页岩气压裂高压管汇失效风险分析及防控措施

2021-03-16傅建斌靳彦欣逄铭玉

安全、健康和环境 2021年2期

傅建斌,靳彦欣,李勇,逄铭玉,花靖

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

0 前言

随着油气开采技术的不断提高以及资源需求量的增加，页岩气因其资源丰富、潜力巨大受到越来越多的关注。我国的页岩气储量预测达30×10m，虽勘探开发尚处于起步阶段，但发展迅速，涪陵、长宁等气田相继实现了工业化开发。不同于常规天然气，页岩储层多为超低孔超低渗的致密多孔介质，须利用水力压裂技术改造储层才能有效开采。压裂作业属典型高压作业，地面设备、管线内部承压普遍在70～100 MPa，极端条件下甚至会超过130 MPa，且作业现场人员设备密集、工况恶劣，一旦发生事故，极可能造成严重的人员伤亡和财产损失。

目前国内外针对压裂施工作业过程中安全风险的研究较少且多为定性分析。国内方面，胜利油田宋士杰等从压裂井场布置、人员与设备集中、救援与逃生等角度分析了油井压裂施工中的安全风险，延长油田张新丽等从安全管理角度指出了压裂过程中的防控重点，青海油田刘力新等从高原特有的含氧不足、设备易老化等角度分析了高原油田压裂过程中的风险，江汉石油工程周巍等对气井压裂过程中的井控、施工设备移动、高低压管线连接等风险进行了定性分析。上述研究均未对压裂管汇失效后的后果及影响范围进行定量计算及分析。川庆钻探张祥来等利用势能转化模型研究分析了刺漏液体的辐射范围，但该模型假设流体为单一液相，未考虑支撑剂颗粒以及空气摩阻的影响。国外方面，大多围绕页岩气压裂过程中的异常工况预测开展研究，缺乏针对压裂施工作业中管汇失效风险的分析与研究。

针对目前页岩气压裂高压管汇失效事故分析研究中存在的不足与问题，该研究基于计算流体力学的固液两相流射流模型，同时综合考虑了刺漏后支撑剂颗粒、空气摩阻的影响，使模拟结果更符合现场实际，同时对不同压力下流体刺漏后的流速、打击压力进行了详细分析，最后给出防控措施建议，为企业风险的识别和措施的制定提供了参考。

1 高压管汇失效事件统计分析

页岩气大规模压裂施工作业时，压裂液先后通过液罐、混砂车、压裂泵、高压管汇、井口装备、压裂管柱、射孔炮眼最终到达压裂地层，具体流程如图1所示。大排量、高压力、长时间施工当下已成为页岩气压裂施工常态化作业方式。

图1 页岩气压裂地面流程

调研得知，某页岩气压裂施工作业公司2015-2018年共发生32起可记录高压管汇失效事件事件，如图2所示。

图2 某公司高压管汇失效事件统计

按失效模式和失效部位进行统计分析，结果见图3。

图3 失效模式和部位统计分析

按失效方式，管汇失效分为刺漏、断裂、爆裂3种，对比发现，断裂事件发生概率最高，刺漏事件次之，但相较而言，刺漏危害距离更远，破坏性更强，对人员、设备造成严重伤害。按失效的部件分为：高压三通18起，高压弯头损坏7起，高压直管3起，双公短节损坏1起，旋塞阀损坏3起，其中高压三通和弯头是易损坏高危部位。

2 高压管汇刺漏失效后果数值模拟

风险是频率与后果的乘积，通过上述分析可知，刺漏发生概率较高，因此选取刺漏作为典型事故进行事故后果分析、模拟。根据高压管汇刺漏特点，建立了考虑固液耦合和空气摩阻的两相流射流数值模拟模型，并利用Fluent软件进行了仿真模拟分析。

2.1 固液两相流场模型构建

2.1.1

模型假设

a) 压裂液中，支撑剂约占比25%～40%，液相约占比60%～75%，因此将液、固两相均假设为连续相。

b) 液固两相均为不可压缩流体。

c) 支撑剂颗粒为具有相同粒径的刚性小球。

d) 液固两相温度恒定不变。

2.1.2

控制方程

液相连续性方程：

(1)

液相动量方程：

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：

——液相体积分数；

——液相速度，m/s;

——液相密度，kg/m；

——管汇内压力，Pa；

——液相应力-应变张量；

——重力加速度，m/s；

——颗粒相对液相的作用力；

——液相剪切黏度，

；

——单位张量；

——颗粒相体积分数；

——阻力函数；

——颗粒相速度，m/s；

——颗粒直径，m。

其中：

(5)

式中：

，——固相速度，m/s；

——摩阻系数；

——雷诺数。

(6)

相对雷诺数为：

(7)

固相最终关联速度为：

(8)

固相连续性方程为：

(9)

固相动量方程为：

(10)

其中：

(11)

=1-

(12)

式中:

——固相压力，Pa；

——固相应力-应变张量；

——液相对固相的作用力。固液两相之间的作用力

、

、固相压力以及应力-应变张量的处理可参考文献。

由于高压管汇刺漏流体流态均为湍流，因此利用标准进行处理。

湍动能

方程为：

(13)

耗散率

方程为：

(14)

其中：

(15)

(16)

(17)

式中:

——湍动能，J；

——湍流耗散率，%。

2.1.3

边界条件

a) 刺漏口进口边界，假定进口处液固两相均速度相等，即

(18)

(19)

=0.1

(20)

(21)

b) 满足轴对称条件，即：

(22)

c) 出口边界条件，即

(23)

式中:

——刺漏口入口的时均流速，

；

，

——分别为液体和颗粒轴向的径向速度，m/s；

——刺漏口特征尺寸，mm。

2.2 数值模拟及结果分析

对建立的高压管汇刺漏两相数学模型进行离散求解，基于Fluent软件进行数值模拟分析，建立网格模型。基于初始网格模型，代入页岩气压裂现场实际数据：设置管汇内即入口处压力85 MPa，刺漏处直径为1 mm，支撑颗粒密度为1 300 kg/m，压力出口为标准大气压，支撑剂颗粒密度选取0.3 mm进行模拟，得刺漏处压力云图及速度云图，如图4所示。

图4 刺漏流场压力及速度云图

从图4中可以看出，压裂液自刺漏孔处射出后，压力迅速转化为流体动能，射流速度快速增加，流体压力迅速降低，当压裂液失去压强势能后，流体不再加速，同时由于空气摩阻、液体扩散等作用，喷射速度开始快速下降。

从现场事故经验以及室内实验可知，高压管汇中的刺漏流体冲击力很强，极易造成人员伤亡和财产损失。经调研得知，页岩气压裂常用压力范围在70～100 MPa之间，因此取100 MPa到70 MPa不同压力下的刺漏流体流速与喷射距离的关系进行了模拟，见图5。

由图5可以看出，由于流速越大摩阻越大，因此流体流速随位置呈先快速下降后缓慢下降的趋势。当100 MPa压裂管汇内的流体刺漏时，流体最高速度可达460 m/s，影响范围达100 m，离刺漏点1 m处流速仍可达260 m/s，破坏力巨大。为了直观反应刺漏流体的危害，根据能量守恒原理，利用伯努利方程进一步计算了刺漏流体的打击压力。

图5 不同压力下刺漏流体射流轴向速度曲线

伯努利方程为：

(24)

式中:

，

——单位重量流体所具有的势能；

——单位重量流体粘性流体的机械能损失。

沿射流轴向方向，打击前后位置势能相同，当流体冲击到靶体时，两相射流的动能迅速转化为压强势能，机械能损失忽略不计，则计算可得位置与液体打击压力的关系，如图6所示。

图6 不同压力下刺漏流体射流打击压力与位置关系曲线

由图6可知，流速为260 m/s，此时的打击压力为3 500 MPa，远超钢材的抗剪切强度(多在100～200 MPa之间)，可轻易击穿防护钢板，杀伤力巨大。因此当压裂现场应用钢板进行隔离防护时，应根据工况压力结合定量计算结果，选择钢板类型，并摆放在合适的位置。

3 高压管汇刺漏影响因素分析及防控措施

页岩气大规模压裂施工作业在高压力、大排量、长时间等工况条件下，高压管汇刺漏失效频率高，后果严重，风险尤为突出，为有效防范事故发生和减轻事故后果，制定并执行高压管汇刺漏防控措施成为必然。

3.1 关键影响因素分析

综合运用事故树理论、故障假设理论、因果分析等方法，对高压管汇刺漏进行分析，发现主要存在以下原因。

a) 物的因素：一是高压三通和弯头是管线刺漏的高风险部位，多因密封件失效和流体不断冲刷以及多应力的复合叠加，导致出现敏感薄弱点，引起突然失效。二是材质原因，同类进口产品的性能优于国产产品且未发生爆裂事件，国产化产品的性能尚需提升。

b) 工艺因素：一是由于工艺流程布局或高压管汇连接方式的局限性，造成压裂过程中，压裂管线减震、吸收效果不好，高压压裂液在弯头等流体变向区，冲刷不均衡，易形成应力集中点，造成刺漏；二是压裂酸化施工作业对管汇的腐蚀作用，形成腐蚀薄弱点；三是由于地层压开后的压裂速降或沙堵，导致工况复杂多变；四是压裂作业时压裂管汇高频次、长时间承受高泵压、大排量作业，导致管材超过疲劳极限，使用寿命缩短。

c) 人的因素：岗位员工对页岩气压裂施工高压管汇失效风险认识不清，高压管汇使用、联接固定和安全防护等措施执行不力。

d) 管理因素：一是高压管汇管理制度缺陷，缺少对监测周期要求以及安全指标，不能及时了解高压管汇现状；二是高压管汇露天存放，容易腐蚀生锈；三是地面设备按标准摆放执行不力，管汇布置局促，存在交叉错位等问题。