压裂泵试压过程风险评估与管理

压裂泵试压过程风险评估与管理

随着复杂油气藏和低渗透油田的开发，对压裂泵提出了更高的要求。国内压裂泵制造业经历了50年的发展,在借鉴国外同类产品基础上,成功研制了大功率、大排量、高压力的压裂泵,满足了国内油气田生产需要。但是大功率、大排量、高压力的压裂泵的试压是高风险作业,因焊缝、铸件砂眼、密封件不严等原因,产生刺漏,从缝隙中喷射出来高压的试压水,可将人刺伤,严重的可将人刺死;因缸体、压力表、安全阀、管汇等因材料或加工、安装等原因发生物理爆炸,造成人员伤亡。因此对试压过程的危险有害因素进行全面的分析、对可能造成事故的后果进行定量计算,降低企业生产经营的风险,是目前紧迫而现实的问题。一、爆破能量的计算爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化,也是大量能量在短时间迅速释放或急剧转化成机械功的现象。物理爆炸是物质参数(温度、压力、体积)迅速发生变化,在瞬间放出大量能量并对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生的前后,物质的性质及化学成分没有发生改变,仅只发生物态变化和能量转换。如锅炉、轮胎,高压气瓶等爆炸均属物理爆炸。当压缩液体盛装在容器内超压或容器受损发生爆炸时,所释放出的能量为压缩液体、压力、体积变化的函数,爆破能量计算模型为:Et=(p-1)2Vβt2(1)Et=(p−1)2Vβt2(1)式中:Et—常温液体压力容器爆炸时释放的能量,kJ;p—液体的绝对压力,MPa;V—容器的体积,m3;βt—液体压力p和温度T下的压缩系数。(1)tn体积WΤΝΤ=Et4520(2)WTNT=Et4520(2)(2)与1000kgtn的模拟比为α=(WΤΝΤ1000)13(3)α=(WTNT1000)13(3)(3)冲击超压准则R0=Rα(4)R0=Rα(4)冲击波伤害、破坏作用准则有:超压准则、冲量准则、超压-冲量准则。超压准则认为,只要冲击波超压达到一定值,便会对目标造成一定的伤害或破坏。冲击波超压对人体的伤害作用见表1。二、布件加工不合理压裂泵在试车过程中,因高压管汇、泵体选材不当、零件加工不符合设计要求、加工质量差、安装精度不高、员工缺乏操作技能、焊缝和铸件砂眼等原因产生泄漏。1.泄漏物理模型图12.泄漏数学模型(1)计算钻孔液位的公式如下Q=fuw0=πD24w0(5)Q=fuw0=πD24w0(5)(2)计算管道流量的公式w0=4QπD2(6)w0=4QπD2(6)p0γ0+α0w202g=(αC+ζC)w2C2g(7)(3)大气喷射的压力及流量L=√2ΗgwC(8)式中:Q—钻井液排量,m3/s;w0—超高压管内流速,m/s;p0—泥浆泵的最高工作压力,MPa;D—喷射小孔的直径,m;H―小孔距离地面高度为,m;L―喷射射程,m;γ0—泵内部水的密度,kg/m3;γc—喷射出口处即在大气中水的密度,kg/m3;α0—流体在小孔入口处的动能损失系数;αC—流体在小孔出口处的动能损失系数;wC—流体在喷射口处速度,m/s;ζC—流体的局部损失系数。三、计算示例1.爆破能量的计算假设某压裂泵试验的绝对压力为105MPa,压裂泵(含管汇)的体积V为200L,βt压缩系数取5%,带入计算式(1):Et=(105)2×0.2×0.052=55.125(kJ)其TNT当量WΤΝΤ=55.1254500=0.01225即其爆破能量为55.125kJ,TNT当量为0.01225kg。与1000kgTNT的模拟比为α=0.1×3√WΤΝΤ≈0.023与模拟试验中的相当距为R=αR0≈0.75根据表1,冲击波造成人体听觉伤害的超压为0.03MPa,查表2得R0=32.5m,求得造成人体听觉伤害的的范围R=0.75m。2.井液计算该压裂泵最大输入功率:W=3500kW;最高工作压力:po=103.4(计算取105)MPa;钻井液排量:Q=2.4m3/min。喷射小孔的直径为d=0.1m、小孔距离地面高度为H=2m,带入式(6)计算。(1)超高压管道流量W0=4×2.43.1416×0.12×60=5.3(m/s)(2)c/3.0.3.3.3把p0=105MPa=10500000(kg/m2)(相对压力),γ0=1053kg/m3,γc=1000kg/m3,α0=2.0,(αC+ζC)≈1.052代入方程(7)计算得:105000001053+2.0×5.322×9.81=1.052×w2C2×9.81(m/s)wC=431.3(m/s)(3)超高压水排放出来把上述计算结果代入式(8)计算得:L=√2ΗgwC=275.4(m)水实际的喷射距离远远低于上面在真空里的计算值,因为射流速度超过音速,因此射流遇到空气的阻力相当大,故超高压水一喷出来,在500～1000mm的距离上就散开了。但是,如果射流直径增大,水流散开的距离也就增大,2～3m的射流,在5m内仍具有杀伤力。四、实施有效的安全生产意识本文对大功率、大排量、高压力压裂泵试压作业过程主要危险有害因素进行了识别,并采用定量计算出大功率、大排量、高压力压裂泵试压作业过程发生物理爆炸和泄