井口設備高壓氣密封現(xiàn)場試驗事故樹分析

翁衛(wèi)東，李治堃，樊建春，李佳玲

（1.中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北荊州434024；2.中國石油大學（北京），北京102249）①

井口設備高壓氣密封現(xiàn)場試驗事故樹分析

翁衛(wèi)東1，李治堃2，樊建春2，李佳玲1

（1.中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北荊州434024；2.中國石油大學（北京），北京102249）①

在現(xiàn)場對承受高壓的井口設備進行氣密封試驗，對于保障設備運行的安全可靠性具有十分重要的意義。針對高壓井口設備氣密封試驗系統(tǒng)的裝備與工藝特點，系統(tǒng)分析了試驗過程的危險及有害因素，建立了井口設備高壓氣密封試驗事故樹，分析了導致爆炸的主要因素，為確定合理的事故防范體系提供了依據。

井口設備；高壓氣密封試驗；風險分析；事故樹

在油氣生產中，采油（氣）井口裝置的密封性，尤其是氣密封性對生產安全有著至關重要的影響。近年來隨著越來越多的高壓氣井投入生產，井口裝置的壓力等級顯著提高，對其氣密封性提出了更高的要求，保障井口裝置運行安全的難度進一步加大，高壓井口裝置的密封失效及泄漏事故時有發(fā)生，嚴重影響油氣開發(fā)生產安全。

為確認井口裝置的承壓能力，確保其在使用過程中安全可靠，目前國內外普遍采用在車間或現(xiàn)場對安裝好的井口裝置進行試壓的方法。然而，由于現(xiàn)場條件限制，國內許多油田主要在車間對即將安裝于油氣井的井口設備進行整體試壓［1］。通過試壓的井口設備拆卸后，運輸?shù)浆F(xiàn)場進行重新安裝，在現(xiàn)場或只進行簡單的水壓試驗或根本不進行試壓即投入使用。實際上，一旦運輸過程保護不當或在現(xiàn)場安裝不正確，極有可能導致井口設備的密封條件達不到預定標準，導致在實際承壓情況下密封失效，從而引發(fā)生產事故。因此，很有必要開發(fā)適合現(xiàn)場應用的井口裝置高壓氣密封試驗技術，該項技術的應用對于改善井口裝置的安全狀態(tài)，降低油氣田因井口泄漏問題導致的整改費用，消除安全生產隱患，避免安全事故的發(fā)生具有十分重要的意義。

然而，由于高壓井口裝置的現(xiàn)場氣密封試驗時采用的最高試驗壓力通常為井口裝置額定壓力的1.5倍，壓力極高，試驗過程的危險性較大，加之國內開展井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗的歷史較短，積累的相關經驗和技術資料十分有限，使該試驗過程的安全保障面臨嚴峻挑戰(zhàn)。本文結合高壓井口設備氣密封試驗系統(tǒng)的裝置與工藝特點，系統(tǒng)分析現(xiàn)場試驗過程的危險及有害因素，通過建立井口設備高壓氣密封試驗事故樹，分析試驗過程中導致爆炸的主要因素，為實際現(xiàn)場試驗制定安全防范技術措施提供依據。

1 井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗簡介

井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗系統(tǒng)原理如圖1所示。試驗采用不易發(fā)生體積變化和化學反應的氮氣作為試壓氣體。試驗原理為：首先由空壓機產生低壓空氣，低壓空氣經過干燥、凈化后進入制氮系統(tǒng)，用于制氮系統(tǒng)產生試驗用的低壓氮氣；然后，制氮系統(tǒng)產生的低壓氮氣經過中壓增壓系統(tǒng)增壓，經增壓后的氮氣經過中壓氮氣瓶的緩沖，進入高壓氮氣增壓系統(tǒng)，經其增壓后提供試驗所需的高壓氮氣；最后，利用高壓氮氣增壓系統(tǒng)產生的高壓氮氣對采油（氣）樹進行氣密封試驗，同時運用查漏設備對試驗的井口裝置進行氣體泄漏監(jiān)測。

圖1 現(xiàn)場氣密封試驗原理

井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗主要包括布置、檢查、安裝、系統(tǒng)調試、水壓檢測、氣密封試驗等幾個環(huán)節(jié)［2］。其試驗過程是：布置好設備并檢查完畢后，利用試壓管線將氣密封試驗系統(tǒng)和待試壓工件連接好；待系統(tǒng)調試好，水壓檢測合格后，開始氣密封試驗；當氣密封試驗壓力達到設定值后，穩(wěn)壓查漏；穩(wěn)壓完成后，泄壓結束氣密封試驗。井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗流程如圖2所示。井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗最高的試驗壓力可高達210 MPa，危險性極高，因此在進行試驗前有必要先進行水壓檢測，水壓檢測合格后才可進行現(xiàn)場氣密封試驗。

圖2 井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗流程

2 現(xiàn)場氣密封試驗危險及有害因素分析

井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗中存在的主要危險源為高壓井口裝置、高壓氮氣增壓裝置、中壓氮氣鋼瓶、中壓氮氣壓縮機、氮氣緩沖罐、空壓機、儲氣罐。這些危險源潛在的危險性主要表現(xiàn)在，一旦這些設備發(fā)生物理爆炸將可能造成人員傷亡和財產損失。導致爆炸發(fā)生的主要因素有超壓、設備缺陷、泄放裝置失效、操作人員操作失誤、監(jiān)控系統(tǒng)失靈等。主要危險源及其危險等級如表1所示。其中A級為特別危險，B級為高度危險，C級為一般危險。特別危險是指爆炸后會造成嚴重的人員傷亡和財產損失的危險。高度危險是指爆炸后會造成較為嚴重的人員傷亡和財產損失的危險。一般危險是指爆炸后會造成較小危害的危險［3］。危險等級劃分所依據的標準規(guī)范為《爆炸危險場所安全規(guī)定》。其規(guī)定了操作壓力大于100 MPa為A級，操作壓力大于10 MPa小于100 MPa為B級，操作壓力大于2.5 MPa小于10 MPa為C級。

表1 井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗危險源等級劃分

井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗中存在的主要危險及危害因素如下：

1） 物理爆炸傷害 由于井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗最高試驗壓力可達到210 MPa的超高壓，所以試驗過程極度危險，有可能因為設備缺陷、系統(tǒng)故障、操作失誤、泄壓裝置失靈等原因造成井口裝置超壓爆炸，從而威脅到人員和設備的安全。試驗中潛在的主要物理爆炸危險因素有：井口裝置爆炸、中壓氮氣鋼瓶組爆炸、儲氣罐爆炸、氮氣緩沖罐爆炸。

2） 觸電傷害 由于試驗所面臨的實際井場條件千差萬別，有些老井場布滿了各種高壓電線，在氣密封試驗過程中，與帶電體距離過近或者觸碰到高壓電線，都可能導致觸電傷亡事故的發(fā)生。因此在試驗過程中，要避免與帶電體接觸過近或觸碰高壓電線，尤其吊裝作業(yè)更要格外注意。

3） 車輛傷害 在試驗過程中，試驗井場有多種車輛的活動。由于受井場的地形條件、作業(yè)環(huán)境、作業(yè)時的氣候條件以及人的心理狀態(tài)等多種因素的影響，容易發(fā)生車輛翻倒、碰撞、碾壓、撞人等事故。

4） 噪聲危害 在氣密封試驗過程中，由于空壓機、氮氣壓縮機、氮氣增壓裝置等運轉會產生噪聲，可能對現(xiàn)場人員造成噪聲傷害。

井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗中，危險、危害因素及其產生的原因、后果和采取的控制措施如表2所示。

表2 危險和危害因素分析

續(xù)表2

3 井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸事故樹分析

導致爆炸事故的各相關事件符號如表3。通過分析建立的井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸事故樹如圖3所示。

表3 井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸事故樹符號含義

圖3 井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸事故樹

依據所建立的事故樹，采用布爾代數(shù)可建立事故樹各事件之間的邏輯關系，即

由此，可得井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸事故樹的最小割集為

顯然，井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸事故樹有27個“最小割集”，含15個基本分析單元。根據事故樹原理，表明井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸有27種可能途徑，只要任何一個最小割集中的基本事件全部發(fā)生，就會導致井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸?；臼录i的危險割集總數(shù)計算公式為

結構重要度系數(shù)的計算公式為

由此可計算出井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸事故樹基本事件的結構重要度為

顯然，X5（增壓控制系統(tǒng)故障）、X6（壓力傳感器故障）、X7（未及時正確地停止增壓）、X8（未注意到超壓）的結構重要系數(shù)最大，是導致井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸的最重要條件；X12（缺陷探測設備故障）、X13（自動泄壓設備故障）、X14（操作人員未能及時發(fā)現(xiàn)異常）、X15（操作人員未及時啟動泄放裝置）的結構重要系數(shù)位于第二。

4 結論

1） 井口設備現(xiàn)場高壓氣密封試驗的主要危險源為高壓井口裝置、高壓氮氣增壓裝置、中壓氮氣鋼瓶、中壓氮氣壓縮機、氮氣緩沖罐和儲氣罐等，是試驗過程中防止物理爆炸的重點防護部位。

2） 系統(tǒng)分析表明：井口設備現(xiàn)場高壓氣密封試驗過程的主要危險有害因素有物理爆炸、觸電、車輛事故和噪聲傷害等。本文分析了導致對應事故的原因，提出了危險因素的控制措施。

3） 建立了井口設備現(xiàn)場高壓氣密封試驗爆炸事故樹，得出了最小割集；對事故樹基本事件的結構重要度分析表明：增壓控制系統(tǒng)故障、壓力傳感器故障、未及時正確地停止增壓和未注意到超壓，是導致井口裝置現(xiàn)場氣密封試驗爆炸的最重要條件，為試驗過程中重點防范的內容。

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Fault Tree Analysis of High Pressure Seal Field Test for Wellhead Equipment

WENG Wei-dong1，LI Zhi-kun2，F(xiàn)AN Jian-chun2，LI Jia-ling1
（1.SJ Petroleum Machinery Co.，Jingzhou 434024，China；2.China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

Carrying out the high pressure gas seal field？test for wellhead equipment is of great significance for the safety of equipment operations.According to the devices and process characteristics of the wellhead equipment high pressure seal test system，the wellhead equipment high pressure seal test fault tree was established based on analyzing the hazard factors of the whole test process systematically.The main affecting factors inducing explosion was also analyzed.The above work laid a foundation for providing reasonable prevention system.

wellhead equipment；high pressure gas seal test；risk analysis；fault tree

TE931.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.013

1001-3482（2014）07-0050-05