基于事故树与Bow-tie模型的页岩气井控安全风险评估及管控对策
2022-03-31王梅
王 梅
(中石化石油工程技术服务有限公司,北京 100020)
与常规天然气开采相比,页岩气作业为满足长水平段钻井、大规模压裂施工等要求,在浅层气钻井、大型压裂施工作业中突出存在井喷失控的风险。如发生井喷事故,不仅会打乱正常的工作秩序、危及作业员工和周边群众的生命安全,还会污染环境、损害油气层、破坏地下资源,甚至造成机毁人亡和油气井报废等巨大损失[1]。因此,有必要采用事故树法构建页岩气钻井井喷失控事故场景,分析梳理可能引发事故的基本事件,并通过结构重要度计算,确定各影响因素(基本事件)的重要程度并对其排序,筛选出降低风险的主要途径。同时,根据Bow-tie模型分析页岩气井控及相关安全风险,针对防喷器安装、防喷器试压、浅层气溢流、目的层压裂干扰等事件进行分析,推荐相应的井控技术措施,以保证施工安全。
1 井喷风险分析及控制
1.1 井喷事故树构建
以页岩气井喷失控事故为顶上事件建立事故树[2],该事故树从防喷器设计与安装、井喷诱发因素等方面梳理出14个基本事件(表1)。
1.2 井喷发生条件分析
根据页岩气钻井作业井喷事故树,计算得出该事故树有最小割集40个。分析结果表明,钻井工程施工作业期间,引发井喷的可能性较大,各种影响因素在40种不同的组合条件下均可能导致井喷发生。因此,需要从防喷器选型、钻井液配置、工艺过程等方面全方位做好各基本事件相关因素的安全管控。
1.3 井喷事故控制途径分析
1.3.1 风险管控途径分析
为研究页岩气钻井井喷事故的控制途径,根据事故树计算出发生井喷的最小径集有2个,管控好这2个径集可避免井喷发生。因此,页岩气钻井施工作业期间,现场要从这2种组合途径出发,制定并落实井控管控方案。
a) 最小径集(X1×X2×X3×X4×X5×X6×X7×X8×X9×X10)。说明通过防止起钻抽汲,避免钻井液密度低于设计,防止油侵、气侵、水侵,监控和防止井漏发生,避免起钻未灌满钻井液,防止装置被腐蚀和装置设计压力低等措施,可以避免井喷事故发生。
表1 井喷影响基本事件统计
b) 最小径集(X11×X12×X13×X14),表明安装好井口防喷装置,采用质量和规格型号符合实际要求的防喷器,加强防喷器安装、使用过程中的维护管控,可最大限度防止井喷事故发生。
1.3.2 结构重要度分析
通过对各基本事件对页岩气钻井井喷事故树的结构重要度分析,可以看出,I(X14)=I(X13)=I(X12)=I(X11)>I(X10)=I(X9)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1),说明安装质量合格并有效的井口防喷装置,应作为井喷失控事故预防的首要措施。
2 井控安全风险评估及管控对策
2.1 防喷器安装
防喷器作为钻井作业中的关键井控设备,安装于井架及钻台下方,体积大、重量大,且由于现场无法进行吊装作业,因此,安装时需要防喷器移动装置、游车、气动绞车等多设备配合作业。同时,在安装过程中,人员必须进入防喷器下方危险区域进行安装垫环、紧固螺栓等操作,才能确保防喷器安装过程顺利、安装质量合格。按照Bow-tie保护层分析法(图1),防喷器在安装过程中存在高处坠落、高空落物伤人、物体打击等人身伤害风险。为削减事故风险,可从工程技术、管理措施、个体防护和应急处置等13个方面采取风险管控措施。具体可参照执行SY/T 5974—2020《钻井井场设备作业安全技术规程》、SY 6279—2016《大型设备吊装安全规程》、Q/SH 0198.1—2020《天然气井工程安全技术规范 第1部分 钻井与井下作业》等标准,重点关注以下技术控制措施:
图1 基于Bow-tie的防喷器安装安全风险管控示意
a) 检查确认防喷器吊索吊具、平移装置安全可靠。
b) 人员进入作业前,认真检查防喷器固定是否牢固(使用游车时,应刹死刹把),避免人员作业期间防喷器滑动或移动。
c) 作业人员到防喷器上面安装连接螺栓、锁紧杆、喇叭口等附件前,应确保下部防喷器组安装牢固,同时防喷器专用吊绳不得放松。具备条件的可在作业面周围搭建行走或临时停留平台,提高作业安全性。
2.2 防喷器试压
试压是检验防喷器能否控制井控风险的关键工序,开展频次高且风险高。试压分为车间试压和现场试压,试压压力最高可达140 MPa。车间试压采用专用试压坑、监测设备、远程监控设施、声光报警系统等技术,试压全程实现远程操作和观察,发生异常时有声光报警提示以及相应的保护措施,确保了试压过程安全可靠。因受限于条件,现场试压不具备上述专用技术措施,需要临时接电、供水,试压人员在试压泵旁全程操作,钻井队工程技术人员通过肉眼检查安装质量,因此安全防护措施十分必要。按照Bow-tie保护层法(图2)的分析,防喷器现场试压期间存在管线脱开、触电、高压刺漏伤人等高风险事件,需要从工程技术、管理措施、个体防护和应急处置等10个方面采取风险管控措施,以降低防喷器现场试压引发的人身伤害风险。
对相关标准进行调研分析,防喷器试压风险管控措施可主要执行SY/T 6444—2018《石油工程建设施工安全规范》、Q/SH 0198.1—2020、AQ 2012—2007《石油天然气安全规程》、SY/T 5974—2020、SY/T 5964—2019《钻井井控装置组合配套、安装调试与使用规范》等标准,重点关注以下技术控制措施:
a) 对试压设备、工具仪器仪表及管线、阀门的安装、固定等确认无误后,再开始进行试压工作。
b) 试压时应先进行1.4~2.1 MPa的低压试验,合格后,再逐步增压至设计试压值。
c) 高压软管连接处应拴牢保险绳。试压时盲板、法兰口的对面不应站人。试压开孔和接管应朝正上或正下方,避免朝向端部及两侧。
d) 稳压检查时,不得正面观察压力表或法兰,观察时保持不少于2 m的距离。
e) 泄压时应使用试压泵泄压阀泄压。专人确认压力归零后方可开井,严禁用打开防喷器的方式来泄井内压力。
图2 基于Bow-tie的防喷器试压安全风险管控示意
2.3 浅层气溢流
浅层页岩气埋深主要在1 500 m以内,在形成过程中常见伴随压力异常。一旦钻开浅层气地层,往往会产生溢流,且气侵后溢流发生十分迅速。若溢流发现不及时、关井方式不正确,将会引发较大的井控安全风险,甚至导致井喷事故。根据Bow-tie保护层法(图3)的分析,针对井底压力不足、发现后汇报不及时、处置不及时或措施不当等问题,以及从事故发生后降低人员伤害和财产损失等方面的考虑,从工程技术措施、管理措施、个体防护和应急处置等12个方面采取风险管控措施,才能有效预防浅层页岩气溢流引发井喷。
图3 浅层气溢流引发井喷失控风险管控示意
对相关标准进行调研分析,浅层气溢流引发井喷失控风险管控措施可具体执行GB/T 31033—2014《石油天然气钻井井控技术规范》、AQ/T 2076—2020《页岩气钻井井控安全技术规范》、AQ 2012—2007、SY/T 5974—2020、SY/T 5225—2019《石油天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产技术规程》、Q/SH 0198.1—2020等标准。重点关注以下技术控制措施:
a) 认真勘察和调查井场周围一定范围内的居民住宅、学校、厂矿(包括开采地下资源的矿业单位)、国防设施、高压电线和水资源情况以及风向变化等,并在地质设计中标注说明。特别需标注清楚诸如煤矿等采掘矿井坑道的分布、走向、长度和离地表深度。
b) 严格按照井控要求认真开展短程起下钻。
c) 严格执行泥浆工、井架工和录井工“三岗”联坐制度,发现溢流及时关井,疑似溢流关井观察。
d) 起钻前充分循环井内钻井液,使其性能均匀,进出口密度差不大于0.02 g/cm3。起钻中严格按规定及时向井内灌满钻井液,并做好记录、校核,及时发现异常情况。钻头在油气层中和油气层顶部以上300 m井段内起钻速度不大于0.5 m/s。起钻完应及时下钻,不应在空井情况下进行设备检修。若静止或下钻时间过长,必要时应分段循环钻井液。
e) 在井场距井口30 m以内的电气系统,应确保所有电气设备如电机、开关、照明灯具、仪器仪表、电器线路以及接插件、各种电动工具等符合防爆要求,做到整体防爆。发电机、电动机应配备超载保护装置。
2.4 目的层压裂干扰
当前,因页岩气产能建设需要,重点区域页岩气区块井网越来越密集,除了存在水平段防碰风险,还带来了新的井控风险,即压裂干扰。压裂产生的高压一旦进入正钻井眼,会导致正钻井眼突然出现异常高压而引发溢流等,若防控措施不到位,则可能导致井喷。按照Bow-tie保护层法(图4)分析,防范压裂引发井喷失控应解决预防手段不足、发现汇报不及时、处置不及时或措施不当以及事故发生后如何减小人员伤害和财产损失等方面的问题,并应从工程技术措施、管理措施、个体防护和应急处置等13个方面采取风险管控措施,降低目的层压裂干扰引发井喷及井喷失控的风险。
对相关标准进行调研分析,目的层压裂干扰引发井喷失控风险管控目前可主要执行AQ/T 2076—2020、AQ 2012—2007、SY/T 5974—2020、SY/T 5225—2019、Q/SH 0198.1—2020等标准。针对上述标准并未对压裂干扰预防措施提出明确要求,建议在页岩气有关井控标准中增加如下内容:
a) 钻井施工单位应提前介入,了解邻井井眼轨迹情况和压裂施工安排,在钻井与压裂发生冲突、可能存在压裂干扰时,积极与业主沟通,统筹安排停钻先压裂,或是先钻井后压裂。
图4 目的层压裂干扰引发井喷失控风险管控示意
b) 施工井地质设计中应标注防碰井、压裂干扰井相关数据。
c) 最后一个开次开钻前,若钻井平台存在多口井,而邻井存在或即将压裂施工,可优先施工压裂干扰较小的井。
d) 钻开油气层之前向油气田开发部门及时查清周边压裂井分布、井眼轨迹及压裂施工计划。如存在压裂干扰可能,应及时向油气田开发部门提出风险评估意见和防控措施。
e) 关注邻井压裂施工进度。对存在井控风险的,应及时将钻具起至安全井段后关井观察。待压裂结束后再恢复钻进,确保井控安全。
3 结语
页岩气井控是一个系统工程,在井控设计、井控装置安装、试压以及钻井施工工艺等方面均存在风险,14种发生井喷的影响因素可组合出40种引发井喷甚至导致井喷失控的场景,其中合格的井口防喷装置是避免井喷失控的关键,相关企业应高度重视,有效减少工程的潜在风险。
页岩气井控工作应严格执行标准规范。目前在防喷器的安装、试压、浅层气井控以及压裂干扰方面,相关标准还存在不足,需要进一步完善标准来规范相关作业行为,才能有效防范风险,确保钻井施工井控安全。