頁巖氣壓裂高壓管匯失效風(fēng)險(xiǎn)分析及防控措施

傅建斌,靳彥欣,李 勇,逄銘玉,花 靖

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

0 前言

隨著油氣開采技術(shù)的不斷提高以及資源需求量的增加，頁巖氣因其資源豐富、潛力巨大受到越來越多的關(guān)注。我國的頁巖氣儲(chǔ)量預(yù)測達(dá)30×10m，雖勘探開發(fā)尚處于起步階段，但發(fā)展迅速，涪陵、長寧等氣田相繼實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化開發(fā)。不同于常規(guī)天然氣，頁巖儲(chǔ)層多為超低孔超低滲的致密多孔介質(zhì)，須利用水力壓裂技術(shù)改造儲(chǔ)層才能有效開采。壓裂作業(yè)屬典型高壓作業(yè)，地面設(shè)備、管線內(nèi)部承壓普遍在70～100 MPa，極端條件下甚至?xí)^130 MPa，且作業(yè)現(xiàn)場人員設(shè)備密集、工況惡劣，一旦發(fā)生事故，極可能造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

目前國內(nèi)外針對(duì)壓裂施工作業(yè)過程中安全風(fēng)險(xiǎn)的研究較少且多為定性分析。國內(nèi)方面，勝利油田宋士杰等從壓裂井場布置、人員與設(shè)備集中、救援與逃生等角度分析了油井壓裂施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)，延長油田張新麗等從安全管理角度指出了壓裂過程中的防控重點(diǎn)，青海油田劉力新等從高原特有的含氧不足、設(shè)備易老化等角度分析了高原油田壓裂過程中的風(fēng)險(xiǎn)，江漢石油工程周巍等對(duì)氣井壓裂過程中的井控、施工設(shè)備移動(dòng)、高低壓管線連接等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定性分析。上述研究均未對(duì)壓裂管匯失效后的后果及影響范圍進(jìn)行定量計(jì)算及分析。川慶鉆探張祥來等利用勢能轉(zhuǎn)化模型研究分析了刺漏液體的輻射范圍，但該模型假設(shè)流體為單一液相，未考慮支撐劑顆粒以及空氣摩阻的影響。國外方面，大多圍繞頁巖氣壓裂過程中的異常工況預(yù)測開展研究，缺乏針對(duì)壓裂施工作業(yè)中管匯失效風(fēng)險(xiǎn)的分析與研究。

針對(duì)目前頁巖氣壓裂高壓管匯失效事故分析研究中存在的不足與問題，該研究基于計(jì)算流體力學(xué)的固液兩相流射流模型，同時(shí)綜合考慮了刺漏后支撐劑顆粒、空氣摩阻的影響，使模擬結(jié)果更符合現(xiàn)場實(shí)際，同時(shí)對(duì)不同壓力下流體刺漏后的流速、打擊壓力進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后給出防控措施建議，為企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和措施的制定提供了參考。

1 高壓管匯失效事件統(tǒng)計(jì)分析

頁巖氣大規(guī)模壓裂施工作業(yè)時(shí)，壓裂液先后通過液罐、混砂車、壓裂泵、高壓管匯、井口裝備、壓裂管柱、射孔炮眼最終到達(dá)壓裂地層，具體流程如圖1所示。大排量、高壓力、長時(shí)間施工當(dāng)下已成為頁巖氣壓裂施工常態(tài)化作業(yè)方式。

圖1 頁巖氣壓裂地面流程

調(diào)研得知，某頁巖氣壓裂施工作業(yè)公司2015-2018年共發(fā)生32起可記錄高壓管匯失效事件事件，如圖2所示。

圖2 某公司高壓管匯失效事件統(tǒng)計(jì)

按失效模式和失效部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖3。

圖3 失效模式和部位統(tǒng)計(jì)分析

按失效方式，管匯失效分為刺漏、斷裂、爆裂3種，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，斷裂事件發(fā)生概率最高，刺漏事件次之，但相較而言，刺漏危害距離更遠(yuǎn)，破壞性更強(qiáng)，對(duì)人員、設(shè)備造成嚴(yán)重傷害。按失效的部件分為：高壓三通18起，高壓彎頭損壞7起，高壓直管3起，雙公短節(jié)損壞1起，旋塞閥損壞3起，其中高壓三通和彎頭是易損壞高危部位。

2 高壓管匯刺漏失效后果數(shù)值模擬

風(fēng)險(xiǎn)是頻率與后果的乘積，通過上述分析可知，刺漏發(fā)生概率較高，因此選取刺漏作為典型事故進(jìn)行事故后果分析、模擬。根據(jù)高壓管匯刺漏特點(diǎn)，建立了考慮固液耦合和空氣摩阻的兩相流射流數(shù)值模擬模型，并利用Fluent軟件進(jìn)行了仿真模擬分析。

2.1 固液兩相流場模型構(gòu)建

2.1.1

模型假設(shè)

a) 壓裂液中，支撐劑約占比25%～40%，液相約占比60%～75%，因此將液、固兩相均假設(shè)為連續(xù)相。

b) 液固兩相均為不可壓縮流體。

c) 支撐劑顆粒為具有相同粒徑的剛性小球。

d) 液固兩相溫度恒定不變。

2.1.2

控制方程

液相連續(xù)性方程：

(1)

液相動(dòng)量方程：

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：

r

——液相體積分?jǐn)?shù)；

U

——液相速度，m/s;

ρ

——液相密度，kg/m；

p

——管匯內(nèi)壓力，Pa；

τ

——液相應(yīng)力-應(yīng)變張量；

g

——重力加速度，m/s；

R

——顆粒相對(duì)液相的作用力；

μ

——液相剪切黏度，

Pa

·

s

；

I

——單位張量；

r

——顆粒相體積分?jǐn)?shù)；

f

——阻力函數(shù)；

U

——顆粒相速度，m/s；

d

——顆粒直徑，m。

其中：

(5)

式中：

v

，——固相速度，m/s；

C

——摩阻系數(shù)；

Re

——雷諾數(shù)。

(6)

相對(duì)雷諾數(shù)為：

(7)

固相最終關(guān)聯(lián)速度為：

(8)

固相連續(xù)性方程為：

(9)

固相動(dòng)量方程為：

(10)

其中：

R

=-

R

(11)

r

=1-

r

(12)

式中:

p

——固相壓力，Pa；

τ

——固相應(yīng)力-應(yīng)變張量；

R

——液相對(duì)固相的作用力。固液兩相之間的作用力

R

、

R

、固相壓力以及應(yīng)力-應(yīng)變張量的處理可參考文獻(xiàn)。

由于高壓管匯刺漏流體流態(tài)均為湍流，因此利用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。

湍動(dòng)能

k

方程為：

(13)

耗散率

ε

方程為：

(14)

其中：

ρ

=

r

ρ

+

r

ρ

(15)

(16)

(17)

式中:

k

——湍動(dòng)能，J；

ε

——湍流耗散率，%。

2.1.3

邊界條件

a) 刺漏口進(jìn)口邊界，假定進(jìn)口處液固兩相均速度相等，即

u

=

u

=

u

(18)

v

=

v

=0

(19)

k

=0.1

u

(20)

(21)

b) 滿足軸對(duì)稱條件，即：

(22)

c) 出口邊界條件，即

(23)

式中:

u

——刺漏口入口的時(shí)均流速，

m

/

s

；

v

，

v

——分別為液體和顆粒軸向的徑向速度，m/s；

r

——刺漏口特征尺寸，mm。

2.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

對(duì)建立的高壓管匯刺漏兩相數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散求解，基于Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立網(wǎng)格模型。基于初始網(wǎng)格模型，代入頁巖氣壓裂現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)：設(shè)置管匯內(nèi)即入口處壓力85 MPa，刺漏處直徑為1 mm，支撐顆粒密度為1 300 kg/m，壓力出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，支撐劑顆粒密度選取0.3 mm進(jìn)行模擬，得刺漏處壓力云圖及速度云圖，如圖4所示。

圖4 刺漏流場壓力及速度云圖

從圖4中可以看出，壓裂液自刺漏孔處射出后，壓力迅速轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能，射流速度快速增加，流體壓力迅速降低，當(dāng)壓裂液失去壓強(qiáng)勢能后，流體不再加速，同時(shí)由于空氣摩阻、液體擴(kuò)散等作用，噴射速度開始快速下降。

從現(xiàn)場事故經(jīng)驗(yàn)以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知，高壓管匯中的刺漏流體沖擊力很強(qiáng)，極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)調(diào)研得知，頁巖氣壓裂常用壓力范圍在70～100 MPa之間，因此取100 MPa到70 MPa不同壓力下的刺漏流體流速與噴射距離的關(guān)系進(jìn)行了模擬，見圖5。

由圖5可以看出，由于流速越大摩阻越大，因此流體流速隨位置呈先快速下降后緩慢下降的趨勢。當(dāng)100 MPa壓裂管匯內(nèi)的流體刺漏時(shí)，流體最高速度可達(dá)460 m/s，影響范圍達(dá)100 m，離刺漏點(diǎn)1 m處流速仍可達(dá)260 m/s，破壞力巨大。為了直觀反應(yīng)刺漏流體的危害，根據(jù)能量守恒原理，利用伯努利方程進(jìn)一步計(jì)算了刺漏流體的打擊壓力。

圖5 不同壓力下刺漏流體射流軸向速度曲線

伯努利方程為：

(24)

式中:

z

，

z

——單位重量流體所具有的勢能；

h

——單位重量流體粘性流體的機(jī)械能損失。

沿射流軸向方向，打擊前后位置勢能相同，當(dāng)流體沖擊到靶體時(shí)，兩相射流的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)勢能，機(jī)械能損失忽略不計(jì)，則計(jì)算可得位置與液體打擊壓力的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 不同壓力下刺漏流體射流打擊壓力與位置關(guān)系曲線

由圖6可知，流速為260 m/s，此時(shí)的打擊壓力為3 500 MPa，遠(yuǎn)超鋼材的抗剪切強(qiáng)度(多在100～200 MPa之間)，可輕易擊穿防護(hù)鋼板，殺傷力巨大。因此當(dāng)壓裂現(xiàn)場應(yīng)用鋼板進(jìn)行隔離防護(hù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工況壓力結(jié)合定量計(jì)算結(jié)果，選擇鋼板類型，并擺放在合適的位置。

3 高壓管匯刺漏影響因素分析及防控措施

頁巖氣大規(guī)模壓裂施工作業(yè)在高壓力、大排量、長時(shí)間等工況條件下，高壓管匯刺漏失效頻率高，后果嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)尤為突出，為有效防范事故發(fā)生和減輕事故后果，制定并執(zhí)行高壓管匯刺漏防控措施成為必然。

3.1 關(guān)鍵影響因素分析

綜合運(yùn)用事故樹理論、故障假設(shè)理論、因果分析等方法，對(duì)高壓管匯刺漏進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要存在以下原因。

a) 物的因素：一是高壓三通和彎頭是管線刺漏的高風(fēng)險(xiǎn)部位，多因密封件失效和流體不斷沖刷以及多應(yīng)力的復(fù)合疊加，導(dǎo)致出現(xiàn)敏感薄弱點(diǎn)，引起突然失效。二是材質(zhì)原因，同類進(jìn)口產(chǎn)品的性能優(yōu)于國產(chǎn)產(chǎn)品且未發(fā)生爆裂事件，國產(chǎn)化產(chǎn)品的性能尚需提升。

b) 工藝因素：一是由于工藝流程布局或高壓管匯連接方式的局限性，造成壓裂過程中，壓裂管線減震、吸收效果不好，高壓壓裂液在彎頭等流體變向區(qū)，沖刷不均衡，易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，造成刺漏；二是壓裂酸化施工作業(yè)對(duì)管匯的腐蝕作用，形成腐蝕薄弱點(diǎn)；三是由于地層壓開后的壓裂速降或沙堵，導(dǎo)致工況復(fù)雜多變；四是壓裂作業(yè)時(shí)壓裂管匯高頻次、長時(shí)間承受高泵壓、大排量作業(yè)，導(dǎo)致管材超過疲勞極限，使用壽命縮短。

c) 人的因素：崗位員工對(duì)頁巖氣壓裂施工高壓管匯失效風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不清，高壓管匯使用、聯(lián)接固定和安全防護(hù)等措施執(zhí)行不力。

d) 管理因素：一是高壓管匯管理制度缺陷，缺少對(duì)監(jiān)測周期要求以及安全指標(biāo)，不能及時(shí)了解高壓管匯現(xiàn)狀；二是高壓管匯露天存放，容易腐蝕生銹；三是地面設(shè)備按標(biāo)準(zhǔn)擺放執(zhí)行不力，管匯布置局促，存在交叉錯(cuò)位等問題。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)防控措施

3.2.1

本質(zhì)安全措施

a) 從源頭入手管控風(fēng)險(xiǎn)，從管材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、晶粒度、延伸率、沖擊功、硬度等不同維度建立壓裂管材采購安全技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選高品質(zhì)管材。

b) 建立高壓管匯分級(jí)使用制度，明確記錄不同管材的使用壽命和已用時(shí)間，針對(duì)三通、彎頭和易刺漏管線等關(guān)鍵部位，優(yōu)選進(jìn)口質(zhì)優(yōu)且使用時(shí)間短的產(chǎn)品。

c) 建立第三方安全質(zhì)量檢測制度，對(duì)彎頭等易損壞部位管材進(jìn)行加密監(jiān)測，防止不合格產(chǎn)品的應(yīng)用。

3.2.2

工藝改進(jìn)措施

a) 因高壓流體流動(dòng)造成的管匯震動(dòng)是不可避免的現(xiàn)象，通過優(yōu)化高壓管匯聯(lián)接工藝設(shè)計(jì)，采用全柔性連接，可實(shí)現(xiàn)均衡流體流動(dòng)，消減應(yīng)力集中點(diǎn)，降低高壓管匯振動(dòng)幅度，增強(qiáng)吸收功能，減少不安全載荷。

b) 設(shè)計(jì)優(yōu)化定制帶鎖扣高壓管匯塑膠墊木，防止因墊木變形和位置改變等引起的高壓管匯大幅度不規(guī)則振動(dòng)。

3.2.3

管理措施

a) 在井場高壓施工作業(yè)區(qū)四周設(shè)立全屏蔽抗撞擊無間隙遮擋的隔離防護(hù)擋墻，既可阻止高壓施工作業(yè)區(qū)域人員的進(jìn)入，又可阻擋管匯刺漏產(chǎn)生的高壓流體、飛離物對(duì)周邊人員的傷害。

b) 壓裂井場布置時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格劃分井口區(qū)、高壓區(qū)、低壓區(qū)、輔助區(qū)，并設(shè)置好分離警戒線，嚴(yán)禁非必要工作人員出入，并設(shè)置高清視頻監(jiān)控?cái)z像頭，監(jiān)控人員出入情況。

c) 員工是壓裂施工作業(yè)的主體，應(yīng)嚴(yán)格壓裂作業(yè)人員的選用和培訓(xùn)，規(guī)范操作流程，使其能夠按規(guī)定上崗作業(yè)，減少人為失誤，降低因不安全行為引起的事故。

3.2.4

信息化管控提升

引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立高壓管匯電子信息庫，對(duì)每一件管匯建立電子標(biāo)簽，通過施工現(xiàn)場手持終端掃描和儀表車施工數(shù)據(jù)的采集錄入，實(shí)時(shí)監(jiān)控高壓管匯狀況，防止未經(jīng)監(jiān)測的高壓管匯使用，并設(shè)置安全使用實(shí)踐提前預(yù)警功能，在壓裂管材刺漏前提前預(yù)警，通過加強(qiáng)管控或更換管材，有效防止高壓管匯刺漏事件的發(fā)生。

4 結(jié)論

頁巖氣壓裂施工高壓管匯刺漏失效影響范圍廣、破壞力大，該研究定量評(píng)估了其影響范圍及破壞力，分析了造成刺漏的關(guān)鍵影響因素，并給出了防控措施建議，可為企業(yè)高壓管匯刺漏風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和防控措施的制定提供參考。具體結(jié)論如下。

a) 高壓三通和彎頭等應(yīng)力集中區(qū)是高壓管匯刺漏失效的高危部位。

b) 高壓力、大排量、長時(shí)間施工已成為頁巖氣壓裂施工作業(yè)常態(tài)化的作業(yè)方式，長時(shí)間使用以及復(fù)雜多變的工況易導(dǎo)致管材超過疲勞極限，缺乏維護(hù)保養(yǎng)易造成腐蝕減薄刺漏。

c) 工作壓力為100 MPa時(shí)，刺漏流體最高速度可達(dá)460 m/s，影響范圍達(dá)100 m，離刺漏點(diǎn)1 m處流速為260 m/s，打擊壓力可達(dá)3 500 MPa，遠(yuǎn)超鋼材抗剪切強(qiáng)度，因此頁巖氣壓裂施工作業(yè)中高壓區(qū)必須嚴(yán)禁進(jìn)人，且應(yīng)在合適的布置全屏蔽抗撞擊無間隙的隔離防護(hù)墻。