含硫氣井定量風(fēng)險分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討

摘 要

摘要：隨著近年來我國眾多含硫化氫氣田相繼投入開發(fā)，含硫氣井安全規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，特別是定量風(fēng)險分析標(biāo)準(zhǔn)的制訂交得十分必要和迫切。為此，分別對含硫-1井定量風(fēng)險分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂原
摘要：隨著近年來我國眾多含硫化氫氣田相繼投入開發(fā)，含硫氣井安全規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，特別是定量風(fēng)險分析標(biāo)準(zhǔn)的制訂交得十分必要和迫切。為此，分別對含硫-1井定量風(fēng)險分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂原則、適用范圍、框架結(jié)構(gòu)進行了分析，提出了適合我國國情的井噴事故概率的數(shù)值統(tǒng)計分析方法及參考值，事故后果分析方法及要求，定量風(fēng)險計算方法及可接受風(fēng)險水平等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及主要技術(shù)內(nèi)容。研究成果可用于指導(dǎo)我國含硫氣井定量風(fēng)險分析標(biāo)準(zhǔn)的制訂，將使我國對含硫氣田開發(fā)實施定量風(fēng)險評價和管理成為可能。
關(guān)鍵詞：含硫氣井；井噴；定量風(fēng)險分析；個人風(fēng)險；社會風(fēng)險；可接受風(fēng)險水平；標(biāo)準(zhǔn)
    隨著我國石油天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，含硫油氣田開發(fā)的安全問題越發(fā)突出[1]。
    定量風(fēng)險分析方法(QRA)采用定量化的風(fēng)險值(如個人風(fēng)險和社會風(fēng)險值)對系統(tǒng)的危險性進行描述，對可接受風(fēng)險水平進行對比以判斷系統(tǒng)的風(fēng)險程度，并提出相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。目前在美、英、日和歐盟等工業(yè)發(fā)達國家，幾乎對所有重大工程項目和建設(shè)規(guī)劃都需要事先做定量風(fēng)險評價和安全建議。對含硫油氣田勘探開發(fā)來說，其風(fēng)險因素眾多，對其風(fēng)險進行定量分析比較困難，國內(nèi)外此方面研究并不多見。盡管國家發(fā)展和改革委員會于2005年頒布了《含硫化氫油氣井安全鉆井推薦做法》等5項含硫氣田勘探開發(fā)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但尚未建立含硫氣井的定量風(fēng)險分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]。含硫氣田勘探開發(fā)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂刻不容緩。
1 標(biāo)準(zhǔn)制訂原則
    1) 維護公眾生命安全，促進企業(yè)安全管理，保障能源支柱產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，充分結(jié)合我國國情。
    2) 以國家有關(guān)政策、法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，與安全生產(chǎn)、石油行業(yè)有關(guān)規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)相一致。
    3) 滿足現(xiàn)實生產(chǎn)的要求，適應(yīng)新的發(fā)展形勢，具有權(quán)威、科學(xué)、實用、全面的特點。
    4) 標(biāo)準(zhǔn)的制訂必須吸收安全監(jiān)管部門、行業(yè)管理部門、油氣田開發(fā)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)及基層、科研院校、地方政府的意見和建議，充分體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的代表性和廣泛基礎(chǔ)，具有實際指導(dǎo)意義和可操作性。
2 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍及框架
    含硫氣井定量風(fēng)險分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)包括陸上含硫化氫天然氣井井噴毒物擴散事故的定量風(fēng)險分析程序、方法、內(nèi)容及可接受風(fēng)險水平，可適用于陸上含硫化氫天然氣井的安全評價和規(guī)劃。
    標(biāo)準(zhǔn)的主要結(jié)構(gòu)可設(shè)置如下：①范圍；②術(shù)語和定義；③定量風(fēng)險分析程序及方法；④可接受風(fēng)險水平。上述內(nèi)容的設(shè)置能夠?qū)蚧瘹涮烊粴饩匡L(fēng)險分析技術(shù)方法進行規(guī)定，從而有利于對含硫化氫天然氣井實施定量風(fēng)險評價，同時也可為應(yīng)急計劃區(qū)的劃分奠定基礎(chǔ)。
3 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容
3.1 術(shù)語和定義
    含硫化氫天然氣井定義為天然氣中硫化氫含量大于75mg/m3，且硫化氫釋放速率不小于0.01m3/s的天然氣井[3]。風(fēng)險可定義為某一特定危險情況發(fā)生的可能性和后果的組合[4]。
    個人風(fēng)險(individual risk)是指在某一特定位置長期生活的未采取任何防護措施的人員遭受特定危害的頻率。個人風(fēng)險是空間位置坐標(biāo)的函數(shù)，在區(qū)域地圖上將個人風(fēng)險值相等的點連接起來，就構(gòu)成了不同水平個人風(fēng)險值的等值線。個人風(fēng)險值給出了給定條件下位置的風(fēng)險信息，而不考慮此處是否存在人員。因此，個人風(fēng)險可定義為危險源造成在周邊區(qū)域內(nèi)某一固定位置的人員的個體死亡概率，也即單位時間內(nèi)(通常為年)的死亡率，通常用區(qū)域地理圖上的風(fēng)險等值線表示。
    社會風(fēng)險(social risk)用于描述事故發(fā)生概率與事故造成的人員受傷或死亡人數(shù)的相互關(guān)系，是指同時影響許多人的災(zāi)難性事故的風(fēng)險。社會風(fēng)險是以死亡人數(shù)對應(yīng)各種事件后果發(fā)生頻率累加值作圖的分布圖形。某種意義上講，社會風(fēng)險與位置無關(guān)，而是與周圍人口密度相結(jié)合的危險活動的風(fēng)險量度。因此，社會風(fēng)險可定義為能夠引起大于等于N人死亡的事故累計頻率(F)，也即單位時間內(nèi)(通常為年)的死亡人數(shù)，通常用F—N曲線表示。
    可接受風(fēng)險水平(acceptable level of risk)是進行安全決策的重要依據(jù)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展水平、人文環(huán)境等諸多因素制訂，且應(yīng)得到政府部門和社會的公認(rèn)。因此，可接受風(fēng)險水平可定義為符合安全生產(chǎn)發(fā)展水平、能被社會公眾接受的風(fēng)險。
3.2 定量風(fēng)險分析程序及方法
3.2.1資料及數(shù)據(jù)收集
    主要工作是收集事故概率分析及事故后果分析所需氣井資料、周邊環(huán)境資料及事故資料，由于我國含硫氣田多位于山區(qū)，其地形條件對事故后果影響較大，因此地形資料尤其重要。本部分工作應(yīng)包括但不僅限于下述內(nèi)容：
    1) 氣井資料：主要包括氣井名稱、坐標(biāo)、絕對無阻流量、硫化氫含量等數(shù)據(jù)資料。
    2) 周邊環(huán)境資料：主要包括地形資料、氣象資料及人口分布資料。其中地形資料應(yīng)收集氣井井口周邊區(qū)域的地形圖，并標(biāo)注地表狀況、氣井位置、村鎮(zhèn)和城市分布、主要廠礦及大型建筑物、構(gòu)筑物分布等；氣象資料在條件允許時盡量采用當(dāng)?shù)鼐畧龅膶嶋H氣象數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)不能獲取或獲取不充分時，可選用地理條件基本一致且距氣井最近的氣候要素資料，應(yīng)包括氣溫、濕度、平均風(fēng)速、主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)頻、總云量、低云量等項內(nèi)容；人口分布資料主要收集氣井周邊村鎮(zhèn)、城市、公共設(shè)施及常住居民等人口密集區(qū)域情況。
    3) 事故資料：主要包括國內(nèi)外同行業(yè)事故統(tǒng)計分析資料、典型事故案例等。
3.2.2井噴事故概率分析
    對于井噴事故概率方面的研究，人們通常主要采用兩種方式：數(shù)值統(tǒng)計和故障樹分析。由于故障樹分析還需要井口不同設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此推薦采用數(shù)值統(tǒng)計方法來分析井噴事故概率，統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源應(yīng)為國內(nèi)最近5a以上的國內(nèi)鉆井?dāng)?shù)及井噴事故統(tǒng)計資料。
    國內(nèi)報道和研究井噴的總體數(shù)據(jù)較少，收集到的國內(nèi)井噴文獻資料往往也只是基于某個單井的數(shù)據(jù)，總體數(shù)據(jù)不清楚。國外20世紀(jì)后期井噴統(tǒng)計數(shù)據(jù)較多，而近年公開發(fā)表的數(shù)據(jù)較少，Rezaei等人[5]提出針對所研究的酸氣井，垂直敞噴發(fā)生的概率是4.9×10-4，加拿大阿爾伯達省能源資源保護委員會(ERCB)鉆井事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)[6]見表1。綜合以上研究成果，在國內(nèi)數(shù)據(jù)暫缺的情況下，建議的井噴事故概率參考值為4.5×10-4次/a。
表1 加拿大ERCB鉆井事故概率統(tǒng)計表
溢流概率
井涌概率
井噴概率
3.48×10-2
1.07×10-3
4.53×10-4
3.2.3井噴事故后果分析
    分析主要考慮硫化氫擴散對公眾造成的大范圍毒性危害，不考慮火災(zāi)、爆炸等影響范圍較小的事故后果。
3.2.3.1 計算模型選取
    應(yīng)采用符合以下要求的軟件計算井噴事故毒物擴散后果[7]：可公開獲取；已在相關(guān)行業(yè)推廣應(yīng)用；可以獲取其理論描述和模型驗證的相關(guān)文獻；適用于重氣擴散模擬；可考慮地形條件影響；可計算硫化氫擴散過程中濃度的時間及空間分布；符合井噴事故毒物擴散后果分析的其他需求。
3.2.3.2 計算參數(shù)確定
    釋放源應(yīng)包括垂直噴射和水平噴射兩種形式；釋放流量應(yīng)取為該氣井的硫化氫釋放速率；釋放時間應(yīng)取為15min[8]。
3.2.3.3 計算結(jié)果及分析
    計算結(jié)果應(yīng)包括不同風(fēng)向及風(fēng)速條件下距地面1m高處大氣中硫化氫的150mg/m3、450mg/m3、900mg/m3、1500mg/m3瞬時濃度隨時間變化的擴散范圍，其中風(fēng)向應(yīng)包括東、南、西、北、東南、東北、西南、西北8個風(fēng)向，風(fēng)速應(yīng)包括各風(fēng)向下的3m/s、當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄L(fēng)速及0.5m/s這3種風(fēng)速。
    根據(jù)硫化氫濃度計算結(jié)果進行毒性負(fù)荷計算，毒性負(fù)荷按下式計算[9]：
    Pc(x，y)=0.28∫C(x，y)3.5dt    (1)
式中：Pc(x，y)為(x，y)位置處的毒性負(fù)荷；C(x，y)為(x，y)位置處的硫化氫濃度，mg/m3；t為時間，min。
3.2.4風(fēng)險計算及對比可接受風(fēng)險水平
    整合井噴事故概率及后果分析，計算含硫化氫天然氣井個人風(fēng)險值及社會風(fēng)險值，參考加拿大RWDI定量風(fēng)險分析技術(shù)方法，并結(jié)合我國含硫氣田實際情況，提出了個人風(fēng)險及社會風(fēng)險的計算公式。
    個人風(fēng)險按式(2)計算：
    RI(x，y)=PBPWPA(x，y)PL(x，y)    (2)
式中：RI(x，y)為(x，y)位置處的個人風(fēng)險值；PB為井噴事故概率；PW為大氣穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率，根據(jù)氣象資料確定；PA(x，y)為(x，y)位置處風(fēng)角度概率，根據(jù)氣象資料確定；PL(x，y)為(x，y)位置處受體致死概率，根據(jù)下式確定：
    PL(x，y)=-29.4+1.4㏑[Pc(x，y)] (3)
式中：Pc(x，y)為(x，y)位置的毒性負(fù)荷。
    社會風(fēng)險按下式計算：
    RS=∑PBPWPD(≥N)，N    (4)
式中：RS為社會風(fēng)險值；PB為井噴事故概率；PD(≥N)為導(dǎo)致大于等于N人死亡的風(fēng)向D出現(xiàn)的頻率，由個人風(fēng)險分析及人口分布資料計算確定；N為死亡人數(shù)，根據(jù)計算情況設(shè)定。
    根據(jù)定量風(fēng)險計算結(jié)果繪制個人風(fēng)險等值線及社會風(fēng)險F—N曲線，其中個人風(fēng)險等值線應(yīng)包括10-3/a、10-4/a、10-5/a、10-6/a、10-7/a；將個人及社會風(fēng)險計算結(jié)果與可接受風(fēng)險水平進行對比分析。
    個人風(fēng)險與可接受水平的對比應(yīng)參考最低合理可行原則(ALARP原則)[10]，如表2所示。
表2 個人風(fēng)險可接受水平表
最大可忍受風(fēng)險(每年)
可忽略的風(fēng)險(每年)
1×10-5
1×10-7
社會風(fēng)險可接受水平如圖1所示。
 
4 結(jié)論
    對含硫氣井定量風(fēng)險分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂原則、適用范圍、框架結(jié)構(gòu)進行了分析，提出了井噴事故概率的分析方法及參考值、事故后果分析方法及要求、定量風(fēng)險計算方法及可接受風(fēng)險水平等，可較好地用于指導(dǎo)我國含硫氣井定量風(fēng)險分析標(biāo)準(zhǔn)的制訂，使我國對含硫氣田開發(fā)實施定量風(fēng)險評價和管理成為可能。
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(本文作者：吳慶善1，2 錢新明1 郭再富3 1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院；2.中國石油天然氣集團公司；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院)