枯竭气藏型地下储气库工程安全风险与预防控制措施探讨
Outline:
杨琴
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余清秀
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银小兵
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周大为
,
熊军
收稿日期：2011-03-08；修回日期：2011-04-07
作者简介：杨琴:女。毕业于石油大学(华东)化工设备与机械专业，目前在中国石油西南油气公司安全环保与技术监督研究院从事安全评价与研究工作。电话：028-82972743.
摘要：在对国内已建成的多座地下储气库建设与运行的资料收集及现场调研的基础上，结合某拟建的地下储气库工程及周边环境实际情况，分析枯竭型气藏改建地下储气库工程的主要危险有害因素，并提出了预防和控制建议措施。
关键词：储气库 安全风险 预防控制措施
Discussion on the Safety Risk and Prevention and Control Measures for Dry Gas Reservoir Type of Underground Gas Storage Engineering
Outline:
Yang Qin
,
Yu Qingxiu
,
Yin Xiaobing
, et al
Research Institute of Safety & Environmental Protection and Technical Supervision of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company
Abstract: On the basis of construction and operation data collected and field research for a number of domestic existing underground gas storages, combined with the proposed underground gas storage and surroundings, major harmful elements are analyzed for the reconstructed engineering of dry gas reservoir as underground gas storage, and some prevention and control measures are proposed.
Key words:
gas storage safety risk prevention and control measures
鉴于天然气消费存在季节不均衡性和管网系统对突发事件应急能力差的缺陷, 具备储气量大、安全系数高、调峰应急能力强等优点的地下储气库已成为输配气系统的重要一环[1]。目前，世界上有600多座地下储气库，主要分布在欧洲和北美洲, 其中76%的地下储气库是枯竭型油气藏改建而成的。中国的地下储气库起步较晚，开始研究地下储气库是在20世纪90年代初。到目前为止，国内已建成大张坨、板876、板中北、板808、板828、板中南、江苏金坛盐矿和江苏刘庄气田等地下储气库。同时，即将在华北、西北、西南等地开展地下储气库建设。
枯竭型气藏改建储气库的基本原理是：通过油气田原有的生产井和建库时增加的气井往枯竭油气层中注入天然气或从中采出天然气。对已枯竭的气藏，采取先注后采循环运行的方式。地下储气库储存的天然气具有易燃、易爆、易窜的特性，在其运行中存在注入气体迁移、注采井损坏、地面设施失效等安全风险，可能造成天然气泄漏，对周边人民的生命和财产安全造成威胁，引发火灾、爆炸等安全事故。而我国对地下储气库的安全风险与管理研究还处于起步阶段[2-3]。
1 枯竭型气藏改建储气库工程安全风险识别
根据文献报道，全球枯竭油气藏型地下储气库共发生过16起事故，主要事故类型为：气库的密封性遭到破坏造成的气体迁移、注采井或套管损坏、储气库地面设施失效等。以下主要从地下储气库、注采气井、地面设施三方面进行风险识别。
1.1 地下储气库
地下储气库的主要危险是气库的密封性遭到破坏，造成气体迁移引发的安全事故。储气库区域内煤矿的采矿作业、其他类型新井钻、探等活动；老井的封堵质量达不到规范要求；注气过程中由于注气量超负荷、有地质断层、第三方破坏；发生强烈地震等都可能对储气库气密性造成破坏，造成注入气体发生迁移，最终泄漏至地表，引发火灾、爆炸事故。
1.2 注采气井
注采气井在超长期反复的注采气过程中，地下储气库的注采气井的套管、水泥环、井壁岩石都受到高压注气、循环载荷、地应力不均匀及腐蚀环境等多种因素作用，可能造成注采井损坏，从而使天然气泄漏至地表而引发事故。注采气井的危险、有害分析见表 1。
表 1
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表 1 注采气井主要危险、有害因素分析表
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1.3 地面设施
地面工程是天然气注入、采出、处理、运输的全部生产过程，其物料的危险性反映出系统易燃、易爆等主要危险特征。储气库地面工程和油气田产能工程有相似之处，通过对国内外储气库事故分析及国内储气库运行调研，可知储气库地面设施的主要危险是管道、压力容器、注气压缩机等的失效引起天然气泄漏，从而引发的火灾、爆炸事故。
1.3.1 管道
管道主要风险是管道发生天然气泄漏或爆裂、物体打击等。具体分析见表 2.
表 2
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表 2 管道主要危险、有害因素分析
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1.3.2 压力容器
压力容器主要危险是容器爆裂或泄漏引发的安全事故。设计制造存在缺陷或长期运行后产生新的缺陷，导致容器承压不足或受外力冲击；焊接材料或焊接工艺不满足规范要求，造成脆性破坏；压力元件失效，承压能力不足；操作失误、压力温度与液位等监测仪表失效、安全阀失效、防雷与防静电设施失效等都可能引发容器爆炸，导致系统发生意外伤害事故。
1.3.3 注气压缩机
目前，地下储气库注气压缩机多采用的是往复式压缩机组，其主要危险是燃烧爆炸、振动危害、机械事故、机械伤害等，具体分析见表 3。
表 3
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表 3 注气压缩机主要危险有害因素分析
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2 预防与控制措施探讨
2.1 地下储气库
地下储气库必须具备气体“注得进、采得出、存得住”的功能。气库构造的落实程度以及气藏的圈闭性有效评价是气库建设的关键，首先要进行库址的构造筛选，从盖层有效性评价和断层封闭性评价、地质条件及地壳稳定性等多方面论证储气库的可行性，以确保气库的建成实施。
储气库具有短期高产、高低压往复变化、长期使用的功能；储存介质为高压天然气，具有易燃、易爆、易窜的危险特性。为保证气库的气密性不受到破坏，主要有以下几方面措施：
(1) 为保证工程建设和生产运行安全，根据《中华人民共和国石油天然气管道保护法》(中华人民共和国主席令第三十号)第二十九条：禁止在储气库构造区域范围内进行工程挖掘、工程钻探、采矿。
(2) 鉴于储气时是一个增压的过程, 而将储存的天然气采出却是一个减压的过程，同一构造上应力环境的变化可否引起断层新活动，从而诱发地震, 是储气库营运过程应密切注视的问题。因此，应合理控制注采过程，以利安全生产。
(3) 新井要远离断层、封闭性差和老井过密的区域, 防止注采循环压力变化剧烈, 造成老井井漏、断层或地层的气密性损坏, 影响气库封闭性。布井时要依靠数值模拟方法, 对注采方式、井数和对应关系等进行敏感性分析和优化。
(4) 开展定期监测，分析储气库是否正常运行。对地下储气库的监测应包括：a.注采气井在生产和关井状态下的压力监测；b.储气库盖层的密封性监测；c.储气库断层的监测；d.注采气井井下管柱腐蚀监测；e.注采气井注(采)气剖面及流量的监测；f.储气库观察井气水界面的监测。
(5) 对于不再利用的老井，建库注气之前就要进行永久性封堵报废，防止老井在储气库运行过程中发生天然气泄漏。在储气库运行期间应加强对老井封堵井口的压力监测。
2.2 注采气井
注采气井具有强采强注、高低压循环往复的特点，对井身的安全性要求高，要保证超长期(30年~50年)安全使用，主要有以下几方面措施：
(1) 注采气井的井身结构应满足储气库高强度注采需要，满足长期安全生产的需要，套管应选择抗腐蚀材质。
(2) 注采气井的完井管柱要选择气密封型生产管柱，而且固井水泥浆都应返到地面, 保证气库盖层顶界以下生产套管的固井质量, 确保气库安全使用。
(3) 油层套管与生产油管全部采用气密封螺纹，并与井下封隔器配合使用，实现生产过程中的零套压，保证安全生产。
(4) 井口装置应能保证储气库注采气过程长期安全工作，井口应依据储气库运行最高压力进行等级选择，安装前需进行整体气密封检验，采用法兰连接、金属与金属密封方式。
(5) 注采井应设置井下安全阀，井下安全阀的控制由地面安全控制系统完成。地面控制系统应在井场发生火灾或爆炸的情况下能自行关闭井下安全阀，并应能收集注采站站控系统的指令，远程关闭井下安全阀。
(6) 在反复的注采气过程中，地下储气库的注采气井的套管、水泥环、井壁岩石和储气地层都受到高压注气、循环载荷、地应力不均匀及腐蚀环境等多种因素作用，井筒的承载能力和安全使用寿命周期直接影响井筒的安全可靠性及储气层的吞吐能力，需对其进行专门研究，以防患于未然。
2.3 地面设施
地面设施发生事故的主要原因是超压、超载、操作失误、违章作业、维护不周、设计、制造、安装、检修不合理引起的。因此，需从设计、选型、采购、安装到投产、运行、维护、改造各个阶段制定科学、合理、有效的防控措施，进行全过程的管理，才能进一步杜绝事故的发生。
注气压缩机作为地下储气库的核心设备，其作用是将天然气加压注入地层，具有高压力、大排量的特点，压缩机的选用和安装直接关系到机组的正常安全运转。以下主要对压缩机的选用及安装提出一些防控措施：
(1) 应选择适宜可靠的压缩机组，注气压缩机的选购应对机组的气流脉动与振动提出控制要求，以降低大型多台机组的管系振动。
(2) 压缩机管道安装设计应符合下列要求：压缩机进口应设压力高、低限报警及低压越限停机装置；压缩机各级出口管道应安装全启封闭式安全阀；压缩机进出口之间应设循环回路；应采取防振、防脉动及温差补偿措施。
(3) 压缩机出入口设置缓冲罐以降低气体脉动、平缓气流、降低设备振动、分离油水。机组入口气体设压力控制系统，最大限度地减轻入口气体压力大幅变化对运转中机组平稳操作的影响；压缩机紧急放空阀处设多级节流孔板，减轻管线的振动，提高系统的安全性。
(4) 压缩机间的气管线应地上铺设，并设有进行定期检测厚度的检测点，吸入管道应有防止产生负压的措施。多级压缩的可燃气体压缩机各段间，应设冷却和汽液分离设备，防止气体带液进入气缸。
(5) 压缩机基础应按照SH3091-1998《石油化工压缩机基础设计规范》要求，采取减振、隔振措施。
3 小结
综上所述，地下储气库工程的安全与储气库的规划、设计、施工、运营、维护以及检修的各过程密切相关。确保地下储气库的安全长周期运行必须保证各个环节的安全。首先是储气库的建库设计评价必须保证地下储气库具备气体“注得进、采得出、存得住”以及短期高产、高低压往复变化、长期使用的功能；其次是注采气井井身的安全性要高，井身结构要满足强注强采、高低压循环往复的要求。而地面工程运行参数、压力变化范围大，对地面设施的运行安全提出了较高的要求，其安全管理也就显得尤为重要。
总之，地下储气库的安全管理是一个系统工程，安全管理工作必须贯彻于储气库生产活动的整个过程和各个方面，才能及时消除潜在的不安全因素，预防事故的发生。
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申瑞臣, 田中兰, 袁光杰. 地下储气(油)库工程技术研究与实践[M]. 北京: 石油工业出版社, 2009.
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| [3] |
赵树栋, 王皆明. 天然气地下储气库注采技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 2000.
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2011, Vol. 40