CC BY
114ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
Оригинальная статья / Original article УДК 550.34.013
DOI: http://dx.d0i.0rg/l0.21285/1814-3520-2018-4-112-120
АНАЛИЗ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ ВОЗГОРАНИЯ ГАЗОВОГО ФОНТАНА НА ГАЗОКОНДЕНСАТНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ
© Т.И. Дроздова1, М.А. Рябцев2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ: При бурении нефтяных и газовых скважин и добыче нефти и газа возможно образование взрывоопасных смесей нефтяных паров и газов. Особенно опасно газонефтеводопроявление, приводящее к авариям с открытыми фонтанами. Во избежание возникновения аварийных ситуаций необходимо выявление причин, приводящих к выбросам углеводородного сырья. В связи с этим целью работы являлся анализ причинно-следственных связей прогнозных аварий открытого газового фонтана. Для выявления причинно-следственных связей между событиями, приводящими к пожарам открытого газового фонтана, использовали методы анализа «дерево происшествий» и «дерево событий». Проанализированы возможные причины и последствия аварийного фонтанирования газа из скважины газоконденсатного месторождения (ГКМ). Проведен риск-анализ прогнозируемых происшествий с выявлением наиболее критичных предпосылок. Показано, что наиболее критичными сочетаниями предпосылок, приводящих к аварийным выбросам, являются события, связанные с человеческим фактором: неверные действия персонала, недостаточный контроль за организацией работы бригады на скважине, а также несоблюдение требований при эксплуатации и ремонте бурового оборудования. Выявлены причинно-следственные связи с использованием модели «галстук-бабочка», в результате которых возможно фонтанирование газа из скважины, приводящее к мгновенному воспламенению с образованием огненного шара, горением газового фонтана, а также выброс газа с образованием облака газовоздушной смеси с последующим воспламенением. Предложены некоторые барьеры безопасности, направленные на предотвращение или снижения риска при наступлении аварийного события. Проанализированы возможные причины аварийного фонтанирования газа при бурении скважины ГКМ. Для снижения этих рисков разработана модель «галстук-бабочка» и предложены барьеры безопасности, связанные с внедрением технических решений по снижению выбросов горючих веществ в окружающую среду, а также проведением организационных мероприятий по обучению персонала правильному поведению и реагированию при возникновении нештатных ситуаций.
Ключевые слова: пожар, дерево событий, дерево происшествий, модель «галстук-бабочка»
Информация о статье: Дата поступления 22 октября 2018 г.; дата принятия к печати 22 ноября 2018 г.; дата онлайн-размещения 28 декабря 2018 г.
Для цитирования: Дроздова Т.И., Рябцев М.А. Анализ причинно-следственных связей возгорания газового фонтана на газоконденсатном месторождении. XXI век. Техносферная безопасность. 2018;3(4): 112—120. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-4-112-120.
1
Дроздова Татьяна Ивановна, кандидат химических наук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, e-mail: drozdova@istu.edu
Tatyana I. Drozdova, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of Industrial Ecology and Life Safety Department, e-mail: drozdova@istu.edu
2Рябцев Михаил Александрович, магистр направления подготовки «Техносферная безопасность», e-mail: Mihail_Ryabcev999@mail.ru
Mihail A. Ryabtsev, a master degree student of the Program "Technosphere safety", e-mail: Mihail_Ryabcev999@mail.ru
112
Том 3, № 4 2018 Vol. 3, no. 4 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
ANALYSIS OF CAUSAL RELATIONSHIPS OF GAS FOUNTAIN INFLAMMATION IN THE GAS-CONDENSATE DEPOSIT
Tatyana I. Drozdova, Mihail A. Ryabtsev
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov Str., Irkutsk 664074, Russian Federation
ABSTRACT: When drilling oil and gas wells and producing oil and gas, explosive mixtures of oil vapor and gases can be formed. Oil and gas water inflow is very dangerous as it can cause open fountains. In order to avoid emergency situations, it is necessary to identify causes of emissions of hydrocarbons. The purpose of the article is to analyze causal relationships of predicted accidents of an open gas fountain. To identify causal relationships between events causing fires in an open gas fountain, the accident tree and event tree analysis methods were used. Possible causes and consequences of emergency gas flow from the well of the gas condensate deposit were analyzed. Risk analysis of the accidents was carried out, causes of accidents were identified. The most critical combinations of prerequisites causing accidental emissions are human-related events: incorrect personnel actions, inadequate control over the work of the staff in the well, non-compliance with requirements for drilling equipment operation and maintenance. Causal relationships were identified using the bow tie model, which could result in gas flowing out of the well, leading to instantaneous inflammation and formation of a fireball, combustion of a gas fountain, gas emission and formation of an air-gas cloud. Some safety barriers have been proposed to prevent or reduce risks. Causes of emergency gas fountaining in drilling wells were analyzed. To reduce these risks, a bow tie model was developed. Safety barriers involving introduction of technical solutions to reduce combustible substances in the environment, and organizational measures to train the staff were suggested.
Keywords: fire, event tree, accident tree, bow tie model
Information about the article: Received October 22, 2018; accepted for publication November 22, 2018; available online December 28, 2018.
For citation: Drozdova T.I., Ryabtsev M. A. Analysis of causal relationships of gas fountain inflammation in the gas-condensate deposit. XXI vek. Tekhnosfernaya bezopasnost' = XXI century. Technosphere Safety. 2018;3(4): pp. 112-120. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-4-112-120.
Введение
Нефтяная и газовая промышленность с точки зрения пожарной опасности характеризуется взрыво- и пожароопасностью нефти и газа. Технологические процессы на предприятиях нефтяной промышленности сопровождаются высокими давлениями и температурами. Технологические процессы с использованием взрыво- и пожароопасных вещества применяются, например, при бурении скважин с продувкой забоя газообразными агентами (аэрированными промывочными жидкостями и пенами) или при бурении с применением растворов на нефтяной основе.
При бурении нефтяных и газовых скважин и добыче нефти и газа возможно образование взрывоопасных смесей нефтя-
ных паров и газов, что при наличии источника воспламенения может привести к взрывам и пожарам. Источниками воспламенения при этом могут быть механические и электрические искры, заряды статического и атмосферного электричества, нагретые поверхности, а основным фактором воспламенения или взрыва может послужить выделение из скважины горючих газов или, другими словами, газонефтеводопроявление, что и приводит к авариям с открытыми фонтанами [1]. Выявление причин, приводящих к выбросам углеводородов, является важной актуальной технологической и экономической задачей.
Целью данной работы является анализ причинно-следственных связей прогнозных аварий открытого газового фонтана.
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
Объекты и методы исследования
При ведении буровых работ возможны выбросы газового фонтана в окружающую среду, что зачастую создает пожароопасную ситуацию, которая может возникнуть на любом газоконденсатном месторождении (ГКМ).
Для выявления причинно-следственных связей между событиями, приводящими к пожарам открытого газового фонтана, авторы настоящей публикации применили такие методы анализа, как «дерево происшествий» и «дерево событий».
Объектом исследования была выбрана буровая Ковыктинского ГКМ. Данное месторождение было выявлено в результате сейсморазведочных работ еще в 1975— 1976 гг. (официальная дата открытия -1987 г.). Оно расположено в необжитой местности на севере Иркутской области на территории Жигаловского и Казачинско-Ленского районов на юге Сибирской платформы в пределах Ангарско-Ленской ступени (рис. 1).
Рис. 1. Местоположение Ковыктинского газоконденсатного месторождения Fig. 1. Location of the Kovykta gas condensate field
114
Том 3, № 4 2018 Vol. 3, no. 4 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
Результаты и их обсуждение
Наиболее распространенной причиной газопроявления является отсутствие долива скважины при спускоподъемных операциях бурового инструмента и оборудования [2]. Это способствует проникновению флюидов в заколонное пространство за счет превышения пластового давления над гидростатическим (давлением столба жидкости) и приводит к авариям с открытыми фонтанами (рис. 2).
В межколонном пространстве газ может появиться вследствие нарушений герметичности колонны и устьевого узла (колонной головки, места ее соединения со сгонным патрубком и др.) или во время процесса формирования цементного камня в затрубном пространстве (загустевания, схватывания и затвердевания цементного раствора). Отметим также следующие воз-
можные пути миграции газа и других флюидов в заколонном пространстве после цементирования:
- по каналам из-за не герметичности резьбовых соединений;
- по каналам из-за не герметичности соединения частей колонной головки;
- по нарушениям целостности обсадных колонн;
- по каналам цементного камня.
Анализ многочисленных случаев по
газопроявлениям показывает, что при нарушении технологии цементирования, например, использование некачественного цемента, или неполное продавливание цементного раствора в заколонное пространство, шансы на газопроявления усиливаются в разы [1].
Рис. 2. Поступление пластового флюида в скважину за счет разности давлений Fig. 2. The flow of formation fluid into the well due to the pressure difference
Том 3, № 4 2018 Vol. 3, no. 4 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
Движение газа в заколонном пространстве скважины может быть в местах возникновения потенциальных каналов:
- трещины и перемятости пород (образование грифонов - внезапный прорыв на поверхность флюида (чаще всего газа), движущегося под большим давлением по затрубному пространству буровой скважины);
- участки стенок скважины, где осталась сформированная глинистая корка с последующим ее разрушением;
- зазоры, возникающие на границах обсадная колонна - цементный камень и цементный камень - стенка скважины, в результате выделившейся из цементного раствора воды (с последующим ее поглощением твердеющим цементным раствором);
- каналы, образованные поднимающимся по цементному раствору газом;
- капилляры, пронизывающие схватившийся, но еще не затвердевший цементный раствор, и образованные в результате наличия в нем избыточной воды (по сравнению с необходимым ее количеством для химического процесса соединения цемента с водой);
- трещины в цементном камне.
Вместе с тем следует учитывать, что
для возникновения и развития газопроявления должны выполняться два условия:
- наличие перепада давления (в случае газа необязательно);
- возможность образования канала для движения газа (или другого флюида).
Перечисленные причины могут привести к выбросу в открытое пространство газовых накоплений и образованию газового фонтана.
Анализ причинно-следственных связей прогнозных происшествий проведен авторами с использованием метода «дерево происшествий» в соответствии с методикой, представленной в ГОСТ Р 54142-
2010 [3], и работами [4, 5].
Для построения модели «дерева происшествий» определено наиболее распространенное критическое событие (КС), вызывающее аварии (фонтанирование газа из скважины) на аналогичных производственных объектах.
В большинстве случаев основными факторами, влияющими на частоту возникновения таких аварий и их масштаб, являются:
- нарушение режимов технологии производства, правил эксплуатации оборудования, машин и механизмов;
- низкая трудовая и технологическая дисциплина;
- несоблюдение мер безопасности;
- отсутствие должного надзора за состоянием оборудования.
Все перечисленные факторы могут привести к разгерметизации или разрушению противовыбросового оборудования или участков трубопроводов и явиться причиной возникновения аварийной ситуации любого масштаба.
Наиболее опасными и сложными по технологии ликвидации являются аварии с открытыми фонтанами с возгоранием, уничтожением скважины, гибелью людей. Аварии, переходящие в катастрофы, отрицательно сказываются на окружающей среде, деятельности близлежащих промышленных объектов.
В качестве головного события использовано аварийное фонтанирование газа из скважины. Это критическое событие характеризуется отказом противовыбросо-вого оборудования (ПВО) и беспрепятственным движением газовой пачки к устью скважины с последующим выбросом нефтегазового флюида.
Таким образом, критическое событие - аварийное фонтанирование газа из скважины, произойдет по следующим причинам:
116
Том 3, № 4 2018 Vol. 3, no. 4 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
- отсутствие ПВО;
- отказ ПВО;
- неосуществление контроля за скважиной;
- неверные действия буровой бригады при проведении рабочих операций;
- отсутствие контроля за объемом бурового раствора в приемных емкостях;
- отсутствие контроля за параметрами бурового раствора;
- отказ в запуске срезающей плашки;
- неполное заполнение всех полостей в стенках и зазоров между стыками обсадных труб.
В результате проведенного анализа дерево происшествий «Аварийное фонтанирование газа из скважины» будет иметь следующий вид (рис. 3).
Построенную модель «дерево про-
исшествий» использовали для качественного анализа - выявления минимальных сочетаний предпосылок в соответствии с рекомендациями [4, 5]: минимальные пропускные сочетания (МПС); минимальные отсечные сочетания (МОС)
МПС включают наименьшее число тех исходных предпосылок, одновременное появление которых достаточно для возникновения происшествия. Обозначим их как (см. рис. 3): 1) 2; 2) 3; 3) 8; 4) 5; 6; 5) 10; 11; 12.
МОС формирует условия, препятствующие возникновению происшествия, и включает минимальный набор исходных предпосылок, гарантирующих отсутствие происшествия при условии невозникновения одновременно всех входящих в него предпосылок: 1) 2, 3, 5; 2) 2, 3, 6; 3) 8, 10; 4) 8, 11; 5) 8, 12.
Рис. 3. Дерево происшествий «Аварийное фонтанирование газа из скважины» Fig. 3. Accident tree "Emergency gas flow from the well"
Том 3, № 4 2018 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 3, no. 4 2018 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
Из перечисленных наиболее значимые и критичные сочетания: предпосылки, связанные с человеческим фактором (неверные действия, недостаточный контроль) (2, 3, 8), при этом отсутствие ПВО будут более значимы, чем сочетания предпосылок, связанных с нарушением или отклонением от требуемых параметров технологии (5, 6, 10, 11, 12), которые для реализации головного события должны произойти одновременно.
Проанализируем возможные сценарии развития аварии с помощью модели «дерево событий» в соответствии с [3-5]. Диаграмма причинно-следственной связи головного события представлена на рис. 4.
Показано, что в результате аварийного фонтанирования газа из скважины может произойти мгновенное воспламенение с образованием огненного шара, горе-
нием газового фонтана, а также выброс газа с образование облака газовоздушной смеси с последующим воспламенением. Эти сценарии могут привести как к материальному ущербу, так и людским потерям. При таких авариях возможен и розлив бурового раствора, приводящий к ущербам.
Использованная модель «галстук-бабочка» как схематический способ описания и анализа пути развития опасного события от причин до последствий представляет собой сочетание методов «дерево происшествий» и «дерево событий», объединенных через критическое событие. «Дерево происшествий» располагается слева от критического события, «дерево событий» - справа. Модель «галстук-бабочка» для аварийного фонтанирования газа из скважины представлена на рис. 5.
118
Рис. 4. Дерево событий при аварийном фонтанировании газа из скважины Fig. 4. Event tree in case for the emergency gas flow from the well
Том 3, № 4 2018 Vol. 3, no. 4 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
Рис. 5. Модель «галстук-бабочка» для аварийного фонтанирования газа из скважины Fig. 5. Bow Tie Model for the emergency gas flow from the well
Разработанная модель позволяет оценить барьеры безопасности и снизить возможные риски, а именно: избежать или предотвратить наступление события; уменьшить или ограничить его размер; снизить вероятность наступления события и тем самым обеспечить безопасность для персонала.
При анализе модели «галстук-бабочка» выявляются места, где можно применить следующие барьеры безопасности:
1) проведение мероприятий по обучению персонала адекватным действиям и реагированию при возникновении аварийной ситуации, а также подготовка планов и инструкций по предотвращению аварийных ситуаций;
2) барьер, снижающий вероятность
возникновения источника зажигания или распространения пламени внутри технологической системы (применение защиты от статического электричества, отсекателей и огнепреградителей);
3) устройство эвакуационных путей, удовлетворяющих требованиям безопасной эвакуации людей при пожаре, применение средств коллективной и индивидуальной защиты людей от воздействия опасных факторов пожара;
4) барьер, предотвращающий распространение газовоздушных облаков в открытом пространстве (применение водяных, либо паровых завес);
5) установка дренажных систем для отвода розливов бурового раствора;
6) установка оборудования, снижающего частоту выхода горючих веществ из
Том 3, № 4 2018 Vol. 3, no. 4 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE SAFETY
оборудования в окружающее пространство (например, система контроля за превышением давления в технологической системе);
7) проведение регулярного обслуживания, поверок и своевременной замены износившихся деталей и механизмов согласно паспорта на данное оборудование.
Заключение
В работе проанализированы возможные причины аварийного фонтанирования газа из скважины как Ковыктинского, так и других ГКМ. Для снижения этих рисков разработана модель «галстук-бабочка» и предложены барьеры безопасности, свя-
1. Предеин А.П. Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. 381 с.
2. Газонефтеводопроявление [Электронный ресурс] // GEOLIB.NET. Справочник по геологии. URL: http://www.geolib.net/tkrs/gnvp.html (17.08.2018).
3. ГОСТ Р 54142-2010. Менеджмент риска. Руководство по применению организационных мер безопасности и оценки риска. Методология построения универсального дерева событий; принят и введен в действие Пприказом Федерального агентства по
занные с планомерными организационными мероприятиями по обучению персонала при возникновении нештатных ситуаций, а также внедрением технических решений по снижению выбросов горючих веществ в окружающую среду.
кий список
техническому регулированию и метрологии от 21 декабря 2010 г. N 888-ст [Электронный ресурс] // Консорциум Кодекс. Электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200089295 (17.08.2018).
4. Тимофеева С.С., Хамидуллина Е.А. Управление риском, системный анализ и моделирование. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. 160 с.
5. Тимофеева С.С., Хамидуллина Е.А. Системный анализ и моделирование процессов в техносфере. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 128 с.
References
1. Predein A.P. Oslozhneniya i avarii pri stroite'stve neftyanykh i gazovykh skvazhin [Challenges and accidents during construction of oil and gas wells]. Perm': Perm National research Polytechnical University, 2014, 381 p. (In Russian)
2. Gazoneftevodoproyavlenie [Gas and oil water inflow]. Available at: http://www.geolib.net/tkrs/gnvp.html (accessed 17 August 2018).
3. GOST R 54142-2010. Menedzhment riska. Rukovodstvo po primeneniyu organizatsionnykh mer bezopasnosti i otsenki riska. Metodologiya postroeniya universal'nogo dereva sobytii [State Standard R 541422010. Risk management. Guidance on the application
Критерий авторства
Дроздова Т.И., Рябцев М.А. имеют равные авторские права и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
of organizational security measures and risk assessment. Methodology for building a universal event tree].Available at:
http://docs.cntd.ru/document/1200089295 (accessed 17 August 2018).
4. Timofeeva S.S., Khamidullina E.A. Upravlenie riskom, sistemnyi analiz i modelirovanie [Risk management, system analysis and modeling]. Irkutsk: ISTU, 2016. 160 p. (In Russian)
5. Timofeeva S.S., Khamidullina E.A. Sistemnyi analiz i modelirovanie protsessov v tekhnosfere [System analysis and modeling of technosphere processes]. Irkutsk: ISTU., 2013, 128 p. (In Russian)
Contribution
Drozdova T.I., Ryabtsev M.A. have equal copyrights and are equally responsible for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication.
120
Том 3, № 4 2018 Vol. 3, no. 4 2018
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISNN 2500-1582
