頁巖氣加砂壓裂高壓管匯失效爆裂風險控制措施研究與實踐

李 兵 黎宗琪 張 杰 張昌紅

（中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，四川 成都 610052）

0 引言

超大型規模水力壓裂增產施工作業是非常規頁巖氣勘探開發最有效工藝技術手段之一。自啟動頁巖氣平臺井工廠化壓裂施工以來，經統計，2014～2017年我公司共發生32起高壓管匯失效損壞，僅2015年共計發生高壓管匯失效損壞20起，是自2006年有統計數據以來10年間高壓管匯失效損壞事件的總和。在頁巖氣平臺井工廠化加砂壓裂施工作業成為公司最主要的支柱工作業務后，大排量、高壓力、長時間施工已成為常態化作業方式，高壓管匯失效爆裂連續多年列為第一大風險源，通過積極主動管控風險和治理隱患，運用風險管理方法與預防預警手段，強化風險評估和專業化分級管理，采取積極預防與被動防護相結合，結合施工作業現場的實際，建立實施生命周期全過程、專業化的高壓管匯爆裂防控與應急防護體系，實現風險可防受控。

1 高壓管匯失效爆裂事件統計數據

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

圖1 2014～2017年高壓管匯失效事件統計柱狀圖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分：發生刺漏11起、占比34%，發生斷裂19起、占比60%，發生爆裂2起、占比6%，其中，發生高壓管匯斷裂比例最高，爆裂占比最低，但破壞性強，屬高危不可控風險[1]，統計發現進口品牌產品性能相比較優于同時期的國產化產品且未發生爆裂事件；按損壞結構件統計分析：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%，屬易發高危部件。

2 風險事件關鍵因素分析

綜合運用故障假設、因果分析等[2]方法，剖析高壓管匯失效爆裂風險的產生原因如下：

人的因素：崗位員工對新工況條件下高壓管匯失效激增的風險認識不充分，管理與操作人員安全意識和責任心不強，技術素質能力不足[3]，高壓管匯采購與使用、流程優化、聯接和安全防護等措施執行不力。

物的因素：一是高壓管匯刺漏主要發生在連接由壬部位，多因密封件失效引起。斷裂也主要發生在由壬位置，多因應力集中產生的疲勞失效引起。爆裂主要發生在結構和生產工藝較復雜的高壓彎頭上，主要因為液力轉向與多應力集中疊加產生的薄弱點位突然失效現象[1]。二是高壓管匯刺漏、斷裂、爆裂的發生都與產品制造材質有關[4]，受頁巖氣勘探開發影響，高壓管匯國產化進程較快，同時期的國產高壓管匯性能和質量次于進口品牌。通過對國內外在用管材的物理性能和化學成分，包含屈服強度、抗拉強度、延伸率、沖擊功、硬度、微觀金相組織、夾雜物、晶粒度等的對比分析，高壓管件除鋼級、結構設計提升外，適量增加Cu元素能提高合金的強度和韌性，Mo元素可細化晶粒，提高鋼材力學性能，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，成為改進產品材質性能、提升本質安全的重要依據。

技術工藝的因素：一是工藝流程布局方案或高壓管匯連接方式有局限性[5]，造成施工作業時高壓管匯減震、吸能效果不好，流體對高壓管匯沖刷不均衡，易形成局部應力集中點，引起裂紋和刺漏；二是壓裂酸化施工泵送酸性介質，對高壓管匯有腐蝕；三是頁巖氣壓裂增產施工作業工況變化是發生高壓管匯失效爆裂事故中的一個關鍵因素，泵注液體工作量迅猛遞增，高壓管匯短周期內高頻次、長時間承受高泵壓、大排量作業，承載工作時間長、沒有恢復期，超過疲勞極限，造成使用壽命縮短。2016年壓裂酸化累計注入地層總液量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。研究發現，頁巖氣壓裂工況極端條件下，管件在施工作業56～278h具備發生較高頻次疲勞損壞的條件。從造成管匯疲勞失效事件統計分析印證：其中，14起事件的使用時間在200～300h之間，7起事件的使用時間超過300h，使用超過200h發生事件的占到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（如檢測周期、采購產品安全質量技術指標等），未能及時跟進與適應現場高壓管匯使用新工況條件，風險識別評估還不到位，執行高壓管匯管理制度不嚴格，出現管理死角，防護措施還有完善的空間。二是高壓管匯入廠檢測缺失和周期檢測不到位。三是受頁巖氣低成本開發影響，高壓管匯招標采購時，偏重價格，忽視了既要考慮頁巖氣開發低成本發展戰略，更要滿足施工安全與質量要求，做到兩相兼顧。

環境的因素：一是頁巖氣壓裂酸化中頻繁發生高壓管匯失效事件，給施工設備、人員及工程質量帶來嚴重的威脅，給現場環境造成嚴重污染等次生隱患。二是受施工場地環境局限，造成地面低壓、高壓管匯流程布置局促、硬連接或交叉錯位等困難，施工易出現上水不良、管線抖動或超高壓波動，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險預防控制措施

利用分析誘因成果，有針對性的采取預防控制措施進行風險管控，最大可能削減和控制高壓管匯失效爆裂風險的發生。

3.1 提升采購產品質量

從源頭入手管控風險，提升高壓管匯招標采購安全技術性能標準，在遵從現有標準的前提下，強化材料的驗收標準實行從A/B級提高到K級的升級管理模式。同時，與國內主要生產廠家結成戰略合作伙伴關系，推進產品用戶、科研院校、生產廠家合作開展高壓管匯國產化質量提升技術攻關，從設計、選材、生產過程控制等對國產高壓管匯進行全面升級改進，改進后，從2014～2017年高壓管匯失效統計數據（如圖1）顯示，高壓管匯失效事件快速下降，并且，未再發生高壓管件爆裂事故。

3.2 修訂完善高壓管匯使用技術規范和管理制度

引入產品入庫前第三方安全質量檢測和縮短安全檢測周期加密監測等技術措施，杜絕高壓管匯不合格產品入庫和帶病生產使用，明確高壓管匯分級使用規范，規范井口至高壓分配器的高壓施工主管線和旋塞、彎頭等，優先選用進口質優的且在安全工作時間段的產品，設置高壓管匯安全使用壓力閾限值，落實并實踐驗證：超過15000PSI高壓管匯安全使用壓力閾限值，使用20000PSI高壓管匯的制度規定對降低高壓管匯失效爆裂風險十分有效。

3.3 實施專業化管理

組建成立裝備技術服務公司，實施高壓管匯入庫檢測、集中管理、科學配送、專業維保、周期檢測、疲勞恢復、判廢等專業化管理，提供現場高壓管匯使用的專業技術指導與高壓件工作臺時跟蹤記錄服務，為建立實施高壓管匯生命周期全過程有效管理提供了組織保障。

3.4 應用大數據管理高壓管匯

引入網絡物聯技術，建立高壓管匯RFID電子身份識別系統，完善RFID軟件數字庫，對每一件高壓管匯定點植入電子身份識別記錄芯片實行身份管理，通過施工現場手持終端掃描和儀表車施工數據的采集錄入，確保了高壓管匯使用數據真實可靠，在第一時間通過網絡將數據傳遞到RFID軟件管理系統后臺，實時更新數據庫，有效防止沒有身份驗證或未檢測的高壓管匯流入到施工井使用，設置安全工作時間提前報警功能，起到實時監控高壓管匯預警提示，從過程關鍵節點的強制管控有效遏制了高壓管匯失效風險隱患的發生。RFID電子身份識別系統于2016年9月26日正式上線運行，如圖2，高壓管匯使用管理實現了現場工況實時采集、跟蹤預警管理。

3.5 優化現場地面高壓管匯流程分配布局設計與聯接工藝

高壓施工作業中由于高壓流體的流動，震源是客觀存在不可能消除的，頁巖氣壓裂施工中不斷優化地面高壓管匯聯接工藝設計，做到高壓管匯全柔性連接，起到削減應力集中點及均衡流體動能，降低高壓管匯震動幅度，增強吸能作用，達到減少或消除不安全載荷的目的。設計優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則震動；地面高壓管匯在主管線設置井口止回單流閥；探索實踐在泄壓流程增設機械爆破式安全閥，削減施工中因突發瞬時超壓造成高壓管匯失效甚至爆裂的風險。

4 高壓管匯失效后應急安全防護措施

高壓管匯失效是壓裂酸化施工作業存在的固有風險，頁巖氣工廠化加砂壓裂施工作業在高壓力、大排量、長時間、施工新的工況條件下，高壓管匯失效爆裂風險尤為突出，為減輕風險后果危害損失和有效防范次生事故危害，制定并執行落實高壓管匯失效應急防護措施成為必然。

4.1 執行未經許可高壓區嚴禁進人的禁令規定

在作業井口和高壓管匯區域多點設置高清視頻監控攝像頭，配套專職專崗視頻監控室及指揮中心視頻監控分屏并留有進入網絡遠傳功能接口；現已成功推廣應用遠程液壓控制泄壓旋塞閥（改變人員進入高壓區人工操作的不安全條件）。

4.2 設定井口高壓紅區

在井場高壓施工作業區四周設立全屏蔽抗撞擊無間隙遮擋的隔離防護擋墻，起到既隔離禁止高壓施工區域人員進入，又遮擋屏蔽因高壓管匯爆裂產生的飛離物飛出高壓區，保護區域外周邊人員免受傷害。

4.3 應用高壓管匯限位約束措施

規范對高壓管線由壬、轉向活動節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設備的損害及人員傷害后果。

4.4 防次生環境污染措施

在井場高壓施工作業區內鋪設防滲漏膜層，四周設置封閉圍堰，配套抽汲泵等，及時抽排回收工作區積液和異常溢漏出的工作液，實現清潔生產。

5 結論

（1）頁巖氣工廠化加砂壓裂施工作業高壓力、大排量、長時間施工已成為常態化作業方式，新的工況條件下，泵注液體工作量迅猛遞增，高壓管匯短周期內高頻次長時間承受高泵壓、大排量作業，承載工作時間長、沒有恢復期，超過疲勞極限，造成使用壽命縮短是發生高壓管匯失效事件關鍵的一個因素。其中，高壓管匯爆裂占比最低，屬于高危不可控風險。

（2）生產實踐中針對性地采取提升采購技術標準和國內產品質量、完善安全檢測與使用技術規范、引入專業化管理與技術創新、優化流程及連接工藝技術等有效預防控制措施，最大可能地削減和控制高壓管匯失效爆裂風險的發生。

（3）加砂壓裂和酸化施工中高壓管匯失效是該工程作業存在的固有風險，因此，應不折不扣地落實執行各項高壓管匯失效應急防護措施，以減少風險危害后果和有效防范次生事故危害。