低压页岩气井临时集输工艺风险分析

时间：2024-09-03

杨威韩松

(重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331)

X气井所处页岩气区块气井数量较少，CNG拉气点尚未建成，因此，采用长管拖车进行临时集输。此类集输方式在其他页岩气井中也有运用，但是X气井属于低压气井，需要经过天然气压缩机来加压充装进气瓶。该临时集输工艺存在着临时用电、天然气压缩等风险。为了保证该井后续页岩气井开发的集输安全，有必要对其进行风险分析并提出防护措施。

1 X气井临时集输工艺

1.1 临时集输工艺流程图

X气井临时输气工艺流程见图1。

图1 X气井临时输气工艺流程图

X气井来气采气管线1通过井口截断阀后到加热炉3，加热后的天然气经节流阀4降压节流进入到气液分离器分别分离出汽、水，天然气经气液分离器顶部进入脱水装置，经过孔板流量装置计量后，经节流阀7降压后进入到排气过滤器8，过滤掉天然气组分当中的固体杂质后，进入到压缩机9加压至20～25 MPa，通过流量计10充装至长管拖车11所携带的高压气瓶当中。

1.2 X气井临时集输工艺主要设备

1.2.1 天然气压缩机

(1)CNG压缩机

X页岩气井采用的是往复型压缩机。该压缩机是一种全平衡型、往复活塞式可变工况压缩机，采用最新压缩机设计制造技术，具有转速高、结构紧凑、使用经济、操作简易、维修方便等优点。驱动方式灵活，可根据需要选用柴油机、电动机和天然气发动机等。该系列压缩机可广泛应用于油气田的轻烃回收、增压、输气以及CNG汽车加气站的标准站、子站和母站中。该压缩机列数为4，集体功率为420 kW，最大允许气体力为45 kN，进气压力范围0.1～20 MPa，排量在 300 ～5000 Nm3h 之间。

为了提高压缩机压缩效率，该压缩机在压缩单元之前设计了三级进气气液分离罐和过滤器。三级进气气液分离罐的作用是防止经过分离器和脱水装置之后剩余的液体影响压缩效果，将部分液体冷凝下来排走，同时也用于管路的保温。而过滤器的作用是为了防止天然气当中存在的少量固体颗粒杂质对压缩机性能的影响。

三级进气气液分离罐压力容器类别为Ⅲ类，设计压力20 MPa，耐压试验压力为27.4 MPa，工作压力17.19 MPa，设计温度－10～180℃，容积0.027 m3，工作介质为净化天然气。过滤器壳体压力容器类别为Ⅰ类，设计压力27.5 MPa，耐压试验压力36 MPa，最高允许工作压力27.5 MPa，设计温度80℃，容积0.003 m3，工作介质为天然气。排气过滤器工作温度小于80℃，公称流量为12 Nm3min，设计压力27.5 MPa。

(2)CNG压缩机配电柜

该压缩机由PXK系列正压型防爆配电柜供电，该配电柜主要参数见表1。

表1 PXK系列正压型防爆配电柜主要参数

1.3 CNG长管拖车

长管拖车运输CNG技术最早源于美国CPI公司，其CNG加气站用成套设备在美国及其以外的1000多座CNG加气站上得到应用。其运输及储存设备于1995年被应用于吉林油田及中原油田等引进的CNG加气站中［1］。随后中国从美国和韩国等陆续进口了大量长管拖车。长管拖车由车头和拖车组成，长管拖车到达加氢站后，车头和管束拖车可分离，所以管束也可用作辅助储氢容器。X井地处偏远，加之CNG输气站尚未建立起来，通过CNG长管拖车进行天然气的集输工既经济又实惠。X气井采用8管长管拖车进行充装，CNG8管长管拖车性能参数见表2。

表2 CNG8管长管拖车性能参数

2 X气井临时集输工艺风险分析

通过现场照片和实地调研，发现X临时集输工艺存在很多问题。首先，结合安全检查表的方式发现表观问题，然后，通过SAFETI软件对长管拖车泄漏风险进行模拟，发现潜在风险。

2.1 临时用电存在的风险

X气井临时集输工艺的压缩机原动机需要由420 V高压交流电供电，因此，其在井场护栏外围搭建了一条临时用电线路。在有火灾爆炸危险场所临时用电，没有办理《临时用电许可证》。通过对该井用电情况进行危害识别，天然气站场为危险爆炸区域开展临时作业;《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46－2005规定防爆场所需要选用具有一定防爆等级的元件，但是该临时用电线路采用了一半电源线;该临时用电线路为架空线，国标规定“临时用电线路架空线最大弧垂与地面距离在施工现场不小于2.5 m，架空线严禁架设在树木和脚手架上”，该临时用电线路绑扎在外围的金属网上，其高度不仅低于2.5 m的国家规定，而且没有做任何的防爆绝缘措施。

2.2 移动式压力充装工艺存在的风险

2.2.1 压缩机单元的风险

该压缩机由于压缩的是易燃易爆的天然气，因此，PXK正压型配电柜可能产生电火花而发生爆炸。正压腔内装元件的工作热量可随气路带走，具有很好的散热功能，适用于解决大功率防爆变频器的散热问题。原装风机没有携带，而临时调用了一个风机为配电柜提供稳定的气流。由于是临时匹配的风机，送风管道与配电柜原有的管道不相符合，因此，将配电柜打开来进行鼓风。电气设备通风要求风机吸入的气体不含易燃易爆物质，且保证气体清洁，通风正压不低于0.196 kPa，废气不应排入危险爆炸区域。该工艺中临时风机均满足上述条件。

2.2.2 CNG长管拖车泄漏风险

CNG长管拖车在充装过程和行驶在路面时，一旦发生泄漏，遇到火源容易发生火灾甚至爆炸。通过SAFETI软件模拟，已知D=559 mm，以全部气瓶发生爆炸为例，气瓶压力20 MPa，气瓶充装系数为0.9，容积V=4000 L，泄漏气瓶点离地高度1 m，大气环境为常温常压，风速1.5 ms。单根CNG气瓶泄漏模拟结果如图2所示。

图2 单根CNG气瓶泄漏足迹图

单根气瓶CNG气瓶泄漏以后，泄漏半径最大达到18 m。甲烷浓度为22000 mg/L的面积为926.5 m2，甲烷浓度为44000 mg/L的面积为533.554 m2。图3显示的是单根CNG气瓶完全泄漏后影响的范围。其中中部椭圆形区域的天然气与空气混合极易产生爆炸性混合物。

图3 单根CNG气瓶泄漏最大影响范围

为了考虑CNG长管拖车的最大风险情况，考虑8根CNG气瓶整体发生爆炸后所带来的后果，这里进行了TNT当量计算，并对死亡、重伤和轻伤半径进行了计算，结果如图3所示。

表3 CNG气瓶爆炸后果模拟结果

从X气井半径5 km内人文情况示意图看出，500 m范围内没有居民居住，然而实际调查发现，在距井口大约50 m处有村民居住，这些居民处于轻伤半径当中，存在潜在风险。

3 基于For Safety的安全防护措施

For Safety理论是近代安全科学与工程学科领域内基于失效系统运动方向的理论。当系统内的某一个元件失效，系统的能量移动方向朝着不危害人的生命健康的方向移动。常见的有接地保护和联锁保护装置等。但是，目前的生产经营活动中，基于For Safety的设计较少。

3.1 临时用电的For Safety安全防护设想

当人体接触强电流瞬间，如果能够迅速摆脱或使电网断电，都能保住生命。井场临时用电最主要的是预防人体触电和火花引燃天然气。在防止人体触电方面，除了人自身要提高安全防护外，如擦干操作的手指，释放静电等，另外还有2种安全防护设想，第一，在主要用电器旁边加装除了总开关之外的紧急断电按钮，该按钮可设置为类似机械设备的紧急停车按钮，颜色为红色，蘑菇型按钮，直径大于30 mm，按钮凸出无边框，另外为了防止紧急切断电源的电火花，采用空气开关并加装密封装置，将按钮裸露即可;第二，将临时用电区域内的常用电器形成单独的用电闭环电路，设计最高接入电阻，当人体触电接入该闭环电路时，此时人体超过最高设计电阻，用电系统将自动断电。

3.2 天然气压缩机For Safety安全防护设想

天然气压缩机原油的安全防护主要有，配电柜的正压型能够防止天然气气体进入及配电柜的防爆性能等。但天然气压缩机其他组件(鼓风机，气液分离罐和过滤器等)的安全防护措施缺失。首先，在鼓风机吸风口处加装一个空气净化装置，在配电柜中加装一个天然气浓度报警装置，报警浓度设置为天然气爆炸下限浓度的20%～30%左右。其次，气液分离罐，要设置液位报警装置，液位过高或过低都能触发连锁装置启动，使压缩机停机;最后，对压缩机的过滤器设置灵敏称重装置，当过滤器的过滤片质量超过一定范围时，自动提示需要更换滤芯，防止过滤器内蹩压。

3.3 CNG长管拖车For Safety安全防护设想

CNG长管拖车在临时集输工艺中，接受井口天然气后，由于井场所在位置一般较为偏远，且路面颠簸可能遇到以前没有的路况等。第一，设置紊乱度报警器，CNG压缩天然气在平整路面行驶和在颠簸路面行驶气体的紊乱程度不一样，为此，通过紊乱度探测仪的测量，将紊乱情况反应到驾驶司机的表盘上，以提醒司机注意驾驶速度和平稳度;第二，设置自动牵引销拆除装置，半挂车的车体与车头是通过牵引销链接，普通牵引销需要人力来拆除，可以设计自动拆除装置，在紧急情况下让车头与车体分离，不仅能保证驾驶司机的安全，而且还能提供更多的救援时间;第三，在挂车车体框架上加装水雾喷洒装置，在车体上附带一个大型水箱，在紧急情况下，抽水稀释泄漏天然气，在救援力量到场之前控制事故影响范围。