【文章內(nèi)容簡介】 I 1 1 圖 11 壓裂井場地面布置流程 ① 循環(huán)：將壓裂液由液罐車打到壓裂車再返回液罐車。目的是鑒定各種設(shè)備性能，檢查管線是否暢通。循環(huán)線路是液罐車 — 混砂車 — 壓裂泵 — 高壓管匯 — 液罐車。 ② 試壓：關(guān)死井口總閘，對地面高壓管線、井口、連接絲扣、由壬等憋壓檢驗。 ③ 試擠：試壓合格后，打開總閘門，用 1~2 臺壓裂車將試擠液擠入油層， 直到壓力穩(wěn)定為止。目的是檢查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油層的吸水能力。 ④ 壓裂：在試擠壓力與排量穩(wěn)定后，同時啟動全部車輛向井內(nèi)高速注入壓裂液，使井底壓力迅速升高，當(dāng)井底壓力超過地層破裂破裂壓力時，地層就會形成裂縫。 ⑤ 加支撐劑：當(dāng)?shù)貙右驯粔洪_裂縫，待壓力、排量穩(wěn)定后即可加入支撐劑。 ⑥ 頂替：預(yù)計加砂量全部加完后，就立即泵入頂替液，把地面管線及井筒中的攜砂液全部頂替到裂縫中去，防止余砂沉積井底形成砂卡。頂替液不可過量，一般頂替量為地面管線和井筒容積的 倍。 ⑦ 反洗或活動管柱：替擠后應(yīng)立即反洗井或活動管柱，防 止余砂殘存在井筒封隔器卡距之間，造成砂卡?；顒庸苤杉铀俜飧羝髂z筒回收。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 各工序結(jié)束后，關(guān)井等待壓力擴散。壓裂施工結(jié)束后，井內(nèi)壓裂管柱起出之前，要加深管柱探砂面，然后起出壓裂管柱，按設(shè)計要求下入完井管柱，安裝好井口采油樹，連接生產(chǎn)管線，撈出堵塞器，抽油機井要憋掉活堵，調(diào)好防沖距試抽，然后交井。 酸化 酸化 是將按要求配制的酸液從地面竟竟筒注入到地層中，溶解掉井底附近地層中的堵塞物質(zhì)（如鉆井液體堵塞等），使地層恢復(fù)原有的滲透率；溶蝕地層巖石中的某些組分，增加地層孔隙，溝通和擴大裂縫的延伸范圍，增 加油流通道，降低阻力，從而增產(chǎn)。 根據(jù)酸液在地層中的不同作用，可以將酸化分為兩大類。當(dāng)注酸壓力小于油氣層破裂壓力，主要利用酸化液的化學(xué)溶蝕作用，擴大酸液接觸的巖石的孔、縫、洞，這就叫做常規(guī)酸化。如用水力先將地層開裂縫，然后再注入酸或注酸時壓力超過地層的破裂壓力都能起到壓裂酸化的雙重作用，這叫壓裂酸化或酸壓。 按酸液類型的不同可分為：普通酸酸化、自生酸酸化、復(fù)合酸酸化、緩速酸酸化等。 1） 碳酸鹽巖地層的鹽酸處理 碳酸鹽巖地層的重要礦物質(zhì)成分是方解石（ CaCO3）和白云石 MgCa(CO3)2。鹽 酸進入地層孔隙或裂縫后，將于巖石發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)： 2HCl+CaCO3→CaCl2+H2O+CO2 4HCl+MgCa(CO3)2→CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2 反應(yīng)生成物氯化鈣氯化鎂等都是能溶于水的鹽類，二氧化碳氣體在油層條件下，部分溶解于殘酸液中，部分呈自有氣體狀態(tài)分散在殘酸水中。因此，可用抽汲或自噴的方法將反應(yīng)后的可容物隨殘液從油層中排出，從而擴大和疏通油層孔隙和裂縫，提高滲透率，減少流動阻力，達到增產(chǎn)增注的目的。 2） 砂巖地層的土酸處理 砂巖地層由沙粒及膠結(jié)物組成，沙粒主要是時應(yīng)和 長石，膠結(jié)物主要是粘土和碳酸鹽類，砂巖的油氣儲集空間和滲流通道就是沙粒與沙粒之間未被膠結(jié)物完全充填的孔隙。用常規(guī)酸化處理砂巖地層，只能通過酸液溶解沙粒之間的膠結(jié)物和部分沙?；蛘呷芙饪紫吨械你@井液堵塞物以提高恢復(fù)近井地帶的滲透率。由于地層含泥質(zhì)較多，含碳酸巖較少，因此砂巖地層酸化處理用土酸才能取得較好的效果。 土酸是 10%~15%的濃鹽酸和 3%~8%的氫氟酸與添加劑所組成的混合溶液。利用土酸中的鹽酸能溶解地層中的碳酸鹽類和鐵、鋁化合物，氫氟酸能溶蝕地層中的粘土和硅酸鹽類，反應(yīng)生成物可排出地層，從而增大地層孔隙 通道，提高滲透率。 鹽酸與地層巖石反應(yīng)式如前所述，氫氟酸與地層巖石的化學(xué)反應(yīng)方程如下： 4HF+SiO2→SiF4+2H2O 16HF+CaAL2Si2O3→CaF2+2ALF3+3SiF4+8H2O 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 8HF+Na4SiO4→SiF4+4NaF+4H2O 2HF+CaCO3→CaF2↓+CO2+H2O 上述反應(yīng)式中的氣體、 SiF4，溶于水的 ALF3以及鹽酸與地層反應(yīng)后的水溶物均可排出地層，因此土酸酸化能溶蝕砂巖地層中的膠結(jié)物，解除鉆井液和其它污染物的二次堵塞。 3） 酸液的添加劑 酸處理時要在酸液中加入某些 化合物質(zhì)以改進酸液的性能和防止酸液在地層中產(chǎn)生有害的影響，這些化學(xué)物質(zhì)統(tǒng)稱為添加劑。常用的添加劑的種類有緩蝕劑、結(jié)合劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑等。 4） 酸化施工 酸化施工工藝過程可分為制定酸化施工方案和施工設(shè)計、酸化井準備、酸化現(xiàn)場施工三個過程。 對油氣井進行全井酸化的施工步驟為： （ 1） 施工準備：包括井場、井口裝置、施工裝備的準備，壓井。起出原井管柱、下入酸化管柱，工作液體及地面流程管線的準備過程。施工準備是壓裂酸化施工的基礎(chǔ)性工序。 （ 2） 用活性水洗井 （ 3） 按照施工設(shè)計要求將酸液擠入地層。擠酸時先打開套管閘門，由油管打入 酸液，預(yù)計酸液由油管底部上返到油層射孔頂界后，關(guān)閉套管閘門，然后將設(shè)計的適量酸液全部擠入井內(nèi)。 （ 4） 正擠清水。替擠清水用量為地面管線與井內(nèi)管柱容積的 倍。 （ 5） 關(guān)井反應(yīng)。關(guān)井反應(yīng)時間為 1小時左右。 （ 6） 放噴排液。 （ 7） 對于油井，需要起出酸化管柱，下入生產(chǎn)管柱。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 油層 水力壓裂工藝自 1955 年在我國玉門油田首次開展工業(yè)性試驗以來至今已有53 年的歷史。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國的壓裂技術(shù)在工藝上有了很大的發(fā)展。從50 年代后期到 70 年代初為小規(guī)模的試驗性和摸索性階段。到現(xiàn)在壓 裂工藝已進入完善階段。在此階段，壓裂液的性能更加完善，壓裂設(shè)計普遍采用計算機優(yōu)化設(shè)計，壓裂數(shù)字模型基本上采用二維、擬三維、全三維、以擬三維的模型，壓裂管柱配套系統(tǒng)化，壓裂設(shè)備更新?lián)Q代，壓裂井的選擇更加科學(xué)化。而且通過以上工藝技術(shù)的完善與配套，成功完成了高含水油層的壓裂、重復(fù)壓裂、稠油地層壓裂、軟地層壓裂和整體區(qū)塊壓裂的高難度施工項目。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 酸化工藝也由當(dāng)初的低濃度小量酸化應(yīng)用階段提高到現(xiàn)在的高濃度大量酸與乳化酸應(yīng)用階段。特別是 90 年代以來，隨著勘探開發(fā)的需要，酸化研究更加深入，研究領(lǐng)域不斷拓寬，酸化技術(shù)取得了多 項成果，主要有： ① 適應(yīng)油層的防膨，放遷移的酸化技術(shù)。 ② 適應(yīng)深部酸化的緩速酸酸化技術(shù)，磁處理酸化技術(shù)。 ③ 適應(yīng)解除有機質(zhì)堵塞和乳化堵塞的土酸酸化技術(shù)，逆土酸酸化技術(shù)。 ④ 適應(yīng)泥質(zhì)砂巖的低傷害酸酸化技術(shù)。 ⑤ 適應(yīng)解除無機質(zhì)堵塞的酸化用添加劑。 ⑥ 適應(yīng)低溫油層、稠油油層的熱酸酸化技術(shù)。 ⑦ 適應(yīng)低滲、強水敏地層和高凝、高稠嚴重堵塞油層的集成酸酸化技術(shù)。 從安全的角度講，我國石油行業(yè)安全管理及技術(shù)措施起步較晚。 50 年代到 90 年代初，石油行業(yè)所采取的安全措施絕大多數(shù)是在施工過程中人為的檢查。這種檢查很大程度 上靠檢查人員的經(jīng)驗與責(zé)任心，而且很難從根本上防止安全事故發(fā)生。 1997年中國石油天然氣集團（ CNPC）開始推行 HSE 管理體系。 HSE 管理體系的重要內(nèi)容就是進行發(fā)生事故前的風(fēng)險評估及風(fēng)險削減措施，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。在中石油實行 HSE 管理體系以來，通過與以前的行之有效的規(guī)章制度進行整合，揚其優(yōu)勢，摒其弊端，在結(jié)合中實踐，發(fā)展中創(chuàng)新。開拓出中國石油健康、環(huán)境和安全的新時代。 在壓裂酸化施工安全管理方面，中國石油根據(jù) HSE 管理原則，分析確定了壓裂酸化中的危險源，并制定了諸如擺車要求，酸化常見事故及處理， 酸化施工工藝和質(zhì)量控制及壓裂中事故的預(yù)防與處理的方法。這些管理措施在很大程度上能減少事故的發(fā)生，保障壓裂酸化施工中的安全。 2021 年 3 月 31 日國家石油和化學(xué)工業(yè)局頒布了《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準 — 壓裂酸化作業(yè)安全規(guī)定》（ SY6443— 2021）。該標準規(guī)定陸上壓裂酸化施工作業(yè)前后以及施工作業(yè)中對人員、設(shè)備、設(shè)施、現(xiàn)場的安全要求。其中包括：施工設(shè)計的安全要求，施工作業(yè)前的安全要求，施工作業(yè)中的安全要求，施工作業(yè)后的安全要求。 國外現(xiàn)狀 國外 對壓裂后人工裂縫對油藏動態(tài)影響的研究比 較早。方法主要是實驗和數(shù)值模擬。從研究方法上可以很明顯的分為兩個階段和兩種類型。 20 世紀 60 年代以前主要用電解模型實驗方法，通過測定電位值，確定滲流場的變化，再計算掃油效率。 60年代后隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多采用數(shù)值模擬的方法。 在安全方面，國外的石油行業(yè)安全理論起步較早，管理措施與標準也比較完善。在 1989 年殼牌公司委員會頒布了健康、安全和環(huán)境（ SHE）方針指南。 1991 年在荷蘭海牙召開了第一屆油氣勘探開發(fā)的健康、安全、環(huán)保國際會議。 HSE 這一標準逐漸為大家所接受。目前它已成為國際石油、石化大公司普遍認同 的管理模式。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 在壓裂酸化作業(yè)中，國外也是普遍遵循 HSE 管理體系來進行管理的。國外石油企業(yè)首先注重職工的安全意識。他們把安全意識作為事故預(yù)防中最為有效的因素。鼓勵工人們學(xué)安全，講安全，在安全方面維護自己權(quán)利。讓員工都有“我要安全”的意識。而且國外公司在員工的勞動保護方面也作的比較到位。這些都是國內(nèi)企業(yè)所不足或要學(xué)習(xí)的地方。 通過分析國內(nèi)外的壓裂酸化施工安全現(xiàn)狀不難看出：國外通過提高員工自身素質(zhì)預(yù)防事故發(fā)生；國內(nèi)通過嚴格管理預(yù)防事故發(fā)生。但他們都是側(cè)重于管理方面，從安全管理角度進行研究的比較多，但從安全系統(tǒng)論的 角度研究的比較少。而且在查閱資料的時候沒有見壓裂酸化施工方面安全評價的資料，也未見相關(guān)報道。所以本論文將對壓裂酸化施工作業(yè)過程從系統(tǒng)論的角度進行分析，查找施工過程中的危險源，找出一種安全評價方法。 壓裂酸化 作業(yè) 中的安全問題 及 其 研究 的 意義 壓裂酸化施工是多工種、多工序、高壓狀態(tài)下的大型油氣田作業(yè)。因此在施工的過程中存在許多影響施工人員健康、生命和周圍環(huán)境的危害因素。例如，在壓裂（酸化）施工中會有多達十幾臺甚至幾十臺車輛同時作業(yè)，所以在車輛在移動、擺放過程中很可能碰傷或壓死井場工作人員或損壞設(shè)備。壓裂 施工中壓裂管線中為高壓水（高能氣），氣壓力從幾十兆帕到上百兆帕，這遠遠超過人體能承受的極限，一旦壓裂管線發(fā)生刺漏或控制失靈很可能造成人員傷亡，設(shè)備損壞。還有，在酸化過程中，酸化所用的酸液或其揮發(fā)物對人員的危害也是相當(dāng)嚴重的。施工后放噴是，烴類氣體彌漫井場，造成井場火災(zāi)； H2S 等有害氣體溢出，造成群死群傷的災(zāi)難性事故。有的油井在進行壓裂作業(yè)的同時還要進行酸化作業(yè)，這就使得其安全情況更為復(fù)雜。 在壓裂酸化施工中上述危險危害因素嚴重的威脅施工人員的生命安全與周圍環(huán)境的安全。一旦發(fā)生事故，輕則設(shè)備損壞，壓裂失??；重 則，不僅設(shè)備報廢，壓裂失敗，油氣井報廢，更會危及到施工人員的生命、健康！一旦事故發(fā)生這不僅給國家財產(chǎn)造成巨大損失，更會給員工心理上造成恐慌，在社會上造成不良影響。因此，我們對壓裂酸化作業(yè)的過程進行分析和研究，找出其發(fā)生事故的各種危險因素，制定防止事故發(fā)生的對策、預(yù)案，減少或杜絕事故的發(fā)生。這對我國的石油工業(yè)的健康穩(wěn)定的發(fā)展是十分必要的。 論文主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 第一章主要介紹了壓裂酸化作業(yè)在我國低滲透油氣藏開發(fā)中的意義以及壓裂酸化作業(yè)的工藝。提出壓裂酸化作業(yè)中的安全問題，并說明研究安全問題的意義。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 第 二章我們通過對壓裂酸化施工中的事故案例進行收集、分析、總結(jié)得出了壓裂酸化作業(yè)中主要的事故類型。通過故障樹分析的方法找出導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件，并對其進行結(jié)構(gòu)重要度分析。 第三章是根據(jù)能量意外釋放理論，找出壓裂酸化作業(yè)過程的第一、二類危險源和其危害后果。并制定控制危險源能量意外釋放的安全對策。 第四章 是在參考作業(yè)條件危險性評價法的基礎(chǔ)上制定了一套適合壓裂酸化作業(yè)風(fēng)險評估的評價模型。 第五章 利用 前一章得出的評價模型對 莊 16147 井長 8 層壓裂作業(yè) 做出安全評價，并提出安全預(yù)防措施。 西安石油大學(xué) 本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 2 壓裂酸化 作業(yè) 事故致因 分析 壓裂酸化 作業(yè) 中傷害的主要類型 在壓裂酸化施工過程中 ，由于施工點多，施工面廣，涉及到的施工工種也很多。這就使得壓裂酸化過程中存在各種各樣的危險因素。根據(jù)事故 統(tǒng)計 的資料來看，壓裂酸化施工過程中主要存在以下幾類傷害類型： 機械傷害 （ 1） 壓裂車、輔助車輛（砂罐車、消防車）在移動或擺車時將井場工作人員碰傷、壓死或損壞設(shè)備 （ 2） 在井場布置過程中 ，由于設(shè)備放置不穩(wěn)，支撐倒塌造成的人員傷亡或設(shè)備損壞。 （ 3） 在壓裂酸化過程中，由于過壓保護設(shè)置不當(dāng)，保護失靈，控制系統(tǒng)失靈以及壓力等級不 合格等其他原因出現(xiàn)高壓管線、井口的破裂和設(shè)備的損壞。 （ 4） 在壓裂酸化施工前，地面管線試壓過程中，由于壓力過高，管線不合格以及其他原因造成的地面管線憋壞，