煤層氣開采過程安全風險分析

陳兵替 王建中 謝友友 劉 杰

(中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

煤層氣開發屬新興行業,其作業程序復雜,工序較多,對其在開發中的危險因素和安全風險進行分析,找出其安全生產的客觀規律,對如何進行安全管理有著重要的意義。

1 煤層氣物理、化學屬性分析

根據《石油天然氣工程設計防火規范》(G B50183-2004)中可燃物質火災危險性分類,煤層氣的火災危險等級為甲B類,其危險性主要表現為易燃性、易爆性、易擴散性等。

煤層氣中的主要成份為甲烷,閃點為-188℃,最小點火能0.28mJ,引燃溫度538℃。其爆炸極限范圍為5.0%～15.0%(體積比),爆炸下限較低,泄漏到空氣中易形成爆炸性混合物,遇明火或高熱極易燃燒。

甲烷的密度比空氣輕,是空氣的0.55倍,故煤層氣有較好的擴散性。

2 煤層氣開發關鍵流程介紹及安全風險分析

煤層氣的開發有一套與常規天然氣開發有明顯區別的鉆井、采氣、增產等專門技術。煤層氣在煤層中的存在狀態有三種：吸附態、溶解態和游離態,其中吸附態所占比例最大,煤層氣的產出機理即排水-降壓-解析-擴散-滲流,而天然氣主要是靠自身的正壓產出。因此,在煤層氣開發過程中各作業環節發生井噴的概率相當小,安全風險也小。煤層氣開采作業由鉆前工程、鉆井、測井、固井、射孔、壓裂、排采、集輸等諸多生產作業構成的一個大的產業體系,其作業流程圖見圖1,其大部分工作在野外分散進行,環境條件和工作條件都較為惡劣。

圖1 煤層氣開發流程圖

2.1 鉆前工程

鉆前工程指開鉆前的準備工程,包括踏勘井位、修筑道路、井架安裝、鉆機搬遷與安裝、土方工程施工等,是整個鉆井施工的基礎工作。鉆前工程質量關系到整個鉆井施工的成敗和安全。其主要危險因素有自然危害、高處墜落、起重傷害、物體打擊、機械傷害、觸電傷害、火災、運輸事故、坍塌事故等。

2.2 鉆井工程

煤層氣鉆井工藝和石油鉆井相似,都是在井眼鉆成后,全井下生產套管、固井,然后通過射孔、壓裂等工藝,最后達到采氣的目的。其主要危險因素包括高處墜落或物體打擊、頂天車、起重傷害、機械傷害、觸電及電氣火災、井塌、井漏、井架傾倒或傾斜、火災等。

2.3 測井工程

測井,即地球物理測井,它是利用電、聲、熱、放射性等物理原理,辨別地下巖石和流體性質的方法,它能直接為煤層氣地質和工程技術人員提供各項資料和數據。其主要任務是：獲取目標煤層的儲層參數,包括：煤層埋深、厚度、結構,煤巖及煤質特征;研究氣井的技術狀況,如井斜、固井質量等。煤層氣自然伽馬測井主要利用的是放射性同位素示蹤測井技術,其主要危險因素包括輻射傷人、放射源丟失或落井、車輛傷害、觸電等。

2.4 固井工程

固井是鉆井過程中的重要作業,目的是將套管固定在井內,把水和其他流體從井內替出,其分為下套管、注水泥漿、井口安裝和套管試壓三部分,其中管匯試壓15MPa。其主要危險因素包括車輛傷害、機械傷害、物體打擊、觸電、井噴、井漏、高壓傷害等。

2.5 射孔工程

射孔采用電纜輸送,將射孔槍彈送至射孔層位,引爆射孔彈完成射孔,使井眼與地層相通。其主要危險因素包括射孔彈爆炸、觸電及電氣火災、物體打擊與機械傷害、車輛傷害。

2.6 壓裂工程

壓裂工程是利用水力作用,使煤層形成裂縫的一種方法,又稱煤層水力壓裂。其目的是對已完鉆井的煤層進行壓裂,增加煤儲層導流能力,提高煤層氣井產氣量。所需設備包括砂罐車、混砂車、輸砂器、管匯車、壓裂泵車 (6～8臺)、儀表車等(見圖2),作業壓力最高可達40MPa。主要危險因素有火災、爆炸、高壓傷害、車輛傷害、物體打擊與機械傷害。

圖2 壓裂現場設備布置圖

2.7 地面排采集輸與增壓處理工程

煤層氣要實現商業化,還必須有相應的地面排采集輸與增壓處理工程等配套工程,包括裝抽工程(采氣工藝)、集輸管線建設、場站建設等,其特點是集輸密集,工藝流程長,并要求密閉和連續性長周期運轉。在地面工程建設及工程完畢后的運行階段,同樣存在著各種類型的危險,如火災、爆炸、管道破裂、車輛傷害等。

2.8 其他危險因素

煤層氣開發中的危險因素除上述提到外,還有環境因素、質量因素等。

(1)環境因素

煤層氣生產線長面廣,涉及飲用水源地、生態敏感區、居民集中區、河庫沿岸,所涉及的環境危害因素包括自然環境危害因素和社會環境因素,自然環境危害包括地震、地面沉降、洪水、雷電等;社會環境危害因素包括自然環境破壞和施工過程中的無意破壞、交叉作業帶來的危害、不法分子的有意破壞、道路行駛中的危害以及政府和企業關系、工農關系等。

(2)工程質量因素

大量事實證明,安全事故多發生在生產過程中,而且許多安全問題的根源就是質量問題。煤層氣開發過程中涉及到環節非常多,而且大部門工程都是靠承包方完成,因此工程建設中的質量問題不容忽視,不能讓質量問題成為今后企業運營中的安全隱患。

3 煤層氣開發生產對安全的要求

安全要求是指為了保障生產活動的安全順利進行,針對生產特點及生產過程中潛在的不安全因素而提出的具體預防性要求。對一個具體的產業體系來講,明確了本產業的安全要求,即相當于較全面地認識到本產業體系內事故的特點與類屬,以及其危害性的大小。在煤層氣開發生產中,通過以上分析,發生頻率較高的事故可歸納為五類：

(1)由機械性外力的作用而造成的機械性事故。

(2)由機械、化學和熱效應的聯合作業而產生的小型火災、爆炸事故。

(3)因人體接觸或者接近帶電物體而造成的電擊或電傷事故,以及因電器設備異常發熱而造成的燒毀設備事故等。

(4)因直接接觸高溫物體而造成的熱傷害事故。

(5)因有毒或有腐蝕性的化學物質作用于人體而造成傷害或中毒的化學物質傷害事故;一般性的自然災害事故,包括洪澇及大風等。

上述事故均屬于常見事故,發生的幾率高,企業應在日常的安全管理中提出具體而可行的安全要求,并形成有關的規程和標準。

4 建議

煤層氣的開發過程涉及內容廣,環節多,安全監管復雜,跨度大。開發企業要實現安全生產、綠色生產,筆者建議,企業除了要解決人的不安全因素、設備不安全狀態以及管理缺陷外,還應做好以下工作：

(1)當前情況下,鑒于煤層氣開采技術工藝和天然氣相似,在遵守國家已頒布的兩個煤層氣行業標準 (《煤層氣地面開采防火防爆安全規程》和《煤層氣集輸安全規程》)的基礎上,煤層氣開發企業仍應參照石油天然氣行業標準,并結合煤層氣開發的特點,建立起本企業的安全管理標注及安全管理體系。

(2)煤層氣開發過程中安全事故的預防與控制可以從安全技術、安全教育、安全管理三個方面入手,采取相應措施,而且三者要保持平衡。

(3)加強對工程承包商的安全管理

工程承包商的安全生產管理是實現項目安全生產的重要組成部分,首先要在合同中明確職責,對權利、義務應當進行詳細規定;其次對承包商的資質進行嚴格審查,符合國家有關法律法規的要求;三是加強承包商監管工作;最后要提高承包商與甲方的應急聯動能力,建立良好的合作關系,確保在緊急情況下共同建立聯動機制,減少事故帶來的損失。

(4)提高企業安全文化水平,營造良好的安全工作環境

安全文化是安全具體工作的一種提升,是每位員工對于安全工作的態度。在工作中,我們應該能夠讓每位員工清楚地認識到身邊存在的各種隱患和事故的嚴重程度,要讓員工敢于對違章行為說“不”。

[1] 崔凱華,鄭洪濤.煤層氣開采.北京：石油工業出版社,2009.

[2] 中國安全生產協會注冊安全工程師工作委員會編[M].注冊安全工程師考試教材.北京：中國大百科全書出版社,2008.

[3] 陳安標,郝建設,孫為民,王慶余,潘積鵬.油田企業HSE管理人員培訓教材 [M].北京：中國石化出版社,2009.

[4] 中聯煤層氣有限公司.AQ1081-2010煤層氣地面開采防火防爆安全規程.北京：煤炭工業出版社.2011.

[5] 中聯煤層氣有限公司.AQ1081-2010煤層氣集輸安全規程.北京：煤炭工業出版社,2011.