基于页岩气井口装置泄漏风险分析及安全防护探究

2020-01-19马亮雷月鑫陆海宁

中国设备工程 2020年5期

马亮，雷月鑫，陆海宁

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司，辽宁盘锦 124010）

1 页岩气井口装置介绍

井口装置是海上油气平台油气采收安全可靠的唯一通道，油气从井下到井上油气运输的第一道控制设备，对平台的正常安全生产起到了关键作用，特别是对页岩气的开采来讲，对井下井口的任何不安全情况，都能很好地控制和预防。井口装置主要包括采油树和地面安全阀，而采油树按外形可分为整体式和分体式。采油树主要包括主阀、地面安全阀、翼阀、油嘴和各种仪表等。采油树的主要作用有悬挂油管承托井内全部油管柱的重量。

（1）套管头。套管头是井口装置下端必不可少的一部分，也是在套管和其他装置之间的一个连接装置，同时也密封了油管套管间的环形空间，并承载套管的所有重量，对井下的套管柱进行固定。在钻井的过程中，套管头可以和防喷器、油管头等设备相结合，以防井喷事件的发生。套头管按照不同的形式特点，可分为卡瓦式和心轴式不同结构的悬挂器。

（2）油管头。在套管头和防喷器之间有一个叫油管头的安装装置，它主要是由油管悬挂器和和油管四通组成。在钻井完成后，油管头的主要作用是悬挂油管柱，使油管和套管之间形成一个密闭的环形空间，然后进行各种各样的工艺作业。油套管悬挂油管柱的数量主要是根据采油气工程施工的需要来决定的，既可以悬挂单根油管柱，也可以悬挂多根油管柱。油管四通的主要作用是可以观察套管的压力，也可以利用循环方式进行洗井。

（3）防喷器。防喷器是在采油气过程中修井、完井等作业过程中会用到的一个非常重要的装置，它就安装在井口的套管上，主要作用就是发生涌井等紧急事件时可以起到良好的控制作用，还可以防止各种原因造成的喷井事故的发生。夹板防喷器主要由壳体、侧门、油缸、缸盖、活塞、活塞杆、锁紧轴、密封件、闸板等组成。其工作过程是利用气压推动活塞，带动闸板关闭或打开，从而封闭或打开井口，达到开井和封井的目的。闸板防喷器可分为全封、半封、变径和剪切四种闸板，以实现不同程度下的封井成功。

（4）井口循环三通。井口循环三通又叫管件三通，是管道与关键之间相连接的部分，它的材质主要是铸铁、铸钢和铸铜，用来输送流体物质。

总而言之，页岩气的井口装置主要包括采油树、套管、油头管、防喷器、井口循环三通等重要作业设备，相关的工作人员必须保证每个设备都处于良好的状态，才能避免页岩气泄漏事件的发生，甚至危害周围人的生命安全，影响页岩气的开采效率。

2 页岩气泄漏因素

在页岩气的开采过程中，因为开采所需要的零部件比一般采气装置较多，而引起页岩气泄漏的主要原因可分为以下几点：①因为压力、温度、气压等条件都是不断变化的因素，不好进行人为控制；②开采的设备也存在老化、腐蚀、外界环境的破坏等因素，安装方面也存在着一定的问题；③加上一些年轻的员工工作经验尚且不足，相关的专业能力也有待提高，对一些设备的故障排查不到位。造成井口页岩气泄漏的主要原因是油层套管的磨损，法兰螺旋的松紧程度不一，0 型密封圈的风化，使其关闭不严从而发生页岩气泄漏事件。因为页岩气的开采条件较为恶劣，对于开采设备的使用年限造成一定的影响，所以更容易造成页岩气的泄漏。

（1）腐蚀失效。在我国页岩气的开采过程中，因为页岩气中所含有的二氧化碳气体或者钻取过程中一些具有腐蚀作用的气体在长期的开采过程中会对阀门、盘根、丝杆等设备的连接处造成严重的腐蚀，从而破坏整体环境的密封性。页岩气的生产过程中所腐蚀的一般是设备中的防腐蚀层的失效，遭到腐蚀破坏的设备一般会有防腐层破损、脱落、黏结力降低等后果。页岩气可以腐蚀开采设备的主要原因是开采压力、气体中含有具有腐蚀性质的物质、管道的材质、温度以及页岩气的流速等。

（2）外力破坏。虽然设备材料的腐蚀对页岩气的开采具有很大程度上的损害，但除了这一破坏，还有外力因素的破坏也是不容忽视的，比如，自然灾害的发生、人为因素的破坏等，对井口设备的破坏力也是不可预料的，影响力也是不可估计的。因为页岩气的户外施工条件较为恶劣，长时间的风吹日晒、气温的忽高忽低对页岩气的泄漏也具有很大的影响。另一方面的人为因素，不仅包括相关的设备维修检察人员进行野蛮式的维修和检查，造成了设备的损坏；还有就是相关的工作人员没有按照安全的操作流程进行，违规操作也成了破坏设备的因素之一。

（3）人为失误。页岩气开采井口设备的操作使用与检维修过程中，人的不安全行为往往是引发泄漏事故的主要诱因。事故致因理论证明，造成事故的直接原因中80%以上的事故都是由人的误操作造成的，人为失误是指人的行为结果偏离了规定的目标或超出可接受的界限，并产生不良的影响。对于物的不安全状态可以通过日常监控进行排查和控制，但是人在生产过程中是动态的，不稳定、不可控的。违章与失误等操作都偏离了事物发展所应遵循的客观规律。在工作过程中产生失误的主观因素有技术差、不良习惯、侥幸心理、责任心不强、精神不集中等。

3 页岩气井口装置气体泄漏安全防护

（1）防腐措施方面。因为我国的页岩气开采技术和设备都处于较为落后的阶段，而在页岩气开采的过程中，气体里面的二氧化碳极具腐蚀性，会严重腐蚀到井口的一些设备。所以，在页岩气开采的设计到运输的整个过程都要提高抗二氧化碳的腐蚀的防护措施。比如，对运输过程中的管道的材质进行有效的更换，井口的设备尽量不要有突出的部分进而减少对其的腐蚀作用。从我国现阶段的保护措施来看，最重要并且最有效的手段是对运输页岩气的管道采取保护层覆盖的方式，防止二氧化碳对局部设备的腐蚀，从而减少设备的使用寿命。

（2）设备管理方面。在页岩气的开采中，设备的采购与安装管理也是其中非常重要的一部分，相关的工作人员必须根据页岩气的具体压力、温度以及附近的施工条件进行考虑，然后选择较为科学的合理的材料，对其结构和连接方式、密封装备等进行设计。对于井口作业中将要投入使用的新设备，必须在投入使用前进行耐压试验和耐气试验，必须各项指标都合格后才能进行生产和使用，相关的工作人员必须更加重视井口阀门装置的安装，它的密封功能一定要过关，不能有一丝一毫的闪失。采用先进的智能化控制技术，然后结合相应的报警系统等其他先进的技术，使相关的工作人员在操作室内就可以掌握流量、流速以及压力等信息的变化；在页岩气的开采过程中，相关的工作人员需要定期定时地对发力表、井口的总阀门、管道等设施进行检查，必要时进行维修。

（3）人员误操作方面。相关工作人员的专业技术在页岩气的开采过程中也是非常重要的，一旦工作人员出现操作不当的问题，就会直接引发页岩气泄漏的重大事故，所以，相关的工作人员必须明白事情的后果和严重性，提高自己的安全意识进行规范的操作，这是对自己负责，也是对同事们生命安全的负责。相关的企业领导应积极组织工作人员进行有关知识的学习，提高工作人员出现紧急事件的反应能力和处理事务的能力。相关的企业领导也应该加强风险控制和安全防护措施，并将任务科学合理地分配给相关的工作人员，不能让员工疲劳或带病进行操作，以免发生不必要的事故。

（4）安全管理方面。企业高层管理人员应该建立健全页岩气开采中的安全管理体系，完善这一系列的规章制度，必要的条款可以出版企业内部的文献，当相关的工作人员遇到相应的状况时，可以找到科学合理的措施进行解决。在页岩气开采的过程中，因为各种各样的因素会出现气体泄漏、井涌等事故的发生，所以，在日常工作过程中，制定出详细的应急预案是非常有必要的。