枯竭油气藏型地下储气库事故分析及风险识别_安全运行

摘要

摘要：目前世界上76.2%的地下储气库是利用枯竭油气藏改建而成的，影响该类储气库安全问题的风险因素很多，机理复杂。为此，在储气库事故资料统计分析的基础上，借鉴输气管道风险评价

摘要：目前世界上76.2%的地下储气库是利用枯竭油气藏改建而成的，影响该类储气库安全问题的风险因素很多，机理复杂。为此，在储气库事故资料统计分析的基础上，借鉴输气管道风险评价方法，归纳总结出了枯竭油气藏型地下储气库存在注采井或套管损坏、注气过程中气体迁移和储气库地面设施失效的三类主要事故类型，对储气库系统中的潜在风险因素进行12大类、33小类的初步分类，并根据风险因素与时间的关系将风险分为依赖时间、稳定不变以及随机出现三种类型，进而采用事故树分析的风险评价方法，排查并分析了造成主要事故类型失效的风险因素，对主要事故风险因素进行了识别，提出了相应的风险评价程序，为制订枯竭油气藏型地下储气库事故防范措施和安全管理决策提供了依据。

关键词：枯竭油气藏；地下储气库；事故；分析；分类；风险；识别；事故树

枯竭油气藏型地下储气库能切实解决天然气的季节调峰和应急供气问题^[1～2]，但储气库系统容易受到地质灾害、腐蚀、设备故障等风险的不良影响，降低其稳定性和可靠性。储气库的安全问题至关重要，然而目前关于枯竭油气藏型地下储气库的风险研究未见报道。为此，以统计资料为基础，开展了枯竭油气藏型地下储气库事故分析及风险识别评价研究，有助于切实维护储气库的安全运行。

1 枯竭油气藏型地下储气库事故统计

根据文献报道^[3～11]，全球枯竭油气藏型地下储气库共发生过16起事故，如表1所示。

第一起被报道的枯竭油气藏型地下储气库人员受伤事故发生在1997年，而气体迁移事故自20世纪40年代起在美国加利福尼亚州的储气库就已存在。全球枯竭油气藏型地下储气库的事故发生率约为3%，且全部发生在天然气储存和注气环节。由表1可知：造成人员受伤或疏散的事故有3起，约占事故总数的19%。美国为储库事故高发区，共计14起，约占事故总数的88%，而发生在加利福尼亚州的事故高达11起，占总数的69%。

表1 枯竭油气藏型地下储气库事故概览表

储气库所在地	事故发生时间	事故描述	事故注释
美国科罗拉多州	2006年10月	气体泄漏，储气库运行中断，当地13户家庭(共计52人)紧急疏散	注采井泄漏，固井质量存在问题
英国北海南部	2006年2月	爆炸及火灾，2人受伤，31人紧急疏散	脱水装置中的冷却机组失效，引发爆炸
美国伊利诺伊州	1997年2月	爆炸及火灾，3人受伤	油田在储气库区勘探钻井过程中气体迁移
德国巴伐利亚	2003年	注采井井筒环空压力升高	固井质量存在问题
美国加利福尼亚州	2003年4月	气体泄漏约25min，并发生油气混合	压缩机组阀门破裂
美国加利福尼亚州	1975年	气体从气藏转移至邻近区域并泄漏至地表	气体首先迁移至浅表地层，地表橡树砍伐后泄漏至地面
美国加利福尼亚州	1950～1986年	储气库气量损耗	储气库气体在注气过程中发生迁移，1986年停止注气，2003年关停储库
美国加利福尼亚州	1940年至今	储气库气体迁移	地质构造存在断层，导致储气库气体迁移至邻近地区
美国加利福尼亚州	1993年10月	爆炸，造成200万美元的经济损失	气体托说处理装置发生爆炸
美国路易斯安那州	1980～1999年	注气量超负荷，注入气体发生迁移	储气库气体在注气过程迁移，储库仍维持运行
美国加利福尼亚州	1974年	爆炸，火灾持续16d，气量损耗	事故原因未明
美国加利福尼亚州	20世纪70年代	注气量超负荷，气体在注气过程迁移	注入气归属其他公司，2003年关停储库
美国加利福尼亚州	20世纪70年代	气体迁移	气体由储气库迁移至地表，已关停储库
美国加利福尼亚州	不详	注采井损毁	地震导致注采井损毁
美国加利福尼亚州	不详	套管鞋泄漏，注采井损坏	套管鞋泄漏修复过程中注采井不慎损坏
美国加利福尼亚州	不详	套管腐蚀，注采井损坏	腐蚀套管修复过程中注采井不慎损坏

美国加利福尼亚州地下储气库事故频繁发生，与其地理位置及历史有着密不可分的关系。自19世纪后半叶至20世纪早期，该地区油气勘探开发活动密集，仅洛杉矶盆地就有70余个油田，并且大多数油井井位紧密相邻。以PDR枯竭油田为例，改建而成的地下储气库距洛杉矶盆地大约64km，其间遍布数百口油井。如今大多数油井已废弃，但未经妥善处理，位置亦难以探明，从而为储气库气体迁移提供了有利条件，埋下安全隐患。油田进行新井开发或二次开采时提高了该区块的地层压力(或者储气库运行压力过高时)迫使地下储气库气体迁移离开储层，沿着固井不良或套管锈蚀的老井上升，最终泄漏到地表。这些老井周边大多新建了住宅，因此气体迁移事故极易造成人身伤亡或财产损失等严重后果。此外，加利福尼亚州正处于地震活动期，该区域承受板块构造引起的挤压力，其大小通常与构造作用力有关。在此过程形成的背斜使得大片地层发生断裂。众多断层为地下储气库气体提供了良好的泄漏通道，是除了废弃老井之外，造成气体迁移事故的另一主因。

2 枯竭油气藏型地下储气库事故类型

文献报道的16起事故中，除1起事故原因不明外，按照失效机理，枯竭油气藏型地下储气库事故类型可分为3大类，如下所述。

2.1 注采井或套管损坏

此类事故共计5起，约占事故总数的31%。事故发生地分别在美国加利福尼亚(3起)，美国科罗拉多(1起)以及德国巴伐利亚(1起)。美国加利福尼亚2起事故是套管维修环节操作失误导致注采井损坏，另一起则是地震导致注采井变形损坏。补救措施均是采取水泥塞封堵损坏井段，而后定向钻井绕开该段，联通下部井段。美国科罗拉多发生的事故是储气库26号注采井井下1600m处套管破裂，气体泄漏至地下含水层并沿周边水井上升至地表。储气库紧急关停1周后恢复运行，然而补救措施并未报道。德国巴伐利亚发生的事故是储气库21号注采井出现压力异常，表明发生气体泄漏。通过采用光纤温度测量手段确定具体泄漏点位于井下586m处，由注采井管柱接头损坏所致。随后及时采取补救措施，通过更换密封进行泄漏修复，由于处理得当，该事故并未酿成严重后果。

2.2 注气过程中气体迁移

造成此类事故的主要原因有注气量超负荷、储层存在废弃老井或断层等。此类事故所占比例最大(约43.8%)，且大多发生在美国加利福尼亚。注气量超负荷为工作人员操作失误所致，属于管理问题；而储层存在废弃老井或断层等则属于地质构造原因。

2.3 储气库地面设施失效

此类事故共计3起，约占事故总数的18.8%。气体脱水处理装置失效爆炸导致的事故有2起，均造成了严重后果。1993年10月发生在美国加利福尼亚的事故爆炸波及范围达1.6km，造成车、船等财产损失5万美元，储气库损失近200万美元；而2006年2月发生在英国北海南部的事故导致2名员工烧伤，储库被迫暂时关停。压缩机组失效导致的事故有1起，2003年4月发生在美国加利福尼亚，阀门破裂致使天然气急剧喷出长达25min，气柱高达30m，并与油混合形成棕色雾云，对当地环境造成污染，所幸未起火造成人员伤亡。

3 储气库风险因素识别及其评价

国际管道技术委员会(PRCI)曾将输气管道风险因素分为9个大类、22个小类。借鉴此分类方法，结合储气库自身特点和事故资料统计分析，将枯竭油气藏型地下储气库风险因素划分为12个大类、33个小类，并根据风险因素与时间的关系列表(表2)。

在对枯竭油气藏型地下储气库风险因素初步分类的基础上，可采用事故树分析的风险评价方法，排查并分析造成事故类型失效的风险因素，此过程称之为风险识别。对一项工程进行风险评价，首要工作即是识别其风险因素。

如前所述，枯竭油气藏型地下储气库的事故类型主要为注采井或套管损坏、注气过程中气体迁移和储气库地面设施失效3种。针对这3种事故类型，储气库的风险因素共有11种，整个系统的事故树如图1所示。

对于各种不同的风险因素，可在风险识别的基础上开展定量风险评价研究，建立相关事故模型，进而判断其失效概率、计算失效后果，最终确定主要风险及其控制措施。风险评价程序见图2。

4 结论

枯竭油气藏型地下储气库的安全问题至关重要，其风险是多方面的，与储气库的规划、设计、施工、运营、维护以及检修的各过程密切相关。因此必须从系统安全的角度出发，在储气库事故资料统计分析的基础上，借鉴输气管道风险评价方法，结合储气库特点对系统中潜在风险因素进行初步分类，将其划分为12大类、33小类，并建立事故树进行主要风险因素识别，进一步利用事故模型判断系统发生事故的可能性及其危害程度，确定其风险大小，建立相应的风险评价程序，为制订风险防范措施和安全管理决策提供科学依据。

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(本文作者：谢丽华¹ 张宏¹ 李鹤林² 1.中国石油大学(北京)机电工程学院；2.中国石油天然气集团公司管材研究所)