最終導(dǎo)致管線斷裂。而流固沖蝕、應(yīng)力腐蝕以及壓裂液腐蝕的共同作用會加快壓裂管線失效。

1.1.3壓裂泵泄漏/爆炸

試壓及作業(yè)過程是大功率、大排量、高壓力的高風(fēng)險作業(yè)，在作業(yè)過程中由于焊縫、砂眼、密封不嚴(yán)等原因會導(dǎo)致壓裂泵發(fā)生刺漏甚至失效；同時，由于超壓保護裝置失靈、管線堵塞、壓縮工作液無法釋放等原因引發(fā)的泵內(nèi)超壓也會導(dǎo)致壓裂泵發(fā)生物理爆炸甚至整體報廢[7]。

當(dāng)壓縮液體盛裝在容器內(nèi)超壓發(fā)生爆炸時，所釋放出的能量為壓縮液體、壓力、體積變化的函數(shù)，爆破能量計算模型為：

(1)

式中：Et——常溫液體壓力容器爆炸時釋放的能量，kJ；

p——液體的絕對壓力，MPa；

V——容器的體積，m3；

βt——液體壓力p和溫度T下的壓縮系數(shù)。

1.1.4井噴失控

在壓裂和放噴過程中，井口裝備工作環(huán)境惡劣。特別在放噴過程中井控裝備承受井內(nèi)高壓以及含砂流體的沖蝕作用，一旦閘板防噴器被刺壞導(dǎo)致無法正常關(guān)井就會引發(fā)井口失控甚至引發(fā)井噴[8]。

綜上所述，壓裂作業(yè)過程中存在著眾多壓裂設(shè)備失效風(fēng)險，且絕大多數(shù)事故的發(fā)生都伴隨壓裂設(shè)備失效問題，同時還可能導(dǎo)致環(huán)境污染和人員傷亡[9]。

1.2 環(huán)境污染

1.2.1油氣儲層及地層水污染

壓裂液中除了含有95%以上的水和支撐劑以外，還包含了諸如殺菌劑、表面活性劑在內(nèi)的大量化學(xué)添加劑，作業(yè)過程中壓裂液還會將液罐中的垢、銹等各種雜質(zhì)帶入地層，一旦壓裂過程中反排不徹底就會造成壓裂液滯留并儲層污染。如果在壓裂過程中出現(xiàn)壓竄水層的情況，壓裂液進入地下水層系，則會導(dǎo)致大規(guī)模地下水污染[10]。

1.2.2大氣層污染

在放噴過程中，隨含砂流體一起排出井口的還包括部分甲烷和其他溫室氣體，同時在水力壓縮和天然氣壓縮過程中還會釋放出部分VOCs和AHP，這些有毒有害氣體以及結(jié)晶硅石粉塵(石英砂支撐劑與其他粉塵混合產(chǎn)生)未經(jīng)處理被排放后會造成大氣污染[11]。

1.2.3地表層污染

壓裂作業(yè)過程中，一旦發(fā)生管線斷裂、刺漏、井噴，壓裂液、原油以及有毒有害物質(zhì)就會大量泄漏至地表，造成嚴(yán)重的土壤、地表水污染。除此之外，壓裂過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水(壓裂返排液、設(shè)備沖洗水、剩余壓裂液等)、廢油(柴油、機油、潤滑油等)、生活廢水，也會因儲存-運輸-處理-排放過程中的操作不當(dāng)或偷排等情況造成重大地面污染事故。

1.3 作業(yè)人員傷亡

1.3.1物體打擊傷害

壓裂過程中的物體打擊傷害主要包括4部分：設(shè)備擺放不合理導(dǎo)致的碰傷、砸傷；管道斷裂后的系統(tǒng)響應(yīng)(振動、拋物、甩擺等)導(dǎo)致的打擊傷害；帶壓設(shè)備泄漏、穿孔導(dǎo)致的流體、固相顆粒的打擊傷害；壓裂泵爆炸導(dǎo)致的金屬碎片和超壓沖擊波傷害。

研究表明，胸部受到的沖擊力如超過6.4 kN，人體便會受到嚴(yán)重傷害，發(fā)生胸骨、肋骨骨折和心肺損傷，鑒于壓裂作業(yè)壓力普遍超過50 MPa，一旦發(fā)生由于設(shè)備失效導(dǎo)致的物理打擊傷害，將會造成嚴(yán)重的人員傷亡事故。

1.3.2高壓射流傷害

壓裂作業(yè)過程中，由于沖蝕、鑄件、密封不嚴(yán)等原因產(chǎn)生刺漏，高壓流體攜帶固體顆粒從裂縫中噴射出來，可能將作業(yè)人員刺傷，嚴(yán)重時可將作業(yè)人員刺死，由于刺漏導(dǎo)致的流體噴射射程計算計算公式為：

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中：Q——壓裂液液排量，m3/s；

wo——超高壓管內(nèi)流速，m/s；

p0——壓裂泵的最高工作壓力，MPa；

D——噴射小孔的直徑，m；

H——小孔距離地面高度為，m；

L——噴射射程，m；

γ0——泵內(nèi)部水的密度，kg/m3；

γc——噴射出口處即在大氣中水的密度，kg/m3；

α0——流體在小孔入口處的動能損失系數(shù)；

αc——流體在小孔出口處的動能損失系數(shù)；

wc——流體在噴射口處速度， m/s；

δc——流體的局部損失系數(shù)。

1.3.3中毒及職業(yè)健康風(fēng)險

壓裂作業(yè)中有毒有害氣液泄漏、對外噴射會對作業(yè)人員造成酸性灼燒甚至急性中毒[12]，同時還會增加作業(yè)人員其他職業(yè)健康風(fēng)險。

2 壓裂作業(yè)過程風(fēng)險的安全對策及建議

為保障壓裂施工的安全，需要根據(jù)對應(yīng)風(fēng)險制定安全防范對策和建議來加以預(yù)防和控制，如表1所示。

3 結(jié)論與展望

a) 壓裂施工由于涉及設(shè)備多、工藝流程復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣，一直是油田企業(yè)的主要安全隱患。本文通過對大排量、高壓力壓裂作業(yè)過程中的主要風(fēng)險進行識別，確定了壓裂作業(yè)過程中的主要風(fēng)險類型包括壓裂設(shè)備失效、環(huán)境污染以及作業(yè)人員傷亡。

b) 分析得到壓裂作業(yè)過程中的主要風(fēng)險發(fā)生環(huán)節(jié)和危害嚴(yán)重程度，并針對風(fēng)險類型提出了安全防范對策和建議。

c) 針對當(dāng)前壓裂作業(yè)施工安全保障技術(shù)存在的諸多不足，應(yīng)盡快完成關(guān)鍵工具數(shù)字化改造、高壓管匯損傷在線監(jiān)測系統(tǒng)研制以及大型壓裂施工安全防護技術(shù)研發(fā)工作，實現(xiàn)壓裂作業(yè)過程的本質(zhì)安全，以此保障油田企業(yè)安全生產(chǎn)。