重点推广项目编号：AQT-3-06

主要完成单位：中国安全生产科学研究院、中国石油天然气股份有限公司

立项背景：

  2003年12月23日，在重庆市开县高桥镇川东罗家16H井发生的天然气“井喷”事故，使人们再次感受到现代大型工艺装置、大型设备生产过程中潜藏的巨大威力，同时人们也真实感受到生产过程潜藏巨大能量失控带给人们的灾难——大量的人员伤亡、巨大的财产损失、严重的社会恐慌和沉重的心理压力。事故一旦发生就成为过去，然而事故留给我们的教训却能够促进科学技术进步和社会发展。  

2003年事故统计结果显示，我国各类事故平均每天死亡373人，一次死亡3～9人的事故每天发生6．79起，一次死亡10～29人的事故每周发生2．2起，一次死亡30人以上的事故每月发生1.17起。“12·23”特大“井喷”事故的发生是突然的，但不是偶然的。在近10年的统计中，从1992年华北油田赵48井“井喷”（6人死亡，24人中毒）到最近的“12·23”特大“井喷”事故,在国内江汉、新疆、胜利、华北、四川等油气田区均有钻井H₂S泄露中毒死亡事故发生，高风险油气田开发的安全问题越发突出。这除了油气田钻井过程的工艺、设备和管理方面存在的不足外，对于高风险油气田开发过程中危险因素的辨识和评价缺乏系统的方法，以及可借鉴的相关标准和要求，对于危险产生的原因认识深度不够，应急计划和措施准备不足（如对H₂S泄露和控制等），也是容易造成严重后果的重要原因。目前，国内正在开采和待开采的富含H2S油气田还很多（个别区块H₂S含量高达93%以上），事故隐患和风险时时存在，若没有有效的预防和应急措施，后果不堪设想。因此，要从根本上控制重大事故多发的局面，必须从石油天然气开采重大事故分析入手，进行油气田开采事故风险分级，建立科学、系统、有效的高风险油气田安全生产监督管理机制，明确安全生产监督管理的对象、内容、程序和方法，加强对高风险油气田的规划、建设及其油气井设计、生产和废井等全程的安全监督管理。

项目内容：

1、进行了国内外资料及现场调研。

在现场调研方面，项目组先后到中石油盘锦辽河油田分公司、中石油西南油气田分公司和中石化南方勘探开发分公司等生产企业、科研设计单位、安全评价机构等，共22人次进行了现场调查，了解了中国石油天然气股份公司及其下属各钻探、采油分公司的生产条件、生产过程和安全管理情况。到西南油气田分公司的罗家16H井现场调查了发生“12·23”井喷事故的情况。到开县消防部门了解了罗家16H井发生“12·23”井喷事故的现场应急、救援、物资调用、人员救护的情况，查看了事故应急救援的相关纪录和录像资料。

在国内外资料调查方面，项目组广泛收集了国内外石油天然气监督管理、钻井监督管理、石油天然气安全生产监督管理、钻井事故等方面的资料。并对收集的资料进行了系统的分析。

2、进行了“12·23”井喷事故的人员疏散现场模拟。

2005年8月～9月，到罗家16H井现场，实际模拟了井喷事故发生时的人员疏散过程。将罗家16H井场周围的航拍地形图片转化为三维地形图，在实际模拟中，用GPS人员定位系统将人员疏散路径、疏散时间、疏散速度等数据直接记录在三维地形图上，获得了现场疏散的实际模拟数据，基本摸清了“12·23”井喷事故的人员死亡位置、死亡人数、死亡时间以及部分家畜、家禽的死亡位置、死亡数量，并做了初步的致死原因分析。

3、进行了“12·23”井喷事故过程中硫化氢扩散的风洞模拟实验。

将罗家16H井附近5×7km范围的地形情况制成1:2000比例的实验模型，在北京大学环境学院风洞实验室，进行了“12·23”井喷事故硫化氢扩散行为过程的风洞模拟实验。在模型上共布置了88个测点，进行了21天风洞模拟实验，获得了大量的测定数据，共进行了1.0m/s（相当于距离井喷口10m高处的风速0.5m/s）风速条件下的N、NE、E、SE、S、SW、W、NW等8个风向的硫化氢污染情况的实验测试，再现了事故过程中和不同风向条件下的硫化氢扩散行为过程、污染范围和危险区域。

4、进行了天然气井喷事故的计算机模拟

根据“12·23”井喷事故的现场地形资料、井喷基本参数和井喷时期的气象参数，采用三维的井喷控制方程和FLUENT软件，对井口附近20D×5D（D为井口直径）范围的井喷射流情况进行了模拟。建立地形追随坐标系，对N——S的连续方程、运动过程、热力学方程及状态方程等组成的方程组进行转换，构建大涡流动量方程，采用三Smagorinsky模式，使用亚格子模式离散大涡流方程，确定边界条件，进行数值解算，解算了井喷井口附近4500×3300m范围内东西方向风速0.5、0.9、1.5m/s和南北方向风速0.5、0.9m/s条件下的硫化氢污染状况。在x、y、z方向计算网格数为82×58×83个，计算时间步长为0.1s历时解算时间达3个月，初步给出了“12·23”井喷事故硫化氢污染行为过程，并获得了大量的基础数据，初步形成了用于开放空间污染模拟的计算机软件。同时，解数结果进一步说明了“12·23”井喷事故的原因和致灾机理。

5、从技术角度对“12·23”井喷事故进行了分析

 根据罗家16H井“12·23”井喷事故的资料、井喷风洞模拟实验结果和井喷计算机模拟解算结果，分析了罗家16H井发生井喷的可能性以及“12·23”井喷事故中发生溢流、顶驱起火、井喷失控的原因，定量计算了井喷发生后点火过程发生天然气爆炸的后果、发生大范围二氧化硫致死区的严重性、井口附近形成大范围爆炸区的可能性、防喷管口附近形成大范围爆炸区的可能性、点火后形成大范围二氧化硫致死区的可能性、大范围硫化氢地面积聚的严重性、大范围硫化氢地面积聚的可能性以及大范围硫化氢地面积聚的危险性，系统分析了井喷失控后紧急处置过程、信息传递过程、资源调拨过程和应急救援决策过程，分析了在安全评价、安全规划、危机预警、应急救援、企业内部安全生产监督管理和企业外部安全生产监察方面的深层次原因。

6、进行了油气田井喷危险性分级方法研究

在总结国内外危险性分级的基础上，分析了油气田井喷危险性分级指标，通过稳态烟羽模拟和瞬间阵喷模式的硫化氢扩散模拟，建立了硫化氢扩散污染距离与排放速率的关系，结合硫化氢污染的危害程度，给出了井喷危险性分级指标。提出了针对井喷公众安全的油气田井喷危险性分级方法，分为四级。四级、三级、二级、一级对应的硫化氢释放速率分别为小于0.9、0.9～3.4、3.4～6.0、≥6.0m³/s。提出了井喷危害防护区域的概念，针对不同井喷危险性级别的油气田，提出了危险区、应急计划区和扩大应急区的范围。同时按照分级指标，对我国当前主要含硫油气田的井喷危险性进行了分级与分析。

表1  含硫油气田井喷风险级别

7、进行了油气田开发安全规划技术研究

根据资料调查结果，对1975～1992年一些资料给出的井喷（含井涌）概率进行了统计分析，分析了不同类型钻井的井喷（含井涌）发生概率以及定量风险，在此基础上给出了井喷事故的概率。根据油气田的井喷风险级别，提出了井喷概率、硫化氢释放速率、大气环境条件、人口密度及其分布等安全规划指标，建立了基于安全距离的油气田井场安全规划方法。

8、开展了油气田开采重大事故应急管理研究

根据油气田开采的特点和井喷硫化氢污染规律，按照油田井喷危险性等级，说明了应急计划区和扩大应急区的应急管理原则、油气田开发重大事故应急的响应级别（见表2）。提出了地方政府、开采企业和应急计划区公众的应急职责，应急指挥机构、决策机制和资源协调的要求，危机警报、公告、疏散与安置、点火、应急区域管制、空气质量监测、医疗救护和公共关系等公众保护措施，以及关井程序、井喷失控处理、应急装备等现场应急技术措施及装备等。

表2  不同阶段井喷危害防护区域的基本要求

9、开展了油气田开发安全生产监管机制研究

在国内外油气田开采安全监管现状调查的基础上，分析了国外油气田开采国家安全监管的现状及特点。研究了我国油气田开发安全生产监管机制建设的指导思想和基本原则，明确了在油气田开发中各级安全生产监管部门、地方政府、油气开发企业的安全生产职责；研究了油气开采过程中的危险源辨识、风险分级、安全评价、安全规划、应急救援、安全生产许可的监管机制和过程，提出了建立我国油气田安全生产监管机制的保障措施。

创新点：

1、风洞实验、计算机模拟和现场调研相结合的事故技术分析方法。

2、重大井喷事故的致灾机理。应用GPS、GIS以及计算机技术、风洞实验手段和方法，明确了此次重大事故的致灾机理，特别是井场周围居民重大伤亡的致灾机理。

3、复杂地形条件下、重气污染扩散行为过程的计算模型及其计算机模拟软件。

4、基于实际微缩地形模型的环境风洞井喷及其硫化氢扩散模拟实验方法。

5、含硫油气田风险分级指标和分级方法

6、油气田开发安全规划指标和方法。

7、井喷危害保护区的概念、分区指标和计算方法。

8、事故发生时的信息流、物资流、应急装备流、应急决策流。

9、高风险油气田开采重大事故应急响应级别及其指标体系。

10、井喷失控点火条件、应急救援装备配置。

11、高风险油气田开采安全监管机制。

12、解决了井喷失控处置过程的一些关键技术问题。

应用情况：

本课题在中石油下属子公司得到应用，建立了企业的油气开采安全生产监管机制建设的指导思想和基本原则，明确了企业在油气田开采中各级安全生监管部门、油气开采企业与地方政府的关系；通过在油气开采过程中采用本项目的危险源辨识、风险分级、风险评价、安全规划、应急救援等技术减少了公众对高风险油气田的生产设施的恐慌，减少了事故发生的概率，减少了事故发生的危害。

企业应用的效果分析：

企业通过应用本项目可以减少生产成本，提高经济效益。例如，通过应用本项目的三维数值模拟技术分析井场危险气体扩散范围，制定的危险区范围大大缩小，节省大量居民搬迁和赔偿费用。

企业通过应用本项目可以提高应急反应能力，获得良好的社会效益。例如，通过应用本项目的应急救援技术，可以做到事故发生前、发生时、发生后都能及时有效采取相应措施，大大增强了企业对公众安全的保障能力。

减少重复投入，确保公众安全。在本项目的应用中，合理地平衡节省开支和安全的关系，既能使企业达到相应的安全标准，又能减少重复浪费。

在本项目应用中，规范了企业与政府的关系，提出了立法需求，使企业明确了自身在生产中的职责，做到了责任明确，有法可依，使企业安全生产有了依靠，规范了企业的生产行为。