頁(yè)巖氣加砂壓裂高壓管匯失效爆裂風(fēng)險(xiǎn)控制措施研究與實(shí)踐

李 兵 黎宗琪 張 杰 張昌紅

（中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610052）

0 引言

超大型規(guī)模水力壓裂增產(chǎn)施工作業(yè)是非常規(guī)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)最有效工藝技術(shù)手段之一。自啟動(dòng)頁(yè)巖氣平臺(tái)井工廠化壓裂施工以來(lái)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2014～2017年我公司共發(fā)生32起高壓管匯失效損壞，僅2015年共計(jì)發(fā)生高壓管匯失效損壞20起，是自2006年有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以來(lái)10年間高壓管匯失效損壞事件的總和。在頁(yè)巖氣平臺(tái)井工廠化加砂壓裂施工作業(yè)成為公司最主要的支柱工作業(yè)務(wù)后，大排量、高壓力、長(zhǎng)時(shí)間施工已成為常態(tài)化作業(yè)方式，高壓管匯失效爆裂連續(xù)多年列為第一大風(fēng)險(xiǎn)源，通過(guò)積極主動(dòng)管控風(fēng)險(xiǎn)和治理隱患，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)管理方法與預(yù)防預(yù)警手段，強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和專業(yè)化分級(jí)管理，采取積極預(yù)防與被動(dòng)防護(hù)相結(jié)合，結(jié)合施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，建立實(shí)施生命周期全過(guò)程、專業(yè)化的高壓管匯爆裂防控與應(yīng)急防護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)可防受控。

1 高壓管匯失效爆裂事件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2014～2017年共發(fā)生32起高壓管匯損壞可記錄事件，其中2014年5次，2015年高發(fā)達(dá)到20次，2016年6次（多發(fā)于上半年），2017年減少至1次，如圖1。

圖1 2014～2017年高壓管匯失效事件統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.1 High pressure manifold failure events from 2014 to 2017

上述32起高壓管匯損壞記錄中，按失效破壞的方式細(xì)分：發(fā)生刺漏11起、占比34%，發(fā)生斷裂19起、占比60%，發(fā)生爆裂2起、占比6%，其中，發(fā)生高壓管匯斷裂比例最高，爆裂占比最低，但破壞性強(qiáng)，屬高危不可控風(fēng)險(xiǎn)[1]，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)進(jìn)口品牌產(chǎn)品性能相比較優(yōu)于同時(shí)期的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品且未發(fā)生爆裂事件；按損壞結(jié)構(gòu)件統(tǒng)計(jì)分析：高壓三通損壞18件，高壓彎頭損壞7件，高壓直管損壞3件，雙公短接損壞1件，旋塞閥損壞3件，高壓三通和彎頭損壞占比78.1%，屬易發(fā)高危部件。

2 風(fēng)險(xiǎn)事件關(guān)鍵因素分析

綜合運(yùn)用故障假設(shè)、因果分析等[2]方法，剖析高壓管匯失效爆裂風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生原因如下：

人的因素：崗位員工對(duì)新工況條件下高壓管匯失效激增的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不充分，管理與操作人員安全意識(shí)和責(zé)任心不強(qiáng)，技術(shù)素質(zhì)能力不足[3]，高壓管匯采購(gòu)與使用、流程優(yōu)化、聯(lián)接和安全防護(hù)等措施執(zhí)行不力。

物的因素：一是高壓管匯刺漏主要發(fā)生在連接由壬部位，多因密封件失效引起。斷裂也主要發(fā)生在由壬位置，多因應(yīng)力集中產(chǎn)生的疲勞失效引起。爆裂主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝較復(fù)雜的高壓彎頭上，主要因?yàn)橐毫D(zhuǎn)向與多應(yīng)力集中疊加產(chǎn)生的薄弱點(diǎn)位突然失效現(xiàn)象[1]。二是高壓管匯刺漏、斷裂、爆裂的發(fā)生都與產(chǎn)品制造材質(zhì)有關(guān)[4]，受頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)影響，高壓管匯國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程較快，同時(shí)期的國(guó)產(chǎn)高壓管匯性能和質(zhì)量次于進(jìn)口品牌。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外在用管材的物理性能和化學(xué)成分，包含屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊功、硬度、微觀金相組織、夾雜物、晶粒度等的對(duì)比分析，高壓管件除鋼級(jí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升外，適量增加Cu元素能提高合金的強(qiáng)度和韌性，Mo元素可細(xì)化晶粒，提高鋼材力學(xué)性能，改善鋼材的韌性，Mo和Cu等的含量增加有利于提高疲勞性能等，成為改進(jìn)產(chǎn)品材質(zhì)性能、提升本質(zhì)安全的重要依據(jù)。

技術(shù)工藝的因素：一是工藝流程布局方案或高壓管匯連接方式有局限性[5]，造成施工作業(yè)時(shí)高壓管匯減震、吸能效果不好，流體對(duì)高壓管匯沖刷不均衡，易形成局部應(yīng)力集中點(diǎn)，引起裂紋和刺漏；二是壓裂酸化施工泵送酸性介質(zhì)，對(duì)高壓管匯有腐蝕；三是頁(yè)巖氣壓裂增產(chǎn)施工作業(yè)工況變化是發(fā)生高壓管匯失效爆裂事故中的一個(gè)關(guān)鍵因素，泵注液體工作量迅猛遞增，高壓管匯短周期內(nèi)高頻次、長(zhǎng)時(shí)間承受高泵壓、大排量作業(yè)，承載工作時(shí)間長(zhǎng)、沒(méi)有恢復(fù)期，超過(guò)疲勞極限，造成使用壽命縮短。2016年壓裂酸化累計(jì)注入地層總液量210×104m3，同比5年前，2012年52.1×104m3，增加4.04倍，同比10年前，2007年13.5×104m3，增加15.6倍。研究發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣壓裂工況極端條件下，管件在施工作業(yè)56～278h具備發(fā)生較高頻次疲勞損壞的條件。從造成管匯疲勞失效事件統(tǒng)計(jì)分析印證：其中，14起事件的使用時(shí)間在200～300h之間，7起事件的使用時(shí)間超過(guò)300h，使用超過(guò)200h發(fā)生事件的占到65.6%，使用周期壽命明顯縮短。

管理的因素：一是存在高壓管匯制度缺陷（如檢測(cè)周期、采購(gòu)產(chǎn)品安全質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)等），未能及時(shí)跟進(jìn)與適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高壓管匯使用新工況條件，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別評(píng)估還不到位，執(zhí)行高壓管匯管理制度不嚴(yán)格，出現(xiàn)管理死角，防護(hù)措施還有完善的空間。二是高壓管匯入廠檢測(cè)缺失和周期檢測(cè)不到位。三是受頁(yè)巖氣低成本開(kāi)發(fā)影響，高壓管匯招標(biāo)采購(gòu)時(shí)，偏重價(jià)格，忽視了既要考慮頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)低成本發(fā)展戰(zhàn)略，更要滿足施工安全與質(zhì)量要求，做到兩相兼顧。

環(huán)境的因素：一是頁(yè)巖氣壓裂酸化中頻繁發(fā)生高壓管匯失效事件，給施工設(shè)備、人員及工程質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的威脅，給現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境造成嚴(yán)重污染等次生隱患。二是受施工場(chǎng)地環(huán)境局限，造成地面低壓、高壓管匯流程布置局促、硬連接或交叉錯(cuò)位等困難，施工易出現(xiàn)上水不良、管線抖動(dòng)或超高壓波動(dòng)，引起刺漏和斷裂。三是高壓管匯在露天中使用和存放，雨淋日曬容易銹蝕[6]。

3 高壓管匯失效爆裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防控制措施

利用分析誘因成果，有針對(duì)性的采取預(yù)防控制措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控，最大可能削減和控制高壓管匯失效爆裂風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

3.1 提升采購(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量

從源頭入手管控風(fēng)險(xiǎn)，提升高壓管匯招標(biāo)采購(gòu)安全技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)，在遵從現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的前提下，強(qiáng)化材料的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行從A/B級(jí)提高到K級(jí)的升級(jí)管理模式。同時(shí)，與國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家結(jié)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，推進(jìn)產(chǎn)品用戶、科研院校、生產(chǎn)廠家合作開(kāi)展高壓管匯國(guó)產(chǎn)化質(zhì)量提升技術(shù)攻關(guān)，從設(shè)計(jì)、選材、生產(chǎn)過(guò)程控制等對(duì)國(guó)產(chǎn)高壓管匯進(jìn)行全面升級(jí)改進(jìn)，改進(jìn)后，從2014～2017年高壓管匯失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如圖1）顯示，高壓管匯失效事件快速下降，并且，未再發(fā)生高壓管件爆裂事故。

3.2 修訂完善高壓管匯使用技術(shù)規(guī)范和管理制度

引入產(chǎn)品入庫(kù)前第三方安全質(zhì)量檢測(cè)和縮短安全檢測(cè)周期加密監(jiān)測(cè)等技術(shù)措施，杜絕高壓管匯不合格產(chǎn)品入庫(kù)和帶病生產(chǎn)使用，明確高壓管匯分級(jí)使用規(guī)范，規(guī)范井口至高壓分配器的高壓施工主管線和旋塞、彎頭等，優(yōu)先選用進(jìn)口質(zhì)優(yōu)的且在安全工作時(shí)間段的產(chǎn)品，設(shè)置高壓管匯安全使用壓力閾限值，落實(shí)并實(shí)踐驗(yàn)證：超過(guò)15000PSI高壓管匯安全使用壓力閾限值，使用20000PSI高壓管匯的制度規(guī)定對(duì)降低高壓管匯失效爆裂風(fēng)險(xiǎn)十分有效。

3.3 實(shí)施專業(yè)化管理

組建成立裝備技術(shù)服務(wù)公司，實(shí)施高壓管匯入庫(kù)檢測(cè)、集中管理、科學(xué)配送、專業(yè)維保、周期檢測(cè)、疲勞恢復(fù)、判廢等專業(yè)化管理，提供現(xiàn)場(chǎng)高壓管匯使用的專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)與高壓件工作臺(tái)時(shí)跟蹤記錄服務(wù)，為建立實(shí)施高壓管匯生命周期全過(guò)程有效管理提供了組織保障。

3.4 應(yīng)用大數(shù)據(jù)管理高壓管匯

引入網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)技術(shù)，建立高壓管匯RFID電子身份識(shí)別系統(tǒng)，完善RFID軟件數(shù)字庫(kù)，對(duì)每一件高壓管匯定點(diǎn)植入電子身份識(shí)別記錄芯片實(shí)行身份管理，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)手持終端掃描和儀表車施工數(shù)據(jù)的采集錄入，確保了高壓管匯使用數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，在第一時(shí)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到RFID軟件管理系統(tǒng)后臺(tái)，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)，有效防止沒(méi)有身份驗(yàn)證或未檢測(cè)的高壓管匯流入到施工井使用，設(shè)置安全工作時(shí)間提前報(bào)警功能，起到實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓管匯預(yù)警提示，從過(guò)程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)制管控有效遏制了高壓管匯失效風(fēng)險(xiǎn)隱患的發(fā)生。RFID電子身份識(shí)別系統(tǒng)于2016年9月26日正式上線運(yùn)行，如圖2，高壓管匯使用管理實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)工況實(shí)時(shí)采集、跟蹤預(yù)警管理。

3.5 優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)地面高壓管匯流程分配布局設(shè)計(jì)與聯(lián)接工藝

高壓施工作業(yè)中由于高壓流體的流動(dòng)，震源是客觀存在不可能消除的，頁(yè)巖氣壓裂施工中不斷優(yōu)化地面高壓管匯聯(lián)接工藝設(shè)計(jì)，做到高壓管匯全柔性連接，起到削減應(yīng)力集中點(diǎn)及均衡流體動(dòng)能，降低高壓管匯震動(dòng)幅度，增強(qiáng)吸能作用，達(dá)到減少或消除不安全載荷的目的。設(shè)計(jì)優(yōu)化定制帶鎖扣的高壓管匯塑膠墊木，有效解決施工中因墊木變形和位置改變等措施失效后高壓流體沖擊的大幅不規(guī)則震動(dòng)；地面高壓管匯在主管線設(shè)置井口止回單流閥；探索實(shí)踐在泄壓流程增設(shè)機(jī)械爆破式安全閥，削減施工中因突發(fā)瞬時(shí)超壓造成高壓管匯失效甚至爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4 高壓管匯失效后應(yīng)急安全防護(hù)措施

高壓管匯失效是壓裂酸化施工作業(yè)存在的固有風(fēng)險(xiǎn)，頁(yè)巖氣工廠化加砂壓裂施工作業(yè)在高壓力、大排量、長(zhǎng)時(shí)間、施工新的工況條件下，高壓管匯失效爆裂風(fēng)險(xiǎn)尤為突出，為減輕風(fēng)險(xiǎn)后果危害損失和有效防范次生事故危害，制定并執(zhí)行落實(shí)高壓管匯失效應(yīng)急防護(hù)措施成為必然。

4.1 執(zhí)行未經(jīng)許可高壓區(qū)嚴(yán)禁進(jìn)人的禁令規(guī)定

在作業(yè)井口和高壓管匯區(qū)域多點(diǎn)設(shè)置高清視頻監(jiān)控?cái)z像頭，配套專職專崗視頻監(jiān)控室及指揮中心視頻監(jiān)控分屏并留有進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳功能接口；現(xiàn)已成功推廣應(yīng)用遠(yuǎn)程液壓控制泄壓旋塞閥（改變?nèi)藛T進(jìn)入高壓區(qū)人工操作的不安全條件）。

4.2 設(shè)定井口高壓紅區(qū)

在井場(chǎng)高壓施工作業(yè)區(qū)四周設(shè)立全屏蔽抗撞擊無(wú)間隙遮擋的隔離防護(hù)擋墻，起到既隔離禁止高壓施工區(qū)域人員進(jìn)入，又遮擋屏蔽因高壓管匯爆裂產(chǎn)生的飛離物飛出高壓區(qū)，保護(hù)區(qū)域外周邊人員免受傷害。

4.3 應(yīng)用高壓管匯限位約束措施

規(guī)范對(duì)高壓管線由壬、轉(zhuǎn)向活動(dòng)節(jié)及堵頭等使用高噸位吊帶（纏綁帶或鋼絲繩）纏繞固定措施，限制高壓管匯斷裂后的移位距離，減少高壓管匯失效后對(duì)設(shè)備的損害及人員傷害后果。

4.4 防次生環(huán)境污染措施

在井場(chǎng)高壓施工作業(yè)區(qū)內(nèi)鋪設(shè)防滲漏膜層，四周設(shè)置封閉圍堰，配套抽汲泵等，及時(shí)抽排回收工作區(qū)積液和異常溢漏出的工作液，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）頁(yè)巖氣工廠化加砂壓裂施工作業(yè)高壓力、大排量、長(zhǎng)時(shí)間施工已成為常態(tài)化作業(yè)方式，新的工況條件下，泵注液體工作量迅猛遞增，高壓管匯短周期內(nèi)高頻次長(zhǎng)時(shí)間承受高泵壓、大排量作業(yè)，承載工作時(shí)間長(zhǎng)、沒(méi)有恢復(fù)期，超過(guò)疲勞極限，造成使用壽命縮短是發(fā)生高壓管匯失效事件關(guān)鍵的一個(gè)因素。其中，高壓管匯爆裂占比最低，屬于高危不可控風(fēng)險(xiǎn)。

（2）生產(chǎn)實(shí)踐中針對(duì)性地采取提升采購(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量、完善安全檢測(cè)與使用技術(shù)規(guī)范、引入專業(yè)化管理與技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化流程及連接工藝技術(shù)等有效預(yù)防控制措施，最大可能地削減和控制高壓管匯失效爆裂風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

（3）加砂壓裂和酸化施工中高壓管匯失效是該工程作業(yè)存在的固有風(fēng)險(xiǎn)，因此，應(yīng)不折不扣地落實(shí)執(zhí)行各項(xiàng)高壓管匯失效應(yīng)急防護(hù)措施，以減少風(fēng)險(xiǎn)危害后果和有效防范次生事故危害。