页岩气压裂井场火灾智能预警及远控消防系统

摘要：大型酸化压裂是页岩气田勘探开发的关键施工工艺，受地理环境的限制，施工井场面积小，压裂车组摆放紧凑，现场管线多、油路密集。压裂施工中，由于长时间高负荷作业，压裂车发动机涡轮增压器壳体温度超过600℃，多次因管线漏油和油渍过多发生火灾事故，导致压裂车组大面积着火甚至发生爆炸，造成了严重的经济损失和社会影响。针对压裂施工火灾安全风险，中石化胜利石油工程有限公司研制了压裂井场火灾智能预警及远控消防系统，集初期火灾预警、远程控制灭火于一体，实现了火灾险情早发现、早处理、快处理，提升了页岩气压裂施工的本质化安全水平。

关键词：页岩气; 酸化压裂; 压裂车; 火灾事故; 初期火灾预警; 远程控制灭火

1   引言

大型酸化压裂是页岩气田勘探开发的关键施工工艺，与常规压裂相比，页岩气压裂施工规模大、设备设施多。页岩气田压裂施工主要设备设施有：压裂车18-20台、仪表车2台、混砂车2台、混配车2台、储液罐45个、立式砂罐3个、高低压流程管汇1套、发电机组1套，现场设备设施总资产达到近3亿元。

自页岩气田开发以来，已发生多起压裂设备着火事故，因现场消防系统配备落后，无法实现火情初期预警，发生火灾后控制不及时，致使灾情扩大化，造成了严重的经济损失和社会影响。2018年6月13日15时，国内某石油公司压裂施工中一台压裂车发生火灾，火势凶猛，引燃周边四台压裂车，现场采用灭火器、消防水枪扑救无效，直至17时30分消防车赶到后，火势才得以控制，此时，距发生火情已2个多小时，五台压裂车被烧毁，直接经济损失4000余万元。

目前，压裂井场普遍采用人工操作泡沫消防泵，抢险人员携带消防水带和水枪靠近着火区域进行灭火，存在应急反应慢、控火、灭火效果差等缺点。同时，压裂车发生火灾后，存在油箱爆炸的风险，给抢险人员的生命安全带来极大的威胁。受限于页岩气田的地理条件，发生火灾后，即使及时报火警，因井场偏远、山路通行条件差，消防车也无法及时救援，最终导致错过火灾扑救的最佳时期。

压裂火灾隐患已成为制约国内页岩气田大规模勘探开发的重要因素。针对压裂施工的火灾安全风险，中石化胜利石油工程有限公司开展了压裂井场火灾预警消防技术研究，研制了火灾智能预警及远控消防系统，实现了压裂井场火灾险情及时发现、快速处理，保障了现场施工人员生命和财产安全，从本质上提升了压裂施工的消防安全水平。

2   压裂井场火灾智能预警及远控消防系统

火灾智能预警及远控消防系统是充分结合涪陵页岩气井场压裂设备布局和火灾风险特点对消防系统进行的全新设计。该系统包括智能火灾预警系统和远程控制消防系统两部分，具有火灾初期预警、远程遥控灭火等功能，系统总体布局如图1所示。

2.1  智能火灾预警系统

智能火灾预警系统主要应用于对压裂作业现场车组及作业环境进行实时火情探测和声光报警，如果现场出现火情，能第一时间探测并发出警报，现场施工人员及时发现、快速反应、有效处置，将火灾险情消灭在萌芽状态。智能火灾预警系统主要由火焰探测器、火警集中信号采集计算机、组态图形显示装置、火焰探测器及声光报警器组成，如圖2所示。火焰探测器设置在每辆压裂车的两侧位置，实时监测发动机等高温部位，确保发现初期火灾险情。火警集中信号采集计算机实时收集、分析火焰探测器数据，如遇火情自动启动位于压裂施工区域四角位置的声光报警器，向现场人员发出声光报警。同时，将火灾险情发生的位置传送至组态图形显示装置，现场人员可以第一时间确定着火点位置。另外，在施工区域周边设置高清摄像头进行视频监控，实现远距离无死角监控。

2.2  远程控制消防系统

远程控制消防系统由撬装集成泡沫消防泵组和远控泡沫消防炮系统组成。撬装集成泡沫消防泵组包括柴油机消防泵组、泡沫系统、泡沫罐，撬装底座、报警警示系统等组成。远控泡沫消防炮系统由消防管网、4组远控消防炮塔组成，消防炮塔分别布置在压裂机组的4个端角位置，消防炮喷射范围覆盖整个压裂机组。消防泵组远程控制系统设置在仪表车中，当施工现场压裂机组发生火情时，远程启动柴油机消防泵组，远程遥控调整泡沫消防炮喷射方向和喷射角度，使其对准着火位置进行喷射灭火，达到快速扑灭火灾的目的。远程控制消防系统现场布局如图3所示。

3   压裂井场消防灭火关键参数计算

3.1  消防管路设计

井场消防主管路采用无缝碳钢管，每根之间采用法兰螺栓连接;消防主管路与消防站、消防炮及转弯处采用不锈钢丝编制软管进行连接。

3.2  消防炮选型计算

根据施工现场压裂机组的布局，压裂机组占地面积为：30m×30m=900m2，所以消防炮的最大保护面积按900m2计算。压裂现场易燃液体为柴油，属于丙类液体。根据GB50151-2010《泡沫系统灭火设计规范》，丙类液体灭火用泡沫液种类选用6%型水成膜或成膜氟蛋白，灭火强度为6.0L/min.m2，灭火用混合液流量：900×6.0/60=90（L/S）。根据现场空间位置情况及消防炮流量系列，选用4门25（L/S）的消防炮布置在压裂机组的四个端角位置对机组进行全覆盖保护。

3.3  泡沫液储存量计算

根据GB50151-2010《泡沫系统灭火设计规范》，丙类液体灭火时间取30min，混合比以6.5%计算，灭火用泡沫液用量：30×60×90×6.5%=10530（L）。压裂现场需配备的泡沫罐容积≥10530（L）。

3.4  消防系统用水量计算

消防系统用水量：30×60×90×（1-6.5%）=151470（L）。压裂现场需配备的消防水罐储水量≥151470（L）。

4   厂内试验

4.1  各系统功能性试验

该项试验的目的是检验智能火灾预警系统和远程控制消防系统的功能，在试验场地搭建试验台，如图4所示，分别在不同位置放置火焰，进行火情探测、声光预警、远程控制灭火试验，验证了各设备是否能按设计要求实现功能要求，试验结果表明各系统均能正常工作，迅速发现火情，并快速扑灭，满足设计要求。

4.2  全系统联合调试试验

该项试验目的是为模拟页岩气压裂井场出现火情的全系统联动试验，在厂区按照压裂现场设备摆放要求进行全景模拟试验，主要测试项目为火情探测、声光预警、远程控制灭火等试验，所有设备及子系统均参与了此项试验，整个联动试验过程中各系统反应迅速、衔接可靠、快速扑灭了火情，达到了压裂井场火灾预警、远程控制灭火的各项要求。

5   结语

中石化胜利石油工程有限公司研发的压裂井场火灾智能预警及远控消防系统，采用智能有效的监测技术及时预警火情，抢险人员通过远程控制泡沫消防炮，在危险区域外实施快速灭火，有效增强了页岩气大型压裂井场消防安全保障能力，提高了压裂作业的本质安全性。

该系统完成了厂内的全部功能性试验及联调试验。下一步将在压裂施工现场进行整个系统的工业性试验。根据工业性试验的效果及时进行系统的优化改进，逐步达到规模化推广应用要求。

该项目的实施对于国内页岩气田大规模勘探开发具有重要意义，具有良好的社会效益和广阔的市场前景。

作者简介：

魏学成，高级工程师，1993年毕业于中国石油大学（华东）钻井工程专业，中石化胜利石油工程有限公司安全副总监兼安全环保处处长，主要从事HSSE管理工作。

参考文献：

[1]    周贤海，臧艳彬.涪陵地区页岩气山地“井工厂”钻井技术[J].石油钻探技术，2015（03） .

[2]    张晋伟.关于涪陵页岩气田“井工厂”模式布置的几点认识[J].化工管理，2015（13）.

[3]   崔安峰.“井工厂”压裂地面设备配套技术的研究及应用[J].化工管理，2014（11）.