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盐穴地下储气库事故统计及风险分析49504218

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地下 储气库 事故 统计 风险 分析 49504218
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第1 9卷第9期2 0 0 9年9月中 国 安 全 科 学 学 报 9 0 0 9盐穴地下储气库事故统计及风险分析+谢丽华1 李鹤林2院士 赵新伟2教授级高工 张 宏1教授[1中国石油大学(北京)机电工程学院,北京1022492中国石油天然气集团公司管材研究所,西安710065]学科分类与代码:620.5020 中图分类号:2文献标识码:国石油天然气集团公司2008年科学研究与技术开发项目(加【摘要】 借鉴输气管道和二氧化碳地下封存设施的风险评价方法,结合盐穴地下储气库的事故统计分析,对储气库系统中的潜在风险因素进行12大类、35小类的初步分类,并归纳总结了盐穴地下储气库的3种主要事故类型。采用事故树分析的风险评价方法,对13种主要风险因素进行风险识别。在此基础上,提出定量风险评价的重要工程模型,其包括气体水合物模型、盐穴稳定性评价模型以及气体泄漏模型。该风险分析方法和工程模型有助于定量评价盐穴地下储气库的主要风险因素,为储库的安全稳定运行提供了科学依据。【关键词】 盐穴;地下储气库; 事故; 风险; 分析i.I in. 02249,10065,to of at to as as of 2 5 as as to 3 n in he to of of ey 言盐穴地下储气库一般由若干个容积不等的盐穴组成,是采用人工方式在地下较厚的盐层或盐丘中制造洞穴以形成储存天然气的空间…。盐穴地下储气库工作机理示意图如图1所示,盐岩层中的单个地下溶腔经由注采井与地面井口相连接。储气库运行中的注气过程,即是天然气通过地面集输系统流人注采井井筒,再经井筒流入地下溶腔的过程;而采气过程则为逆向进行的过程。盐穴地下储气库能够快速完成注采气循环,如此往复,可达到削峰填谷,平抑供气波动,从而达到保证供气稳定可靠的·文章编号:1003—3033(2009)09—0125—07;收稿009一05—10;修稿日期;2009一∞26·中国安全科学学报1盐穴地下储气库工作机理示意图迄今为止,世界上有67座地下储气库是利用盐穴建成的,约占各类储气库总和的11%左右,其中美国30座,欧洲27座,加拿大8座,其他国家2座。盐穴地下储气库历史可追溯到20世纪40年代011。加拿大首先提出利用盐穴储存液体和气体的构想并付诸实施,将盐穴用来储存液化石油气(随后盐穴地下储气库技术在德国获得专利。20世纪50年代早期,用盐穴储存961年,美国在密执安圣克莱尔建成了世界上第一座储存天然气的盐穴地下储气库。2007年我国利用江苏省金坛市的盐矿,建成国内第一座盐穴天然气地下储气库,即金坛储气库。盐穴地下储气库调峰能力强,能快速完成抽气注气循环,最适合用于天然气的日调峰和应急供气。例如我国建成的金坛储气库每天可提供高达6 000×104 大缓解了管道供气所面临的调峰压力,具备良好的经济效益和实用效果。然而实践亦表明,储气库系统运行过程中容易受到地质灾害、地层应力、腐蚀、盐岩蠕变和第三方活动等的不良影响,造成储气库密封性、稳定性和安全可靠性降低。为保证储气库的安全稳定运行,主动预防和降低失效事件的影响,盐穴地下储气库的风险评价至关重要,但国内外对此开展的研究极少。在此背景下,以往的盐穴储气库事故资料以及相近领域的风险研究成果具有重要的参考价值,以此为鉴,有助于进行风险因素识别与分析,进而采用事故树分析、建立事故模型等手段开展相应的储气库风险评价研究。1盐穴地下储气库事故统计根据文献统计‘2“1,世界范围内盐穴地下天然气储库共发生过7起事故,如表1所示。表1盐穴地下天然气储库事故概览储气库所在地 事故发生时间 事故描述 事故注解注采井管柱破裂,由此产生的井内火灾及爆炸,360人紧急疏散,约 压力冲击波类似水击作用,致使地表美国德克萨斯州 2004年8月 169.9×106蚀管段破裂,气体泄漏并燃烧,造成殆尽 井【|装置失效,直至事发第二日防喷器才成功安装。约9.9×1060人 套管失效,盐穴上方注采井套美国路易斯安那州 2003年12月紧急疏散 管断裂火灾及爆炸,2人死亡,1人受伤, 注气环节发生套管失效并损坏,运美国堪萨斯州001年1月紧急疏散人数超过250人 营商被处以525万美元罚金美困德克萨斯州 20世纪90年代 气体泄漏 盐穴失稳,储库完整性遭到破坏美国密西西比州 20世纪80年代初 气体泄漏,无伤亡报道 固井质量存在问题,导致2口井泄漏盐腔容积收缩,储气能力下降。美国密西西比州 1972年4月 20世纪80年代初曾因此关停。而后 盐岩蠕变,由于操作压力过低所致发现容积恢复,继续运行至今盐腔容积收缩,储气能力下降,但法国970后发现容积有所恢复万方数据第9期 谢丽华等:盐穴地下储气库事故统计及风险分析 ·127·对于盐穴地下天然气储气库,就全球盐穴地下储气库总数(67座)而言,事故发生率约为11%,且全部发生在天然气的储存和注气环节。报道的事故中,总计死亡2人,受伤1人,紧急疏散640人。由表成人员伤亡或疏散的事故有3起,约占事故总数的43%。美国为储库事故高发区,共计6起,约占事故总数的86%。惟一一起造成人员死亡的事故备受关注,发生在美国堪萨斯州库最初用于储存丙烷,后在20世纪90年代早期改为储存天然气,拥有70口注采井。2001年1月17日,力监测发现压力异常下降,随后在距该井ll 及周边地区。次日紧接着又在另一处居民区发生爆炸,导致2人丧生,1人受伤。当地居民紧急疏散直至3月份险情解除后才返回住处。事后调查表明该起事故由于注采井套管失效所致,气体从破损处泄漏并沿断层向远处迁移上升至地表,最终发生爆炸。盐穴除用于储存天然气外,还用于储存其他烃类如乙烷、丙烷、乙烯、城镇燃气等,而在该类地下储气库中,文献报道的事故数共计19起,事故发生率约为28%,且事故后果较严重。卜统计,事故造成的死亡人数总计5人,受伤人数47人,紧急疏散人数达5 470人。事发地分别位于美国堪萨斯州(1起)、美国德克萨斯州(8起)、美国密西西比州(1起)、美国亚利桑那州(1起)、美国俄克拉荷马州(1起)、美国路易斯安那(3起)、德国(2起)、加拿大(1起)以及法国(1起)。对于该类储气库而言,美国依然为储库事故高发区,共计15起,约占事故总数的79%。而得克萨斯州事故数高居首位,占事故总数的42%。并且值得关注的是,造成人员死亡,影响最为恶劣的2起事故均发生在该州。1980年9月17日,美国得克萨斯州体通过套管腐蚀处泄漏,并沿断层以及疏松的土壤迁移,最终在附近的一个居民区积聚并由于电器打火点燃发生爆炸。该事故幸未造成人员伤亡,但迫使75户家庭迁徙半年之久,直至泄漏危险源消除。然而1985年11月5日在该区同样由于注采井套管失效发生了更为严重的火灾爆炸事故,导致2人死亡,当地居民2 000余人紧急疏散。储气库方圆250 992年4月7日,位于美国得克萨斯州奥斯丁西北的故是由于储存在盐穴内的过注采井涌进邻近盐井并最终泄漏到地表引起的。密度大于空气而形成大范围散布的低处气云,继而因汽车引擎点火导致爆炸发生。事故造成3人死亡,23人受伤,爆炸区方圆1.5英里内的26处房屋损毁,50人紧急疏散。事后虽然这个盐穴通过了机械完整性检测,鉴于事故的恶劣影响,事故调查专家仍然勒令运营商永久关停储库,盐穴空置,储库地面系统后来改为输气管线的泵站。上述事故促使得克萨斯州针对在盐穴地下储库中储存轻质烃类和天然气制定了全面的安全制度和运行规范。综上所述,对于盐穴地下储气库,事故发生率约为39%,事故共造成7人死亡,48人受伤,6 110人紧急疏散。统计的26起事故中,除穴失效、注采井失效以及储气库地面设施失效的事故数分别为10起、致人员死亡的事故共计3起,均是气体泄漏所致,并且都发生在美国,2起是注采井套管失效导致气体泄漏,难看出,储气库气体泄漏的失效后果严重,需要加以特别关注。2盐穴地下储气库风险因素分类盐穴地下储气库主要由地面和地下两大系统组成。地面系统包括输气干线、压缩站以及脱水站等;地下系统包括储存盐穴、注采气井以及观察井(监测井)等。储气库地面系统与输气管道体系相近,而地下系统与二氧化碳地下封存设施(出于降低温室效应的目的而建)构造相类似,因此,对于盐穴地下储气库而言,可借鉴输气管道和二氧化碳地下封存设施在风险研究方面成熟的研究成果。国际管道技术委员会(将输气管道体系的风险因素分为9个大类、22个小类;而英国的建立了相关数据库。借鉴上述分类方法,结合盐穴地下储气库自身特点和以往事故统计分析,盐穴地下储气库具有腐蚀、设备失效风险、侵蚀、地质构造风险、操作失误风险、机械破坏风险以及自然灾害风险等7种共性风险。在此基础上,具体可将风险因素划分为12个大类、35个小类,如表2所示。万方数据·128·中国安全科学学报性风险 风险因素名称 小类名称l 外腐蚀 外腐蚀2 内腐蚀 内腐蚀3腐蚀 细菌腐蚀 细菌腐蚀4 应力腐蚀 应力腐蚀管体缺陷管焊缝缺陷5 制造缺陷井口组装缺陷井口阀f 接、施工缺陷 施工缺陷螺纹、接头缺陷设备失效风险管内壁皱褶变形!隔器或套管失效7 设备缺陷密封、泵密封鹅失效注采管梓失效中央分离器失效8 侵蚀 侵蚀 内部沙粒及盐屑侵蚀(盐岩蠕变)断层9 地质构造风险 地质构造缺陷 废弃井含水层注气量超负荷10 操作失误风险 误操作 运行压力超高维护操作失误第三方活动造成的破坏第三方/机械破坏 管材的延滞失效械破坏风险人为故意破坏机械疲劳、振动 压力波动金属疲劳极端温度(如寒流)狂风(裹挟岩屑)12 自然灾害风险 气候/外力作用 暴雨、洪水雷电大地运动、地震未知因素盐穴地下储气库的设计及工作人员可参考此表,并根据实际情况,有针对性地选择并分析储气库。风险评价过程中,为便于应用历史数据以及简化工程模型应用,具体的风险因素可合并为如表2所列的七大共性风险。上述风险因素与时间关系可分为3种类型:1)依赖时间,随时间变化;2)不随时间变化,即稳定不变;3)与时间无关,表现为随机出现。对于各类风险因素的交互作用,通常需要加以考虑。例如:地质构造缺陷和套管、封隔器等设备缺陷往往彼此起协同加强作用,已有事故为证。3盐穴地下储气库风险分析在对盐穴地下储气库风险因素进行初步分类的基础上,可采用事故树分析(风险评价方法,排查并分析造成储气库事故的主要风险因素,该过程称之为风险识别。风险识别是风险评价和风险控制的基础,对一项工程进行风险评价,识别主要风险因素是其首要工作。万方数据第9期 谢丽华等:盐穴地下储气库事故统计及风险分析 ·129·以往事故统计分析表明,按照失效机理划分,盐穴地下储气库主要包括3个事故类型:盐穴失效、注采井失效以及储气库地面设施失效。X._一套管腐蚀风险识别过程就是分别分析造成这3种类型失效的风险因素。针对这3种事故类型,盐穴地下储气库主要的风险因素共有13种,如图2所示。储气库事故1≤注采井失效 I l 盐穴失效 l I 地面设施失效+ +y U≮夕≮夕吣孳 选 拿 废 断塞 鲁查 孬 层蠼 要 辱 算 迁变 举. 委 迁 移大‘ 移 话“+X。。J l 井在热交换,并且在靠近地表处季节性低温可引起效后果:泄漏以及供气能力下降。泄漏按照泄漏途 所需气体冷却量增多。径可细化为地下泄漏以及地面泄漏等,由此产生相 根据998)水合物稳定状态的定义,气应的后果。同样,供气能力下降也可细化为供应中 井生产过程中适于形成水合物的天数除以套管中生断以及供应损伤(流量或储气能力降低)等,导致的 成可获得水合物后果亦不同。 柱塞形成概率的估计值。通过采用气体水合物模型根据事故树分析,盐穴地下储气库的主要风险 来预测注采过程中水合物的生成区间,并及时准确因素得以识别,在此基础上可进一步开展定量风险 判定井口处是否形成水合物,可以有效地提供理论评价研究,建立相关的事故模型,进而判断其失效概 及科学依据来指导现场生产运行,避免恶性事故的率以及计算失效后果,最终确定储气库的主要风险 发生。以及相应的风险控制措施。定量风险评价研究中可采用的部分重要模型如下所述。3.1气体水合物模型气体水合物是一种固态的晶体结构,当烃类气体含水时,在特定的压力及温度条件下即可形成。气体水合物可能在井眼或井口形成,从而降低气体流量,造成储气库供气能力下降,严重时甚至会损坏井筒部件,导致气井停产等重大事故。采用气体水合物模型[1卜121可估计出生产过程中气体沿井眼上升发生膨胀时所需的冷却量(根据若将模型简化,可假设井眼、地层及气体间不3.2盐穴稳定性评价模型盐穴所处的盐层通常呈现出塑性行为,并且在特定的压力下会“流动”,该现象称之为盐岩蠕变。实践表明:并非在所有操作工况下盐穴都会保持原状,有时会出现顶部块状盐层松散破裂甚至塌落盐穴底部的现象。盐穴不稳可能会损伤套管,并导致套管泄漏,气体极可能因此而泄漏至周围地层,甚至沿断层迁移上升至地表。为减少该类伤害,储库工作人员可能会调低盐穴的运行压力,然而这会降低储库的储存能力或供气能力。正常操作工况下的盐穴紧急关闭己蔷囊襞…)-—_1@井急截断阕失效◇羹嚣襞◇篷卖乡19卷·1 30· 009年或者特定的操作行为(如盐穴的超压或加压等)都会引起盐穴不稳事故。l 31。该模型预测了盐穴的运行压力随时间波动而导致的盐穴闭合程度,需要输入的参数有盐的蠕变行为、盐穴的运行压力历史以及盐穴几何形态参数等。笔者采用一般的蠕变行为参数来近似模拟盐岩的蠕变行为。根据盐穴闭合模型即可估计盐穴随时间而变的失效概率。以该概率为依据,储库工作人员通过及时调整运行压力,采取合适的操作条件(包括时间及温度等),尽可能地降低盐穴闭合的程度和发生概率,最大限度地保证储库的储气能力,从而确保最佳经济效益。3.3气体泄漏模型地下泄漏可分两种情况加以分析:1)对于小孔泄漏(25 此时盐穴的运行压力稳定,可采用1984年)对于大型泄漏(全井眼直径),此时气体泄漏量大导致盐穴的运行压力下降,可采用应用简化的储层流体位移模型估算气体从注采井沿渗透性地层水平迁移的距离,该距离为时间的函数。对于地面泄漏而言,天然气若非立即点燃生成喷射火焰,则通常形成浮动气云。浮动气云所在高度接触点火源的概率低,并且即使引燃形成闪火,在此高度事故后果对地面人员的危害程度小,因此,假定与浮动气云有关的风险可忽略不计。根据有泄漏事故中,大约10%的事故才会自燃形成喷射火焰【l 6。。以该假定为基础,进行地面泄漏的后果分析。 J。此外,借鉴输气管道气体泄漏最新研究进展¨“19J,考虑盐穴储气库自身特性,可改进相关的气体泄漏模型并应用于储气库地下泄漏的风险评价。4 结 论1)盐穴地下储气库的风险是多方面的,与储库规划、设计、施工、运营、检修以及维护的各个环节密切相关,故其安全问题至关重要。2)根据盐穴地下储气库以往事故的统计分析,确定储库主要事故类型为盐穴失效、注采井失效以及储气库地面设施失效。借鉴输气管道以及二氧化碳地下封存设施的风险评价方法,结合盐穴地下储气库自身特点,对系统中的潜在风险因素进行初步分类,将其划分为12大类、35小类,共性风险共计7种。3)采用事故树分析的风险评价方法,针对储气库3种事故类型进行风险识别,确定13种主要风险因素。在此基础上,可进一步开展定量风险评价研究,明确其风险大小,为制定风险控制措施和安全管理决策提供科学依据。气体水合物模型、盐穴稳定性评价模型以及气体泄漏模型等重要模型均可应用于定量风险评价研究。4)在考虑经济运行因素的同时,储库的安全稳定运行从长远角度考虑应是重中之重,加快盐穴地下储气库的相关风险研究步伐具有重要现实意义。我国建设盐穴地下储气库刚刚起步,全球储气库事故统计分析和相近领域风险评价研究成果具有宝贵的借鉴意义,应当注重全面收集及整理资料,建立储气库的相关数据库,为开展风险评价的安全研究工作奠定坚实基础。参考文献[1] 谭羽非,李玉星,唐剑锋.天然气地下储气库技术及数值模拟[京:石油工业出版社。2007[2]004[L]../a=c,65,2004—08一19[3] .3.d 7由万方数据第9期 谢丽华等:盐穴地下储气库事故统计及风险分析 ·131·剃(1哑哪003:3 .A.&.C.in ].994,78(2):287—307[5][6][7][8][9][10][11][12][13][[[4]5]6][17][18][197.in of ].972,24(11):I 299一I 301.&B.in of S ].in K ].004:36—42.,.,.&.].19.1998m'].1B/1.1992.4—P.,.&.R.in e— in as ].986.。.of ].003,58(3):361—384谭羽非,曹琳.盐穴天然气地下储气库运行过程的关键技术问题[J].管道技术与设备,2006(3):19...].006:c].006:0411.。.].of ].003:221.D.].984 M].998970 001[A].].003:221.J.,拥s,K..A ].山C].002:7073徐亚博,钱新明,刘振翼.天然气输送管道泄漏事故危害定量分析[J].中国安全科学学报,2008,18(1):146—149任建国,鲁顺清.气体扩散数学模型在安全评价方面的应用[J].中国安全科学学报,2006,16(3):12一16万方数据盐穴地下储气库事故统计及风险分析作者: 谢丽华, 李鹤林, 赵新伟, 张宏作者单位: 谢丽华,张宏(中国石油大学(北京)机电工程学院,北京,102249), 李鹤林,赵新伟(中国石油天然气集团公司管材研究所,西安,710065)刊名: 中国安全科学学报英文刊名: (期): 2009,19(9)引用次数: 0次参考文献(19条)玉星,]油工业出版社,004[L],a=c,65,]7]003: in ]994,78(2):in of ]972,24(11):1 299.&in of S ]in K ]004: ]].& as ]of ] 003,58(3):]006(3):]006:].]of ]003:] M]970 ]2]003:.A ]]002:新明,]008,18(1):]):120条)an'穴型地下储气库建设与声纳测量技术 6(8)利用声纳测量技术对在建的盐穴腔体的形状和体积进行及时测量和评价,本工作原理和声纳测量设备的基本构成,穴地下储气库在我国的发展动力和趋势 9)本文从天然气产业发展的角度,分析了天然气生产、运输和市场对大型地下储气库存储设施的需求动力,根据不同类型地下储气库的运行特点,们能很清楚的看到大容量和高注采速率的盐穴地下储气库在我国南方地区的需求将会持续增加,但由于其建设周期较长,与当地盐化工产业的发展紧密相关,一般应提前3至5年先于管道工程建设,才能与管道秉
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