| “9·15”利川天然气井喷事故处置对策 |
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| 作者：李金文, 陈先斌
2004-8-25 8:38:00 |
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摘 要: 对利川市天然气井喷事故基本情况、井喷物质理化性质及主要危害做了简要介绍, 着重从工艺流程及原理的角度分析了处置方案, 并对每一环节存在的危险性及采取的相应消防对策进行了分析。
关键词: 天然气; 井喷; 消防
2003 年9 月15 日20 时30 分左右, 恩施州利川市发生天然气井喷, 湖北省消防部队会同相关单位, 历时10 天的英勇奋战, 于9 月26 日9 时成功的控制了井喷事故。其处置方案和消防对策很具代表性, 现剖析如下, 以飨读者。
1 井喷事故基本情况
井喷现场位于湖北省利川市与重庆万州市交界处群山环抱的建南镇黄金村三组一村民家后山坡上猪舍中。该井(以下称盐1 井) 于1969 年开钻, 1970 年完井, 井深1 074. 78m , 主要用于采卤熬盐。1972 年采卤结束后, 属报废井。
2003 年9 月15 日8 时30 左右, 以天然气为主、伴有硫化氢气体和卤水的混合物, 在强压作用下从管井突然喷出。9 月15 日喷口数只有1 个, 日喷量约1万m3, 到9 月18 日喷口数已达4 个, 日喷气量已达4万m3左右, 日喷盐水70 m3～ 100 m3, 喷气高度达20m , 喷口压力约150 个大气压, 在百米外可听到井喷发出的啸叫声。据检测, 在喷出混合物中气、水比已由最初的20 000∶70 增大到40 000∶70, 并呈增加之势。随着时间的延长, 具有易燃易爆特性的天然气和剧毒特性的硫化氢气体大量积聚,其爆炸和毒害的危险性将越来越大。
2 井喷物质的理化性质及存在的危害性
天然气的主要成分是甲烷(CH4) , 为无色、无臭气体, 相对分子质量16, 相对空气密度为0. 55, 闪点-188 ℃, 爆炸极限为5. 3%～ 15% , 最小引燃能量0. 28mJ , 自燃温度538 ℃, 最大爆炸压力为0. 717M Pa, 燃烧热889. 5 kJ/mol。天然气极易燃烧, 最大直线燃烧速度为33. 8 cm/s , 火焰温度可达1 950℃, 由于甲烷的分子量相对较小, 又比空气轻, 极易在空气中大面积的逸散(扩散系数为0. 196 cm2/s ) , 形成爆炸性混合物, 遇明火、高热均能引起燃烧爆炸, 属甲类危险物品。甲烷虽属低毒类物质, 但有强烈的窒息性, 若空气中含量达到25%～ 30% 时, 可引起头疼、头昏、乏力、注意力不集中, 呼吸和心跳加速、共济失调, 若不及时脱离,可窒息死亡。由于天然气在喷射过程中气流速度大, 又含有部分杂质, 因而更容易产生静电火花而爆炸。
硫化氢的分子式是H2S, 为无色、有恶臭的气体,相对分子质量34, 相对密度为1. 19, 引燃温度260 ℃,爆炸极限为4. 0%～ 46. 0% , 最小点火能0. 077mJ , 最大爆炸压力为0. 49M Pa。硫化氢气体是强烈的神经毒物, 剧毒, 可导致人员中毒死亡, 对粘膜有强烈刺激作用。硫化氢气体极易燃烧, 本身及燃烧产物对环境均能造成危害, 对水质和大气可造成污染。硫化氢在整个井喷物质中所占的比例虽然不大, 但其危害性很大, 且比空气重, 在大气中越积越多, 也是整个处置过程中重点防范的对象。
卤水主要是一些盐类物质, 大量流入河中会污染水系, 造成沿河区域土壤盐碱化, 构成环境污染。
3 处置方案的剖析
根据盐1 井井喷的实际情况, 制定了三个抢险方案: (1) 先导流引流, 降压后封井; (2) 导流引流后, 下入管串压井封堵; (3) 插管法压井。
3. 1 压井封井
由于此井是一口废弃井, 井口无任何防喷装置, 无法利用防喷装置控制井喷, 因此只有通过压井来控制井喷。压井是控制井喷的根本, 其目的是通过压井重建地层与井筒液柱底部的压力平衡, 以彻底消除井喷的发生。常用的压井方式有灌注法、正循环压井和反循环压井, 前两种方法只适用井喷压力不高的情况, 但现在的井喷压力已达150 个大气压。反循环压井倒多用于高压情况, 但这口井没有反循环系统。因此, 压井的关键首先是要降压。当然, 降压的另一个重要原因就是由于当地地层压力不清、套管情况不详, 若强行高压压井, 有可能造成地层破裂、地表窜漏, 对周边地区农田、民宅等构成威胁, 产生新的安全隐患。
3. 2 燃烧降压
降压就是让井喷物质大量外泄。现在井喷也在降压, 但这种无序的、无控制的降压存在很多安全隐患:一是一旦遇到点火源, 很有可能发生大的爆炸燃烧, 二是硫化氢气体外泄后大量积聚, 容易造成人员中毒, 破坏环境。因此, 必须有控制地降压, 即人工点燃, 形成稳定燃烧, 既能放喷燃烧降压, 又能把硫化氢气体燃烧消耗掉。
3. 3 导流引流
放喷燃烧既可以在井口进行, 也可以“引流”至安全地点进行, 那为什么不直接在井口放喷燃烧呢?这是因为直接在井口放喷燃烧有以下问题: 一是井口就在民宅旁边, 点燃过程中万一发生爆炸, 会造成人员财产损失, 即使点燃顺利, 形成稳定燃烧, 但火柱高、温度高、辐射强, 照样会对周围居民和民宅造成威胁。二是井喷物质中含有卤水, 能不能在井口点燃、点燃后能不能形成稳定燃烧都是未知数。三是大量卤水不经处理直接流入河中会造成环境污染。因此, 用管线“引流”至安全地点, 采用液封进行气液分离, 气体点燃放喷, 卤水流入卤水池中用于熬盐。
3. 4 切割吊装
要安装“引流”管线, 必须用带有阀门的特制罩筒密封井口。图3 为井口罩筒的示意图, 将该罩筒吊装在井口套管上, 此时阀门1 开启, 阀门2 关闭, 井喷物质从主管向上喷出, 当“引流”管线和支管对接好后, 开启阀门2, 同时关闭阀门1, 这样就把喷出物“引流”到安全地带了。由图2 可以看出, 由于井口套管不规则, 且有4 个喷口, 无法在现在的基础上进行吊装密封, 所以必须先切割井口套管, 让井喷物质只朝上一个方向喷射, 再进行吊装密封。
3. 5 现场清理
该井口当初被半封闭的猪圈围住, 后经清障, 暴露出地面上的井口部分, 能观察到两个喷口, 但仍有两个喷口埋在土里。要对喷口以上部分进行切除, 就必须清理出所有的喷口, 并在井口周围清理出一个工作面, 以便井口平台浇筑和井罩安装等后期抢险工作的开展。
由以上分析可知,“先导流引流, 降压后封井”的方案是合理的, 根据以上方案, 指挥部确定了四个实施阶段, 即清理井口周边工作面, 修出一个20 m 宽, 40 m长的井场, 以及3 m 宽, 80 m 长的循环车道以便于工作开展; 采用引进超高压水力喷砂切割装置切割井口套管; 加工特制井口罩筒, 以密封井口, 并安装管线“引流”至安全地点放喷燃烧; 待引流放喷井内压力降低后, 实施下油管注重泥浆及水泥封堵井筒。
4 消防对策的研究
天然气井喷引起爆炸的因素多, 火灾危险性大, 且一旦着火, 火柱高、温度高、喷射方向多变, 容易形成大面积火灾, 严重威胁着现场人员和设备的安全, 再加上灭火条件差, 火场情况复杂, 处置起来难度大、耗资大,所以此次井喷事故处置消防保卫任务非常艰巨。针对这种情况, 湖北省消防总队一是启动了《湖北省消防部队跨区域灭火救援应急作战方案》, 一次性调集了四支消防队伍100 余人、18 辆消防车等精良装备, 一开始在调兵遣将上就具有很强的超前意识和针对性。就人员而言, 指挥长指挥过油田大火的灭火战斗, 总队突击大队装备精良, 武汉市支队灭过油轮大火及爆炸, 宜昌支队对山区作战熟悉, 恩施支队对辖区地况地貌清楚。就装备而言, 灭火机器人不怕毒气, 不怕燃烧、爆炸, 能躲过爆炸的第一冲击波; 自摆炮扫射面积大, 能大面积的驱散、稀释有毒、易燃易爆气体; 干粉车可以用来灭火和防止回火爆炸; 抢险救援车可以用来侦检、破拆、切割和堵漏; 大功率水罐车可以防止水源供应不足; 手抬涡轮泵可以用来远距离汲水供水。二是根据“先导流引流, 降压后封井”的处置方案, 消防部队针对每一阶段可能出现的火灾危险着手编制了分阶段的消防保卫方案和一旦着火后的灭火救援方案, 并进行了实战演练, 可谓做到了“兵来将挡, 水来土掩”。
4. 1 现场处置情况及消防对策
第一阶段: 掩护清理阶段
(1) 主要危险性: 清场工具容易碰撞产生火花; 井喷物质流速快, 并含有杂质, 易产生静电并积累; 井口周围有大量硫化氢气体聚集, 作业人员易中毒; 井喷方向多, 不利于作业。
(2) 消防对策: 利用机器人喷扫工作面, 使现场形成湿面, 防止火花、静电产生引起爆炸; 用高压带架水枪、自摆炮清扫防控区域, 以清除集聚在地面的硫化氢等有毒气体; 始终实施喷雾保护; 用高压水炮、水枪控制气流扩散方向; 做好个人防护, 前沿阵地战斗员着隔热服、避火服; 尽量在上风向操作, 并时刻注意风向改变。(力量部署见图4)
第二阶段: 喷沙切割阶段
(1) 主要危险性: 切割是最危险的阶段, 切割时可能产生火花引燃、引爆气体; 切割完的井筒可能飞出去伤人; 一旦发生爆炸, 第一冲击波会对个人、装备产生巨大破坏, 随之而来的负压冲击又会造成连锁破坏。
(2) 消防对策: 继续实施清场过程中的各种保护措施; 并按发生火灾情况下的战斗进行力量部署; 井筒用钢丝绳绑牢, 用吊车紧紧的牵引住。随时注意做好第一冲击波的个人保护和紧急疏散, 并做好爆炸后有毒气体的防护。(力量部署见图5)
第三阶段: 吊装井罩阶段
(1) 主要危险性: 吊装过程中机械、井罩、地面可能相互碰撞产生火花引燃、引爆气体。
(2) 消防对策: 用高压水枪对井口及地面进行清扫; 全部机械设备进行湿水; 井口装置涂抹润滑油, 防止碰撞时发生火灾; 无关人员、器材远离现场。(力量部署见图6)
第四阶段: 放喷引燃阶段
(1) 主要危险性: 点燃时可能发生爆炸; 点燃后有可能发生回火爆炸。
(2) 消防对策: 消防车实施喷雾保护; 采取远距离点火; 布置好带架水枪, 防止回火爆炸。(力量部署图同图5)
4. 2 发生火灾情况下的消防措施
若发生火灾, 一是用三干线六支大口径水枪, 并保持足够的压力, 对井喷火焰采取分两层平行切封的方法, 第一层在井场三面设三只水枪对准火焰根部和井口之间喷射, 冲击气流, 隔离未燃气体与火焰的接触,第二层也在井场三面设三支水枪(与第一层的水枪交叉) 对准火焰根部喷射。待水枪攻击点全部射中目标时, 同步缓慢抬高水枪仰角, 将火焰掐断。二是采用干粉车、手推式干粉灭火器从火焰根部由下而上喷洒干粉, 防止回火燃烧; 三是火焰熄灭后, 继续冷却, 防止复燃。(力量部署见图7)
5 结束语
从以上处置方法可以看出, 其最大的特点就是从工艺的角度细致分析、全面考虑, 尊重科学、遵循规律,有针对性的采取措施、严密组织、科学实施。随着生产的发展, 石油化工企业规模会更大, 工艺会更复杂, 技术会更尖端, 其燃烧爆炸事故会更难处置, 因此, 只有从工艺的角度、从基本原理着手, 采取科学的、有针对性的各项措施, 才能应对以后抢险救援任务的艰巨性和复杂性。此次井喷事故的成功处置, 在这方面可谓是一个成功的典范。
作者简介: 李金文, 男, 湖北省消防总队总队长, 高级工程师,学士,主要从事灭火指挥工作, 武汉市武昌区紫阳东路69号,430070。
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【文章出处：李金文, 陈先斌】 |
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