油氣田壓裂作業環節消防自保系統的設計

崔建林

（中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司采油氣工程技術服務中心）

0 引言

油氣水井壓裂施工是油氣田各類工程作業中規模最大的一種，需要十幾臺（套）甚至幾十臺（套）地面設備聯合進行多工種、多工序、高壓狀態下的作業。因現場設備燃油、放噴油氣、油基壓裂液等易燃可燃物較多，壓裂作業環節存在較大的火災爆炸潛在風險；又因壓裂施工地點基本遠離市區，且道路通行普遍較為困難，遇火警社會消防力量往往不能及時趕到，因此必須立足于現場自救。結合油氣田壓裂作業環節火災爆炸事故原因和施工作業特點，對如何進行初期火災消防自救，立足于現有條件，探索設計了一套消防自保系統。

1 油氣田壓裂作業簡介

油氣田壓裂作業是將具有一定黏度液體通過高壓泵組高速注入目的地層，形成具有一定長度、寬度和高度的人工裂縫，并在裂縫中充填支撐劑，以改善地層滲流能力、提高單井油氣產量和油氣藏的最終采收率。

壓裂設備主要包括壓裂機組（壓裂車、水泥車）、壓裂供液車（供液罐車、清水罐車、供油罐車）、拉砂車（砂罐車）、混配車、供酸橇車、平衡車、儀表車和管匯車等。壓裂施工為多工種聯合作業，一般要經過壓裂車循環、試壓、小型測試、曲線分析、壓裂、加入支撐劑、泵入頂替液等七道工序。壓裂作業井場現場如圖1所示。

圖1 壓裂作業井場

2 壓裂作業火災爆炸形式

壓裂作業具有易燃易爆烴類油氣介質多、設備工作區域高壓高能聚集、井場用火用電交叉且連續作業的特點，而且井下環境具有不確定性，因此作業現場存在多種火災爆炸因素，極易造成人員傷亡及巨大經濟損失。火災爆炸風險主要有以下幾項［1］：

一是施工用油品泄漏。若壓裂施工所需要的油品因罐裝操作不當，會發生泄漏散失，在遇到火源或熱源的情況下，易引起火災爆炸。

二是放噴過程中的烴類氣體閃爆。壓裂施工后要進行井口放噴，井下噴出的油氣混合烴類氣體若因操作不當和風向因素，會彌漫于井場，當達到可燃氣體爆炸濃度并遇點火源時，會引起閃爆。

三是壓裂車組自燃。受井場大小限制（基本要求達到50 m×50 m），壓裂車組停放間距普遍較小，十幾臺（套）甚至幾十臺（套）設備同時工作時，熱量散發不充分，易引起車輛自燃。同時，發電機組、照明燈具、電器檢測控制操作儀表等系統，如配置、操作、管理不當，會出現過負荷、過電流、短路等故障，極易引起壓裂車組自燃。

四是油基壓裂液泄漏。油基壓裂液主要通過在原油或成品油（如柴油、煤油）的基液中加入增稠劑、交聯劑交聯而成。因基液中柴油、煤油的火災危險性較高，一旦發生泄漏，遇到車輛排氣管火花和設備散發高溫，容易引起火災。

五是壓力容器、高壓管道爆裂。壓裂施工作業中當壓力容器、高壓管匯內的工作介質失去控制，容器、管道超壓崩裂形成高速碎片，可擊穿儲油罐或車載油箱，油品泄漏發生火災。

六是井噴失控。在重復壓裂井、大型酸化壓裂施工中，因壓力高、金屬反復遇酸腐蝕后強度降低，易出現井身結構破壞、管柱斷脫、管道爆裂、井下工具異常等作業工程事故，以及壓裂液配比不合理，放噴操作不當，均易引發井噴事故。

無論上述哪種情況，壓裂作業火災都是發生突然，強度猛烈，蔓延迅速。干粉滅火器在撲救這類初期火災時，受噴射時間、噴射距離和燃燒區溫度影響，往往會影響滅火效果。一般手提式滅火器噴射時間小于1 min，有效滅火時間僅10～20 s，而原油、天然氣、柴油熱值較高，在撲救過程中，燃燒區溫度一般高于易燃可燃物的自燃點，會造成滅火不徹底而再次復燃，若輔與泡沫、水類滅火劑聯用方式，可有效降低燃燒區溫度，提高滅火效率。

3 壓裂作業消防自保系統設計

為了改善干粉滅火器在壓裂作業環節火災撲救的局限性，結合壓裂車組中有水源和動力源的有利條件，通過預敷設消防管網，增設泡沫發生裝置和移動式泡沫槍、水槍，從而建立一套現場應對初期火災的消防自救系統。

3.1 設計參數的確定

不同尺寸的汽車，其火場熱流密度不同，造成火場平均熱源功率和火災載荷也不同。考慮到壓裂環節火災主要以壓裂車組火災為主，因此，以世界道路協會對大型貨車火災所對應的火災規模推薦性取值來確定火災規模，從而確定消防水及滅火劑供給強度。

大型貨車燃燒參數如下［2］：車輛平均占地面積32.5 m2，火場平均熱源功率75 MW，火場熱流密度23.1×105J/（s·m2），最高溫度 1 000～1 200 ℃，火災載荷923.1 kg/m2。

3.1.1 供水強度的確定

面積小于200 m2的火災現場，其供水強度可根據單位面積與單位時間的供水量計算；面積超過200 m2的火災現場，可根據單位周長上單位時間的供水量來計算其供水強度。壓裂作業環節火災的起火面積一般在 100 m2以下，初起火災一般在 1～2臺車，因此其供水強度根據火災面積計算。

對供水強度的影響因素還有火場熱流密度，它是指在單位時間內，每平方米火場物質表面所析出的熱量。根據火場熱流密度和水吸熱能力之間的關系來計算火場供水強度，計算公式為：

式（1）中：q——火場供水強度，L/（s·m2）；Q火——火場熱流密度，J/（s·m2），取 23.1×105J/（s·m2）；Q水——水的吸熱能力，J/L，一般取25.9×105J/L；η——噴射器具的滅火效率，室外條件下，滅火效率一般為70%～80%。

經計算，得出大型貨車的理論火場供水強度為1.1～1.2 L/（s·m2）。

3.1.2 泡沫混合液供給強度的確定

壓裂施工現場主要存在車載罐裝柴油、潤滑油、油基壓裂液等可燃液體泄漏，以及井噴落地原油被點燃而發生的車輛火災。根據GB 50151—2010《泡沫滅火系統設計規范》規定，當甲、乙、丙類液體泄漏導致的室外流淌火災場所設置移動泡沫槍、泡沫炮系統時，應根據保護場所的具體情況確定最大流淌面積。當采用蛋白、氟蛋白泡沫時，其泡沫混合液供給強度不應小于6.5 L/（min·m2），連續供給時間應不小于15 min。

3.1.3 系統設計參數

（1）消防系統工作壓力0.35～0.70 MPa；

（2）泡沫混合液供給強度 6.5 L/（min·m2）；

（3）3%泡沫液供給時間不小于15 min；

（4）消防供水強度 1.1～1.2 L/（s·m2）；

（5）冷卻用水供給時間不小于15 min。

3.2 供劑車輛的選擇

根據系統設計參數，首先要選擇合適的供劑車輛。供酸橇車流量最大，但其工作介質為酸液，腐蝕性較強，如若使用必須進行清管，不符合初期應急快速反應的要求，故不采用；水泥車、壓裂車因工作壓力較高，遠超出水槍、泡沫槍進口壓力0.35～0.70 MPa的要求，故也不予采用。

混配車的供劑流量為113 L/s，工作壓力不大于2 MPa。按照火場供水強度 1.1～1.2 L/（s·m2）和普通蛋白泡沫供給強度 6.5 L/（min·m2）計算，由于壓裂施工時初期火災燃燒面積一般在100 m2以下，同時發生2～3輛壓裂車全面積燃燒的最不利情況，最大供水量僅需78～117 L/s，混配車的流量滿足要求，故采用混配車供劑。

3.3 消防自保系統的配置

根據上述估算，理論上利用清水罐車和混配車配套，儲存一定量的泡沫液，可以達到初期火災撲救的要求。為了便于應急情況下的快速反應，在壓裂車組外圍邊界布置消防供水管匯，在壓裂環狀管匯前端設置移動式消防自保系統，其平面布局見圖2所示。

圖2 消防自保系統壓裂現場平面布局

3.3.1 冷卻水槍配置數量的確定

一般壓裂施工現場備有清水罐車2～3臺，每臺車儲水量為13 000 L，可滿足單支直徑19 mm水槍進口壓力0.35 MPa、有效射程17 m、流量7.5 L/s的要求［3］，持續供水時間為28 min，滿足初期火災處置時間要求。

按照單支直徑19 mm水槍流量7.5 L/s，以及火場供水強度 1.1～1.2 L/（s·m2）進行估算，單支水槍可控制面積為6.25～6.82 m2。3輛壓裂車燃燒全面積為97.5 m2，理論上需水槍14～16支。考慮到初期火災特點，以及在車輛火災中冷卻水僅是作為降低燃燒區溫度、減少熱輻射對周邊車輛影響的作用，故以1輛壓裂車燃燒全面積32.5 m2為水槍配置依據，即4～5支水槍為宜。

3.3.2 空氣泡沫槍配置數量的確定

單支PQ8空氣泡沫槍的進口壓力為0.70 MPa、流量8 L/s。根據《消防滅火救援》的規定，當泡沫槍的進口壓力大于0.35 MPa時，普通蛋白泡沫發泡倍數可直接按6.25倍估算［4］。因此，單支PQ8空氣泡沫槍的泡沫產生量為50 L/s。

每支PQ8空氣泡沫槍（普通蛋白）能控制的燃燒面積為空氣泡沫槍的泡沫產生量除以泡沫滅火供給強度。根據《消防滅火救援》規定，移動設備滅地面油品的泡沫滅火供給強度取值1.2 L/（s·m2）。因此，可得每支空氣泡沫槍控制面積為 41.67 m2，以同時發生2～3輛壓裂車全面積燃燒為假設情況，需配置PQ8空氣泡沫槍2～3支。

3.3.3 普通蛋白泡沫液常備量估算

根據 GB 50151—2010《泡沫滅火系統設計規范》規定，室外流淌火災場所設置泡沫槍系統時，泡沫混合液供給強度不小于6.5 L/（min·m2），連續供給時間不小于15 min。壓裂施工初期火災最大流淌面積一般小于100 m2，考慮現場布置和運輸方便，采用混合比3%的普通蛋白泡沫液。經計算，泡沫液常備量為292.5 L。

3.3.4 消防自保系統設備組成

該系統包括 2臺清水罐車、1臺混配車、圍繞壓裂車組布置的直徑100 mm的供水管道、6條直徑65 mm的消防水帶、4支直徑19 mm消防水槍、2支PQ8型泡沫槍、1個兩分水器、2個三分水器和1臺泡沫儲液罐容積為400～500 L的PY系列半固定式泡沫發生器。泡沫發生器工作壓力為0.6～1.1 MPa，噴射距離為10 m，PY400、PY500兩種規格泡沫發生器3%泡沫液噴射時間分別為25 min、30 min。

3.4 消防自保系統流程及測試

3.4.1 工作流程

壓裂施工前，混配車使用清水以0.5 MPa泵壓試壓，試壓合格后，敷設供水管道于壓裂車組兩端，并設置2個三分水器，各出2支消防水槍和1支泡沫槍，水槍與泡沫槍支線可以視火情調整，但干線水帶需分別延伸至壓裂車、井口、土油池處。

當火情發生后，壓裂車停泵熄火，通知高壓流程組關井泄壓，確認壓力為 0，并將供液切換成清水，再確認泡沫發生器、兩分水器處于應急狀態。混配車用清水開泵，泵壓維持在 0.5～0.6 MPa，視初期火災燃燒對象性質（可燃液體、落地原油或車輛）及火災撲救階段（初期滅火、冷卻降溫）等情況，開啟泡沫發生器出泡沫滅火或出水冷卻，并根據著火點所處方位打開兩分水器左右端閥門。

3.4.2 測試實驗

對混配車不同壓力條件下的出水口來水時間、供水時間、水槍與泡沫槍射程等工況進行了測試實驗，具體數據見表1。通過單支水槍與泡沫槍測試數據對比，各壓力條件下，兩分水器來水時間均小于10 s；混配車出口壓力越高，水槍與泡沫槍流量越大、射程越遠，在不小于0.5 MPa時，射程與流量可以滿足最不利射點要求。因此，該系統完全滿足油氣田壓裂環節初期火災撲救。

表1 消防自保系統測試數據

3.5 消防自保系統分級

為了便于壓裂現場初期火災所需滅火劑儲備，根據壓裂施工一個車組內存在較高火災風險的是壓裂、混砂和儀表控制車輛，共計7～8臺的實際情況，將消防自保系統保護壓裂車組的數量分為三個級別：三級為保護1個壓裂車組，二級為2～3個壓裂車組，一級為3～5個車組。各級消防水和泡沫液儲備量估算數據見表2。表2中，消防用水儲備量按冷卻用水供給時間15 min計，泡沫液儲備量按3%泡沫液供給時間15 min計。

表2 消防自保系統各級消防滅火劑估算數據

以2臺清水罐車、1臺混配車和1套半固定式泡沫發生器組成的該系統，滅火能力可相當于1臺泡沫消防車。當所保護級別每升高一級，所需的消防水和泡沫液儲備量相應增加，為滿足供劑流量和強度需求，系統內應增設清水罐車、混配車和半固定式泡沫發生器各1～2組。

4 結論

該系統利用現有壓裂設備，且不影響壓裂現場布局，僅適當增配泡沫發生器、水槍、泡沫槍等消防設備，就可以滿足油氣田壓裂作業各區域的消防保護。由于事先完成了消防管路鋪設，在應急情況下，可以快速形成滅火陣地，有效防止初期火災蔓延擴大。

該系統已在重慶涪陵頁巖氣田山區缺水井場壓裂施工現場投入運用，達到了預期目的。該系統簡單、經濟、實用，可為油氣田壓裂作業在消防安全防護方面提供參考和借鑒。