中國石油陸上首個高含硫氣田國際合作項目開發理念及管理模式

文紹牧 賈長青 李 宏 趙 菲 陳耀禮

1.中國石油西南油氣田公司 2.中國石油西南油氣田公司川東北作業分公司

0 引言

在高含硫氣田開發領域，國內針對高含硫氣田設計、建設、運行、應急響應等各階段和環節，梳理總結成體系的經驗做法還不多。中國石油雖已投入開發氣田超130個，但主要為不含硫和中低含硫氣田，成規模開采的高含硫氣田有臥龍河氣田、普光氣田、羅家寨氣田等。國外成規模開采的高含硫氣田有法國的拉克氣田、Shell加拿大公司酸氣田、哥倫比亞的 Grizzly Valley 氣田、加拿大 East Cross field D-1 氣田等，縱觀國內外高含硫氣田開發現狀，安全清潔開發仍然是發展的主要趨勢。主要研究重點聚焦于選材與防腐技術，元素硫沉積規律認識及防治技術，高含硫氣田HSE管理體系等方面。

2008年2月，成立川東北高含硫對外合作項目（CDB項目），是中國石油陸上首個高含硫天然氣對外合作項目，雪佛龍石油公司先期作為作業者，合作開發建設包括羅家寨（含滾子坪）氣田在內的“川東北高含硫氣田宣漢開縣區塊氣田工程”，羅家寨（含滾子坪）氣田單井產量高、地層壓力高、H2S含量高，其中羅家寨飛仙關組天然氣H2S平均含量10.14%、CO2平均含量6.99%，滾子坪氣田飛仙關組天然氣H2S平均含量14%，CO2平均含量7.18%，均屬高H2S含量、中CO2含量氣藏，項目地理環境復雜、周邊人口稠密，建設難度大、開發風險高[1]。2019年10月10日后，項目由中國石油擔任作業者，已累產原料氣超130 108m3，安全業績優良。

川東北高含硫氣田主要為羅家寨（含滾子坪）氣田，構造位置為溫泉井構造西北翼斷下盤的潛伏構造，位于四川盆地川東斷褶帶的北部，五寶場（構造）坳陷的東南側，屬大巴山北西向褶皺帶與川東地區北東向褶皺帶的結合部。東南側與溫泉井構造主體緊鄰，其間以一斷凹帶相隔；東北與紫水壩以斷坳相望；西南側與黃龍場潛伏構造正鞍相接；西北隔向斜與渡口河構造相望。滾子坪構造位于羅家寨構造的東北面，構造西北面為紫水壩構造，南與溫泉井主體構造以斷坳相隔。羅家寨氣田飛仙關組氣藏位于四川盆地開江—梁平海槽東側臺緣帶，海槽兩側是二三疊系礁灘的主要富氣區帶，已探明多個大中型礁、灘氣藏。本文以川東北高含硫氣田為例，系統介紹了高含硫氣田開發從安全設計、質量管控、管理體系和應急響應方面的系統做法。為進一步降低高含硫氣田開發風險，引入國外先進的高含硫氣田安全、環保、高效開發理念，中國石油天然氣集團公司與美國雪佛龍石油公司合作開發川東北高含硫氣田。

1 安全設計

項目嚴格執行國內、國際標準及雪佛龍公司安全設計手冊，考慮人體工程學因素，解決可能導致不安全作業的行為和情況，開展拉格朗日煙團（LPM）模型[2]、危害和可操作性—保護層（HAZOP-LOPA）分析、冗余容錯技術、量化風險評估（QRA）等完整性風險識別研究，提升本質安全設計水平。

1.1 拉格朗日煙團模型

采用LPM模型，根據項目所在區域地形地貌，在風速0.5 m/s的不利天氣條件下，步長取60 m，時間間隔取3 s，模擬計算HX凈化廠脫硫單元發生管道破裂事故時第i個煙團對網格點（x，y，z）的貢獻濃度[3]（圖 1、2）。

圖1 HX凈化廠泄漏八風向瞬時最大濃度分布圖

圖2 HX凈化廠泄漏八風向30 min最大滑移平均濃度分布圖

根據模擬計算結果，確定最遠應急撤離范圍為1.5 km（表1），并據此調整廠址。原廠址距離NB鎮1.5 km，在應急狀態下，NB鎮居民在有限時間內安全撤離難度較大。新址距NB鎮超3.0 km，有效降低了風險。

表1 XH凈化廠泄漏事故應急撤離區域表

1.2 HAZOP-LOPA

運用HAZOP-LOPA[4-5]分析（圖3），指導、評估、驗證安全控制保護層設計的可行性、合理性。基于分析結果，設計出5級聯鎖關停系統（圖4）、8個保護層（表2），實現高含硫氣田生產自動化、辦公數字化、管理智能化，減少人員暴露在H2S環境的風險。

圖3 HAZOP-LOPA流程圖

圖4 5級聯鎖一體化系統安全設計圖

表2 8個安全保護層表

1.3 冗余容錯技術

項目將冗余容錯技術[6]運用到自控系統設計中。高度集成的控制系統有11套：集散控制系統、緊急聯鎖系統、火災及氣體泄漏系統、可編程邏輯控制系統、綜合監控和保護系統、應急響應管理系統、入侵檢測和視頻閉路電視監控系統、通用和社區報警系統、廠歷史信息系統、生產報警管理系統、管線泄漏監測系統。

這些系統既相對獨立，又相互依存，雖然發揮的主要作用不同，但一個系統功能的實現往往離不開另一個系統。以管線泄漏監測系統為例，它的功能實現需要借助集散控制系統、分布式聲學感應系統、分布式溫度傳感系統、負壓波系統、氣云成像攝像系統等，各系統泄漏監測功能各不相同，監測結果可以做到相互補充印證（表3），冗余容錯程度高，提高了泄漏監測的可靠性和準確性，實際運行效果明顯。

表3 PLDS包含的各系統泄漏監測功能對比表

1.4 QRA

QRA[7]是一種風險預測方法，建立在概率統計的理論基礎上，對事故進行模擬。項目在不同作業條件、操作條件下，結合危險影響地區地貌、危險發生頻率、暴露在危險下的時間，根據當時的氣候條件、原料氣中硫化氫濃度變化，定量計算、確定各設施的安全隔離區動態范圍。羅家寨（含滾子坪）氣田若發生天然氣大量泄漏，在空曠地帶形成可爆云團，其最大可爆云團在下風向遇火源發生爆炸，爆炸沖擊波對應的影響半徑計算結果如下（表4）[8],以此為依據設計各設施安全隔離帶距離（表5）。

表4 云團爆炸沖擊波影響半徑表

表5 各設施安全隔離帶表

根據定量分析計算結果（圖5），結合現行防火、防爆等安全規范要求，B井場選擇以井口為圓心，250 m為半徑的完全隔離帶（安全控制區）和250～500 m為半徑的可耕種隔離（安全防范區）。項目對天然氣處理廠圍墻以外400 m范圍、單井站和集氣站井口半徑500 m范圍、集輸管道線路兩側各40 m、閥室周圍400 m范圍內的居民進行搬遷。

圖5 B井場定量分析模擬結果圖

2 質量管控

2.1 設備材料質量

2.1.1 質量要素

項目強調質量可追溯性管理[9]，編制了完整的質 量計劃，明確合同審核、變更管理、設計控制等16個質量要素（表6）具體要求，實現質量管控程序化。

表6 質量要素 責任分工矩陣表

2.1.2 設備材料關鍵性分級及驗收

項目根據采購包物資的安全危害性、介質特性、維修或替換的可操作性、設計的可靠完整性及制造、安裝的復雜程度進行分級計算，將設備、材料分為重要性（A類）、一般重要性（B類）和一般性（C類），并根據不同關鍵性等級確定不同的檢驗驗收等級（表7）。

表7 設備材料關鍵性等級及檢驗驗收等級表

2.1.3 A類設備材料關鍵控制節點及工廠驗收測試

針對重要（A類）設備材料，項目明確了關鍵控制點，每個節點由檢驗人員進行檢驗，從原材料化學成分、機械性能驗證測試、制造過程質量管控、出廠測試驗收和質證文件審查等方面進行可追溯性管理。根據質量計劃、采購包重要性分級和檢驗驗收等級，制定A類設備工廠驗收測試要求（表8），開展最終功能、壓力、荷載試驗測試等，明確工廠驗收測試、發運前檢查參與人員，進一步規范采購包檢驗驗收。

表8 A類設備工廠測試表

2.2 施工質量

2.2.1 焊接管理

項目對輸送高含硫介質材料焊接標準嚴格，原料氣管道對接焊接接頭中不允許存在裂紋、未熔合、未焊透、條形缺陷、圓形缺陷、根部內凹、根部咬邊，焊口無損檢測質量須達到中華人民共和國能源行業標準《承壓設備無損檢測：第2部分 射線檢測》（NB/T 47013.2 2015）[10]，焊縫噴砂除銹等級需達到中華人民共和國國家標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB 8923 1988）Sa2.5級標準[11]。實行焊工“資格＋培訓”雙證書準入制度，對返修焊口執行100%旁站見證。全覆蓋開展管道應力分析，核實動、靜設備近管嘴應力，建設期間核實1.1萬個管道支架載荷。對施工過程無法進行水壓強度試壓的焊口按照黃金焊口[12]進行管理，黃金焊口數量和位置嚴格通過MOC管理程序確定。

2.2.2 法蘭管理

根據美國國家標準ASME B16.5 2013《管法蘭和法蘭管件規范》[13]和中華人民共和國國家標準GB/T 17186.1 2015《管法蘭連接計算方法》[14]等，制定了項目法蘭管理[15-18]手冊，明確了法蘭安裝指導、法蘭扭矩參數表。法蘭扭矩參數表從尺寸、壓力等級、材質、墊圈、螺栓尺寸、螺栓個數等六要素確定扭矩值。聘請專業第三方公司進行法蘭密封面檢查及修復、墊片、螺栓、安裝對中、按計算確定的扭矩值進行法蘭緊固及扭矩檢測，保證安裝質量。在建設期，按標準完成法蘭管理20 321對，現場維修法蘭6 454片。中國石油接管作業權后，在XH凈化廠產品氣質量升級和尾氣達標改造項目中，對標開展法蘭管理5 720對，整改2 069片。

2.2.3 氦氮驗漏技術

為判定法蘭管理可靠性,項目采用氦氮混合氣[19]來檢測高壓管線的氣密性，往系統中充入99%的氮氣和1%的氦氣,利用氦氣不能燃燒、無毒、化學性質不活潑、氣體分子小、空氣中含量極低的特性，用作標記氣體，利用質譜儀進行精密的定量檢測，用來檢測容器及管道的微泄漏，靈敏度可達到10－7(Pa m3)/s－1。

2.2.4 隔離管理

項目有嚴格的隔離管理制度，每一個步驟都做到量化操作，按照能量流體危險性從大到小分為A、B、C、D四類（表9），按照隔離嚴格程度從強到弱劃分1～4級（表10），再根據系統設計壓力和管徑大小，結合流體危險性等級，選擇對應的隔離等級（表11）。

表9 流體分類表

表10 隔離方法表

表11 隔離方法等級選擇表

3 管理體系

3.1 OEMS體系

優良作業管理（OEMS）體系，重點關注員工安全和健康、工藝安全、可靠性與完整性、環境、效率、安保和利益相關方。中石油擔任作業者后，在消化吸收的基礎上，不斷推陳出新，持續推動OEMS體系實效運行。

3.1.1 承包商健康安全管理

承包商安全管理有嚴格的流程（圖6），從安全管理目標、安全管理體系審核、工作現場審核和初始評分四個方面建立承包商級別動態衡量指標，把承包商劃按照從優到差分為A、B、C、D和F（不合作）五個等級，各等級以不同的體系審核和現場審核頻次加以管控。實行門禁卡打孔制度，承包商員工門禁卡被打孔達3次，將清理出場，且5年內該員工不得再為項目提供服務。通過One Team One Vision幣（OTOV）獎勵，及時對有效行使停工責任（SWR）的員工和承包商進行獎勵。每季度評選“優秀停工責任”獎，鼓勵承包商員工主動使用停工責任。推行“8條安全黃金法則”，執行適用于所有承包商員工和項目員工的酒精政策，一般人員血液酒精臨界濃度為20 mg/100 mL，承擔應急職責的人員任何時候的血液酒精濃度臨界值均為0。因酒精檢測超標被解除勞動合同的人員超30人。

圖6 承包商安全管理流程圖

3.1.2 工藝安全管理

3.1.2.1 變更管理

CDB項目變更管理（MOC）包括8個流程，運用IMPACT系統對設施、操作、程序以及產品進行有計劃性的控制（預防事故），確保變更帶來的風險得到充分識別（防止不可接受風險的產生），危害得到有效控制。

3.1.2.2 旁通關鍵保護

關鍵保護設備、系統是保障氣田安全、高效開發的重要手段，高度獨立、集成化應用的安全聯鎖系統逐漸成為現代油氣田開發的標準化設計及未來發展趨勢，而旁通關鍵保護設備或系統是日常生產操作、檢修的實際需要，旁通關鍵保護管理是在進行裝置測試、維修、開車過程中，或為保持系統安全、可靠運行，對系統或裝置進行臨時封鎖、失效、禁止、強制、跳過或禁用過程中，對人員、環境、工藝、設備、設施的安全保護，增強作業的安全性、可靠性和環保性。如何實現關鍵保護設備、系統在旁通期間的安全管控及全過程管理成為迫切需要，旁通關鍵保護管理的好壞直接影響工藝安全管理水平，甚至導致安全事故的發生。通過旁通關鍵保護在羅家寨高含硫氣田生產現場安全管控中的實際應用，總結出在進行旁通關鍵保護過程中，必須堅持的四項原則：①必須考慮保護層，保證有最基本的保護措施應對任何可能的始發事件；②每次旁通關鍵保護的數量盡可能少，替代自動化保護的裝置進行監控的人數應最小化；③對被旁通關鍵保護的裝置進行標識，提醒人員某一個關鍵保護整處于旁通狀態；④在旁通關鍵保護的過程中，安排合格的操作員進行持續現場監控或遠程監控。

3.2 AIM體系

項目資產完整性管理（AIM），采用多樣的檢驗、測試和維護手段，借助多種國際先進的數字化系統（Visions、PLDS、Windport、Intooles）對所有關鍵設備的完整性進行有效管理。系統管理與工藝控制、報警和安全保護裝置相關的關鍵設備，開展定期檢查、測試和預防性維護, 找到薄弱環節，消除不安全狀況。確保重要設備在其使用壽命中符合其預定用途，防止或減輕嚴重或災難性的健康、安全、環境或資產事故。CDB項目資產完整性管理貫穿了設備選型、施工質量把控，以及生產運行期間持續的無損檢測和腐蝕管控、重大事故風險的防控管理全過程（圖7）。

圖7 資產完整性管理流程圖

3.2.1 靜設備管理

項目建立了靜設備完整性管理程序（圖8），依據綜合風險矩陣，按照關鍵設備識別程序，將靜設備分為IC1、IC2和IC3+三個關鍵等級，IC1和IC2是完整性管理對象。對IC1、IC2級靜設備建立檢驗檢測計劃，確定檢驗任務和頻次，配合運用完整性數據管理系統Visions實現全生命周期健康管理。Visions系統集合集輸管線、壓力管道、壓力容器、鍋爐、常壓罐、安全閥、鋼結構、井口設施等設備數據，實現數據的采集、分析、建議、計劃和歸檔于一體，在海量數據的支撐下，實現主動預測和監控設備生命周期。項目并針對持續監測的容器類資產制作了518張腐蝕監測點容器展開圖，對其中6 639條在用管道進行分組管理，按照相同的工況和腐蝕機理，建立了446條管道腐蝕回路，針對持續監測的管道類資產制作了390張腐蝕回路監測點分布圖。

圖8 靜設備管理流程圖

3.2.2 動設備管理

項目對于動設備進行工單管理，按照緊急程度、對安全和環境的影響、對氣量的影響，將工單劃分為P1、P2、P3、P4四個等級（表12），對應不同的處理措施。為提高檢修效率，項目利用SAP系統對所有工單進行大數據管理。比如，P1工單下達后，系統會自動顯示維修所需的配件數量，并第一時間通知庫房，鎖定該項維修所需配件。

表12 工單等級劃分標準表

4 應急響應

4.1 應急組織架構

項目建立了4個層級的應急組織架構，分別是專職應急隊伍、 現場應急團隊（ORT）、應急管理團隊（EMT）、危機管理團隊（CMT）（圖9）。專職應急隊伍包括安保團隊、消氣防團隊、醫療應急團隊，在應急狀態下，安保團隊的步行巡邏小組、快速反應小組、泄漏監控小組迅速進入搶險狀態。依據應急事態變化嚴重性級別，依次啟動ORT、EMT、CMT。

圖9 應急組織架構圖

4.2 監控和報警

項目建立的NB安全控制中心（NSCC），是信息收集、指令傳遞、社區警報、疏散撤離的調度中心和指揮駐地，由1個安全監控平臺和3個系統構成（圖10）。應急響應信息系統（ERMS）（圖11），對氣田設施區和潛在影響區地形進行2D、3D建模，結合14個氣象站收集的實時大氣信息和泄漏監測系統確定的泄漏點、泄漏量進行有害氣體泄漏擴散實時模擬。同時，系統會自動集成短消息快發群組，向特定對象（政府、員工、社區應急協助員、村民等）大規模發送應急信息，完成信息的高效傳遞。社區警報控制系統（CAS）設置超40個社區報警器，每月1號和15號對報警系統進行測試，配置保安24 h現場值守，保證100 km2的應急計劃區75 dB報警聲全覆蓋。

圖10 NSCC“一大平臺、三大系統 構成圖

圖11 緊急集合點分布圖

4.3 地企聯動演練及有效避險

項目將凈化廠、集輸管道及集輸場站周圍1.5 km范圍全部納入應急計劃管理（圖11），建立了緊急集合點、臨時待命室、緊急庇護所3類有效避險集合地，實現緊急狀況下所有人員有效避險全覆蓋。定期修整通往31個緊急集合點的應急疏散路線，確保事故狀態時人員能及時有序撤離；在社區應急計劃區敏感區域內，將養老院、幼兒園、醫院等30個人員無法及時撤離的高后果點改造為臨時待命室，將門窗改造為高密封門窗，定期開展房屋采樣調查、空氣交換率測試，配備與人數相當的高適用性呼吸面罩；在凈化廠設置2座緊急庇護所，采用加強級防爆防火設計，帶有空氣儲存系統和通風系統，在應急狀況下可為300人提供2 h臨時安全庇護。建立“企業＋政府＋民眾”的“1＋1＋1”一體化應急聯防聯控機制[20]，針對地方政府、學校、醫院、敬老院、社區等不同群體、對象，年均開展各類專項培訓和應急演練近百場，年均參演群眾近3萬人次，切實提高當地居民的安全意識和應急能力。

5 結論

1）運用LPM、HAZOP-LOPA、冗余容錯、QRA等風險識別和分析模型、方法、技術，有利于提升高含硫氣田設計本質安全水平。

2）遵循嚴格的程序開展設備材料等級劃分及驗收、A類設備材料關鍵控制節點及工廠驗收測試、焊接管理、法蘭管理、氦氮驗漏等，保留大量過程資料，有助于實現設備材料質量、施工質量的可追溯性管理。

3）高含硫氣田開發，應重視管理體系建設，CDB項目OEMS體系、AIM體系的實效運行表明，完善的管理體系能有效管控人的風險、物的風險和環境風險。

4）組建完善的專職應急隊伍，劃分層級分明的響應等級，設定全員覆蓋的有效避險地點，開展經常性的地企聯動演練和常態化設備測試，是確保高含硫氣田應急響應及時有效的措施。