高风险油气田开发安全生产监管机制研究

要从根本上控制油气田重大事故多发的局面,必须从石油天然气开采重大事故分析入手,进行油气田开采事故风险分级,建立科学、系统、有效的高风险油气田安全生产监督管理机制,明确安全生产监督管理的对象、内容、程序和方法,加强对高风险油气田的规划、建设及其油气井设计、生产和废井等全程的安全监督管理。

2003年12月23日,在重庆市开县高桥镇川东罗家16H井发生的天然气“井喷”事故,使人们再次感受到现代大型工艺装置、大型设备生产过程中潜藏的巨大威胁,同时人们也真实感受到生产过程中巨大能量失控带给人们的灾难——大量的人员伤亡、巨大的财产损失、严重的社会恐慌和沉重的心理压力。事故虽然已成为过去,然而留给我们的教训却能够促进科学技术进步和社会发展。

“12·23”特大“井喷”事故的发生是突然的,但不是偶然的。在近10年的统计中,从1992年华北油田赵48井“井喷”(6人死亡,24人中毒)到2003年的“12·23”特大“井喷”事故,在国内江汉、新疆、胜利、华北、四川等油气田区均有钻井H2S泄露中毒死亡事故发生,高风险油气田开发的安全问题突出。除了油气田钻井过程的工艺、设备和管理方面存在的不足外,对于高风险油气田开发过程中危险因素的辨识和评价缺乏系统的方法,以及可借鉴的相关标准和要求,对于危险产生的原因认识深度不够,应急计划和措施准备不足(如对H2S泄漏和控制等),也是容易造成严重后果的重要原因。目前,国内正在开采和待开采的富含H2S油气田还很多(个别区块H2S含量高达93%以上),事故隐患和风险时时存在,若没有有效的预防和应急措施,后果不堪设想。因此,要从根本上控制重大事故多发的局面,必须从石油天然气开采重大事故分析入手,进行油气田开采事故风险分级,建立科学、系统、有效的高风险油气田安全生产监督管理机制,明确安全生产监督管理的对象、内容、程序和方法,加强对高风险油气田的规划、建设及其油气井设计、生产和废井等全程的安全监督管理。

项目内容

进行国内外资料及现场调研

为了做好高风险油气田安全生产监督管理工作,由中国安科院及中国石油天然气股份有限公司等部门成立的专门项目组,进行了《高风险油气田开发安全生产监管机制研究》。项目组首先进行了现场调研。项目组先后到中石油盘锦辽河油田分公司、中石油西南油气田分公司和中石化南方勘探开发分公司等生产企业、科研设计单位、安全评价机构等,共22人次进行了现场调查,了解了中国石油天然气股份公司及其下属各钻探、采油分公司的生产条件、生产过程和安全管理情况。到西南油气田分公司的罗家16H井现场调查了发生“12·23”井喷事故的情况。到开县消防部门了解了罗家16H井发生“12·23”井喷事故的现场应急、救援、物资调用、人员救护的情况,查看了事故应急救援的相关纪录和录像资料。

在国内外资料调查方面,项目组广泛收集了国内外石油天然气监督管理、钻井监督管理、石油天然气安全生产监督管理、钻井事故等方面的资料。并对收集的资料进行了系统的分析。

进行“12·23”事故现场模拟

2005年8月~9月,项目组到罗家16H井现场,实际模拟了井喷事故发生时的人员疏散过程。将罗家16H井场周围的航拍地形图片转化为三维地形图,在实际模拟中,用GPS人员定位系统将人员疏散路径、疏散时间、疏散速度等数据直接记录在三维地形图上,获得了现场疏散的实际模拟数据,基本摸清了“12·23”井喷事故的人员死亡位置、死亡人数、死亡时间以及部分家畜、家禽的死亡位置、死亡数量,并做了初步的致死原因分析。

进行风洞模拟实验

项目组将罗家16H井附近5×7km范围的地形情况制成1:2000比例的实验模型,在北京大学环境学院风洞实验室,进行了“12·23”井喷事故硫化氢扩散行为过程的风洞模拟实验。在模型上共布置了88个测点,进行了21天风洞模拟实验,获得了大量的测定数据,共进行了1.0m/s(相当于距离井喷口10m高处的风速为0.5m/s)风速条件下的N、NE、E、SE、S、SW、W、NW等8个风向的硫化氢污染情况的实验测试,再现了事故过程中和不同风向条件下的硫化氢扩散行为过程、污染范围和危险区域。

进行天然气井喷事故的计算机模拟

项目组根据“12·23”井喷事故的现场地形资料、井喷基本参数和井喷时期的气象参数,采用三维的井喷控制方程和FLUENT软件,对井口附近20D×5D(D为井口直径)范围的井喷射流情况进行了模拟。经3个月研究,初步给出了“12·23”井喷事故硫化氢污染行为过程,并获得了大量的基础数据,形成了用于开放空间污染模拟的计算机软件。同时,解数结果进一步说明了“12·23”井喷事故的原因和致灾机理。

从技术角度对“12·23”事故进行分析

项目组根据罗家16H井“12·23”井喷事故的资料、井喷风洞模拟实验结果和井喷计算机模拟解算结果,分析了罗家16H井发生井喷的可能性以及“12·23”井喷事故中发生溢流、顶驱起火、井喷失控的原因,定量计算了井喷发生后点火过程发生天然气爆炸的后果、发生大范围二氧化硫致死区的严重性、井口附近形成大范围爆炸区的可能性、防喷管口附近形成大范围爆炸区的可能性、点火后形成大范围二氧化硫致死区的可能性、大范围硫化氢地面积聚的严重性、大范围硫化氢地面积聚的可能性以及大范围硫化氢地面积聚的危险性,系统分析了井喷失控后紧急处置过程、信息传递过程、资源调拨过程和应急救援决策过程,分析了在安全评价、安全规划、危机预警、应急救援、企业内部安全生产监督管理和企业外部安全生产监察方面的深层次原因。

进行油气田井喷危险性分级方法研究

项目组在总结国内外危险性分级的基础上,分析了油气田井喷危险性分级指标,通过稳态烟羽模拟和瞬间阵喷模式的硫化氢扩散模拟,建立了硫化氢扩散污染距离与排放速率的关系,结合硫化氢污染的危害程度,给出了井喷危险性分级指标。提出了针对井喷公众安全的油气田井喷危险性分级方法,分为4级(见表1)。四级、三级、二级、一级对应的硫化氢释放速率分别为小于0.9、0.9~3.4、3.4~6.0、≥6.0m3/s。提出了井喷危害防护区域的概念,针对不同井喷危险性级别的油气田,提出了危险区、应急计划区和扩大应急区的范围。同时按照分级指标,对我国当前主要含硫油气田的井喷危险性进行了分级与分析。