高含硫氣田開發安全防護距離探討

翁幫華 饒 維 陳 輝 郭世月 何敬陽

1.中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發中心

3.四川天宇石油環保安全技術咨詢服務有限公司 4.中國石油中東公司哈法亞項目部5. 四川達美盛工程設計有限公司

高含硫氣田開發安全防護距離探討

翁幫華1,2饒 維1,3陳 輝4郭世月1何敬陽5

1.中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發中心

3.四川天宇石油環保安全技術咨詢服務有限公司 4.中國石油中東公司哈法亞項目部5. 四川達美盛工程設計有限公司

翁幫華等.高含硫氣田開發安全防護距離探討. 天然氣工業，2016, 36(10): 143-148.

在高含硫氣田作業場所設置安全防護距離，可以在發生井噴、含硫天然氣泄漏事故時減少火災、爆炸、H2S中毒等造成的人員傷亡，是控制和降低安全風險的有效手段之一。為此，分析了國內外相關安全標準對含硫氣田安全防護距離的要求，并以四川盆地某高含硫氣田為例，應用國內外相關標準或方法計算井場、集氣管道及凈化廠的安全防護距離，開展對比分析。結果表明，依據不同的方法確定的安全防護距離偏差較大，因此建議采用定量風險評價的方法作為確定搬遷距離的依據，采用EUB推薦的查圖法及公式快速確定或依據計算的150 mg/m3H2S包絡線范圍確定應急撤離距離。針對高含硫氣田開發，建議采用以下措施降低風險：①設置緊急截斷系統，減少含硫天然氣潛在泄漏量；②提升裝置本質安全，減少事故發生概率；③提高應急保障水平，減輕事故影響。

高含硫氣田 H2S泄漏擴散 毒害范圍 安全防護距離 定量風險 個人風險等值線 搬遷范圍 應急計劃區 風險預防與控制

目前全球已發現400多個具有開采價值的高含硫氣田，廣泛分布于西歐、中亞、北美等地，以1957年加拿大、法國分別投入開發的平切爾溪氣田、拉克氣田為代表，西方發達國家已積累了近60年的高含硫氣田開發經驗，并逐步建立了安全開發相關的法律、法規和標準體系。我國高含硫天然氣累計探明儲量約1×1012m3，約占我國天然氣總儲量的1/6，其中90%都集中在四川盆地。自1973年四川盆地臥龍河氣田投產以來，我國的高含硫氣田開發也積累了一定的經驗，至今有10余個高含硫氣田投產，已開發高含硫天然氣超過其累計探明儲量的15%[1-3]。

高含硫天然氣資源開采面臨腐蝕性強、毒性大等風險，四川盆地高含硫氣田還普遍具有氣藏埋藏深、地質條件復雜、氣田周邊人居稠密、地形復雜、交通不便、事故后果嚴重等特點，對高含硫氣田安全開發提出了更為嚴峻的挑戰。在2003年發生了嚴重的高含硫氣田事故——“12·23”井噴事故以后，政府安全管理機構和氣田企業均在高含硫氣田開發安全設計、安全評價、應急保障體系建設等方面開展了大量的研究工作，并制訂了一系列標準。從2009年龍崗、普光氣田投產開始，我國高含硫氣田進入了大規模開發期，安全風險防控意識及手段達到了國內天然氣開發行業的高峰[4-5]。

1 高含硫氣田開發安全防護距離設置要求

在高含硫氣田作業場所設置安全防護距離，包括搬遷距離和應急計劃區，可以在發生井噴、含硫天然氣泄漏事故時減少火災、爆炸、H2S中毒等造成的人員傷亡，是減少安全風險的有效手段之一。國內外對高含硫天然氣氣井（井噴）及地面集輸場站、管道及凈化廠等設施（泄漏）分別提出了安全防護距離要求。

1.1 國外相關標準及要求

全球已開發的高含硫氣田以加拿大阿爾伯塔省最為集中，美國得克薩斯、密歇根州也有較多的高含硫氣井在生產。加拿大的高含硫氣田的安全防護距離主要根據能源和公用事業委員會(EUB)發布的《新建酸性天然氣設施與居住區及其他開發區最小間距要求》（ID 81-03）中規定的潛在H2S釋放量確定[6]，其依據主要為含硫天然氣泄漏擴散模擬確定的H2S毒害濃度范圍，要求該范圍內無人居住以減小傷亡（表1）。

表1 加拿大EUB高含硫天然氣井及處理設施的最小間距要求表

同時，加拿大阿爾伯塔省EUB《酸性氣井許可和鉆井要求》（IL97-6）[7]中對應急撤離范圍給出了建議（表2、圖1）。

1.2 我國相關標準及要求

對含硫天然氣井，中國安全生產科學研究院聯合中石油和中石化，參考采用了加拿大阿爾伯塔省EUB及美國密歇根州相關標準，結合我國天然氣井現狀，將我國高含硫天然氣井分為3類，并分別提出了各類氣井公眾安全防護距離要求，制訂了AQ 2017—2008《含硫化氫天然氣井公眾危害程度分級方法》[8]和AQ 2018—2008《含硫化氫天然氣井公眾安全防護距離》[9]（表3）。這兩個標準目前主要在高含硫氣井鉆前選址及鉆井期間安全防護距離設置具有指導意義。

對投產后的地面設施，在我國高含硫氣田大規模開發初期，為盡快解決高含硫氣田安全防護距離設置無標準可依的局面，中石油聯合相關單位以川東北典型高含硫氣藏為研究目標，采用高含硫天然氣泄漏擴散模擬的手段，提出了3個高含硫氣田安全設計標準，即《高含硫化氫氣田集氣站場安全規程》（SY 6779—2010）[10]、《高含硫化氫氣田集輸管道安全規程》（SY 6780—2010）[11]、《高含硫化氫天然氣凈化廠公眾安全防護距離》（SY/T 6781—2010）[12]，分別確定H2S含量為13%～15%（體積百分比）的集氣站、集輸管道及凈化廠搬遷距離為距裝置邊緣或管道兩側200 m、40 m、400 m，應急撤離距離確定為1 500 m、1 500 m、1 500 m。該系列標準一定程度上解決了高含硫氣田安全設計及安全防護距離設置，但均一化的距離要求未考慮川渝地區復雜地形對含硫天然氣泄漏擴散結果的影響。另外，3個標準還要求“H2S含量小于13%或高于15%的設施，經專家論證，可適當減小或增大安全防護距離”，且分別將“搬遷距離”和“應急撤離距離”定義為“含硫天然氣發生泄漏時，空氣中H2S可能達到1 500 mg/m3、150 mg/m3的距離”，為安全防護距離的論證提供依據。

表2 加拿大EUB含硫天然氣井應急計劃區范圍表

圖1 含硫天然氣地面設施應急計劃區范圍圖

表3 我國含H2S天然氣井分級及安全防護距離表

《建設項目環境風險評價技術導則》（HJ/T 169—2004）及其修訂版的征求意見稿引入了國際通行的風險評價理念，即綜合考慮事故后果和事故發生概率，但實際應用中由于沒有建立符合我國國情的失效數據庫，因此還沒有實現真正意義上的風險評價，而只是要求對最大可信事故后果的半致死濃度范圍內的居民進行搬遷。對高含硫氣田的開發，風險主要來源于含硫天然氣泄漏所致的H2S中毒，建設期井場及投運后集氣站均以最大可信事故——井噴（釋放速率以無阻流量計）事故時，含硫天然氣擴散H2S達到半致死濃度（LC50：618 mg/m3，30 min）包絡線作為搬遷依據，而將H2S達到立即威脅生命和健康濃度（IDLH：430 mg/m3，30 min）包絡線作為首批應急撤離的依據。

近年來隨著我國風險評價技術的不斷發展，借

鑒國際通行做法及風險評價導則[13]，對高風險作業場所進行定量風險評價（QRA）研究和應用，有的企業還建立了符合企業及區域特點的部分高風險設施失效數據庫，國家安全生產監督管理部門也相繼出臺了《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）》（國家安監總局2014年13號）、《油氣輸送管道風險評價導則》（SY/ T 6859—2012）等標準，對定量風險評價進行了指導和規范，逐步實現與國際接軌，將個人風險等值線范圍作為搬遷的依據，以社會風險計算結果作為項目風險是否可接受的依據。以定量風險計算結果確定安全防護距離，可以促使作業者盡可能減少事故的發生，而事故又是不可完全避免的，則可通過搬遷、應急響應等措施減緩事故造成傷害。

2 典型高含硫氣田開發安全防護距離對比研究

以四川盆地某高含硫氣田為例，應用國內外相關標準或方法計算井場、集氣管道及凈化廠的安全防護距離，開展對比分析。該氣田H2S平均含量為14%（體積百分比），井場中最大井噴無阻流量為670×104m3/d（H2S釋放速率為12 m3/s），建成投產后單井場集氣規模最大為350×104m3/d，集氣站及管道閥室間H2S潛在泄漏量小于1 440 m3，凈化廠設施H2S潛在泄漏量小于1 800 m3，集輸氣管道處于《輸氣管道工程設計規范》（GB 50251—2003）確定的二類地區。

單獨以甲井場事故、乙集氣管道及丙凈化廠脫硫單元泄漏事故為例，分別列出采用含硫天然氣泄漏擴散后果確定的搬遷距離和應急撤離距離，以及各標準建議的安全防護距離，對比結果如表4和圖2所示。對比研究結果表明，依據不同的方法確定的安全防護距離偏差較大，給高含硫氣田開發搬遷方案制訂及應急管理帶來較大的困擾。為此，建議綜合考慮不同事故后果及發生概率，采用定量風險評價的方法作為搬遷距離的依據，首先解決了各標準及方法不統一的問題，而且在降低風險的同時，減少搬遷量及社會影響；其次，若只考慮將事故狀態下H2S的毒害范圍作為搬遷依據，將挫傷作業者提高其安全設計和應急保障水平的積極性。另外，借助復雜地形條件下含硫天然氣泄漏擴散定量風險評價技術還能解決山區丘陵地帶H2S沿溝谷擴散等問題，使人居稠密、多山多丘陵的川渝地區高含硫氣田居民搬遷范圍更趨合理[14]。而對于應急撤離范圍，則可采用EUB推薦的查圖法及公式快速確定或依據計算的150 mg/m3H2S包絡線范圍確定。

表4 安全防護距離計算結果及相關標準要求表

圖2 甲井場井噴及乙集氣管道泄漏事故安全防護范圍計算結果及標準要求圖

3 高含硫氣田開發風險控制對策

3.1 設置緊急截斷系統，減少含硫天然氣潛在泄漏量

《油氣集輸設計規范》（GB 50350—2005）規定井口應安裝高低壓緊急截斷裝置，進出站設截斷閥，在事故發生時迅速切斷氣源。目前我國大規模開發的高含硫氣田處于人口較密集的川渝地區，氣井均安裝井下安全閥（SCSSV），地面設施采用SCADA+ESD控制系統，實現進出站緊急截斷與放空，氣田分4級或5級關斷，包括全氣田+凈化廠關斷、全凈化廠關斷、天然氣凈化廠裝置關斷、機組關斷、局部設備關斷等，達到甚至超過加拿大及美國部分在運的高含硫氣田。

《高含硫化氫氣田地面集輸系統設計規范》（SY/ T 0612—2008）規定按管道沿線人口密度分級情況確定管道截斷閥的設置，要求管道內H2S潛在釋放量分別為6 000 m3以上（一級）、6 000～2 000 m3（二級），1 999～300 m3（三級）。這與加拿大EUB的ID 97-06要求接近，據此確定的截斷閥間距一般為1～4 km，也與美國聯邦法（CFR）及密歇根州的補充法令“處于一級地區酸性氣管道截斷閥的距離不大于3 mile（1 mile=1.609 3 km）” 要求相當。

3.2 提升裝置本質安全，減少事故發生概率

減小高含硫氣田開發風險更重要的是提升設施本質安全，減少事故發生概率。含硫氣井的井控措施、地面設施的選材與防腐乃是安全措施的重中之重，國內外均有完備的標準規范及安全規程確保氣田安全開發，國內各高含硫氣田根據實際情況開展選材及防腐方案的論證，采用碳鋼+緩蝕劑方案或耐蝕復合管，建立在線腐蝕監控系統等，盡可能減少氫致開裂（HIC）和硫化物應力腐蝕開裂（SSC）導致的井筒及地面設施泄漏概率，減小開發風險[15]。

3.3 提高應急保障水平，減輕事故影響

為提高氣田安全應急響應速度，高含硫氣田集輸管道根據氣田及企業實際情況安裝感測壓降截斷閥或應用其他新技術進行管道泄漏的實時監測與截斷，如激光檢測、光纖溫度感應、光纖聲波感應等；裝置區及廠界普遍安裝2～3級H2S監測與報警系統，實現泄漏預警（5 ppm或10 ppm，1 ppm=1.5 mg/m3，下同）、員工應急響應與裝置關停（20 ppm或30 ppm）和社區撤離（100 ppm或200 ppm）；建立多渠道應急通信系統覆蓋整個應急計劃區，確保人員事故狀態時能及時有序撤離；建立消氣防中心，滿足應急保障需求；發展區域應急能力，加強企企、企地聯合演練，不斷提高應急保障水平[16]。

4 結論

1）風險評價兩個核心是事故概率和事故后果，我國環境風險評價導則最早提出并發展了這一理念，但目前還局限于選取最大可信事故后果進行計算，對半致死濃度包絡線范圍居民進行安全搬遷，沒有考慮提升本質安全水平降低事故概率的方法，大大增加了搬遷安置工程量。

2）定量風險評價技術綜合計算了評價對象所有事故的失效概率及失效后果，并以事故概率與公眾接觸劑量導致的致死概率的乘積進行量化，采用該方

法確定的個人風險等值線作為安全搬遷的依據，是國際上高風險作業場所的通常做法，較單以最大可信事故后果的某一濃度范圍為依據更為科學。因此，定量風險評價技術是環境風險評價發展的必然趨勢。

3）建議各高含硫氣田不斷收集地面設施、設備失效數據，建立并完善我國高含硫氣田失效數據庫，應用定量風險評價方法對已投運的高含硫氣田進行后評價，使新投入開發的高含硫氣田安全防護距離設置更符合我國國情。

4）合理設置安全防護距離是高含硫氣田開發風險控制的有效手段之一，同時，應通過合理選材、防腐、自動控制與緊急截斷、泄漏監測與報警、應急響應等措施，不僅最大限度降低事故發生概率，同時減輕事故發生后果，全方位預防和控制高含硫氣田開發風險，符合我國“預防為主、綜合治理”的安全方針。

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（修改回稿日期 2016-08-20 編 輯 陳 嵩）

Safety protection distance in high-sulfur gas field development

Weng Banghua1,2, Rao Wei1,3, Chen Hui4, Guo Shiyue1, He Jingyang5
(1.HSE and Technical Supervision Research Institute of PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610041, China; 2. National Energy R&D Center of High Sulfur Gas Exploitation, Chengdu, Sichuan 610000, China; 3.Sichuan Tianyu Petroleum Environmental Protection & Safety technology Consulting Services Ltd., Chengdu, Sichuan 610041, China; 4. PetroChina International Iraq FZE Iraq Branch, Beijing 100120, China; 5. Sichuan DMS Engineering Design Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610000, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.143-148, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

The safety protection distance set around high-sulfur gas field facilities is one of the effective means to control and reduce risks such as fire, explosion, H2S poisoning, etc., which may cause loss of life and personal injury. In view of this, Comparative analysis was conducted of the safety protection distances in high-sulfur gas fields regulated in the relevant safety standards and codes between China and other countries. In a case study of a high-sulfur gas field in the Sichuan Basin, the safety protection distances in the well sites, gas gathering lines and stations, and purification plants, etc. were calculated and compared by different codes and methods at home and abroad. Due to the great differences from the results, quantitative risk evaluation should be taken as the proof for determining the moving distance. Then the method and formula provided by Alberta Energy and Utilities Board (AEUB) was used to obtain the emergency evacuation distance away from the enveloped scope where the air contains 150 mg/m3H2S. In the end, the following proposals for sour gas field development were put forward: establishing emergency shutdown systems to reduce potential sour gas leakage rate; improving the intrinsic safety of facilities to reduce the accident probability; and promoting the emergency support capability to mitigate the impacts caused by accidents.

High-sulfur gas field; H2S emission and dispersion; Toxic zone; Safety separating distance; Quantitative risk; Individual risk contour line; Exclusion zone; Emergency response plan zone; Risk prevention and control.

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.018

翁幫華，女，1973年生，高級工程師；1996年畢業于四川大學化學系，主要從事安全、環境研究與評價工作。地址：（610041）四川省成都市高新區天府大道北段12號。電話：（028）82972754。ORCID: 0000-0002-7117-7837。E-mail: wengbh@petrochina.com.cn