山區(qū)硫化氫井井噴擴(kuò)散狀態(tài)三維模擬

摘要：硫化氫（H2S）是一種劇毒氣體，能夠麻痹人的呼吸系統(tǒng)，使呼吸作用受到阻滯，令受害者窒息而死，即使少量的H2S，也會(huì)對(duì)人的健康造成危害。井噴事故發(fā)生時(shí)，硫化氫井會(huì)有大量的H2S氣體伴隨噴出，對(duì)周圍的人員和環(huán)境造成很大的影響，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，使用先進(jìn)的商業(yè)模擬軟件FLUENT進(jìn)行計(jì)算，可以對(duì)山區(qū)硫化氫井井噴擴(kuò)散狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，為山區(qū)硫化氫井提供安全措施和建議。

關(guān)鍵詞：硫化氫；風(fēng)險(xiǎn)；井噴；模擬分析

硫化氫具有毒性，一旦泄漏進(jìn)入大氣，其毒性的反應(yīng)從低濃度時(shí)難聞的氣味或刺激眼睛，直到在較高濃度時(shí)的嚴(yán)重中毒甚至死亡。其物理與化學(xué)特性為：

其相對(duì)密度為1.1906（空氣的相對(duì)密度為1），比空氣重，易積聚于低洼處；低濃度時(shí)具有臭雞蛋的惡臭氣味，稍高濃度（少量）時(shí)則具有令人嘔吐的甜味，高濃度時(shí)因迅速麻痹人的嗅覺神經(jīng)，使人喪失嗅覺，反而聞不到味道；當(dāng)與空氣相混，其體積濃度在4.3%至46%之間時(shí)，可形成易爆炸的混合氣體；可溶于水和油中，溶于水的硫化氫對(duì)鐵基金屬有較強(qiáng)的腐蝕性。在工作時(shí)最高允許接觸的濃度：10min內(nèi)不超過50ppm；濃度達(dá)100ppm時(shí)，能刺激眼睛、咽、喉，引起咳嗽；濃度達(dá)200ppm時(shí)，嗅覺失靈，眼睛咽喉有灼燒感；濃度達(dá)500ppm時(shí)，眩暈、喪失平衡呼吸困難；濃度達(dá)700ppm時(shí)失去知覺，可能導(dǎo)致停止呼吸；濃度達(dá)1000ppm時(shí)，立即失去知覺，造成死亡或永久性腦損傷神經(jīng)衰弱；濃度達(dá)2000ppm時(shí)，吸一口立即死亡。

井噴事故發(fā)生時(shí)，硫化氫井會(huì)有大量的硫化氫氣體伴隨噴出，對(duì)周圍的人員以及環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，山區(qū)硫化氫井井噴的氣體擴(kuò)散狀態(tài)和潛在的危險(xiǎn)難以進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此采用先進(jìn)軟件進(jìn)行的山區(qū)硫化氫井井噴的氣體擴(kuò)散狀態(tài)研究可以為硫化氫防護(hù)提供理論基礎(chǔ)。模擬計(jì)算中對(duì)山體、井場(chǎng)、房屋以及河流等均采取了一定的簡(jiǎn)化，參考調(diào)研實(shí)際情況建立井場(chǎng)區(qū)域地形模型，村莊隨機(jī)布置，大氣流動(dòng)條件認(rèn)為是穩(wěn)定的，模擬結(jié)果有利于預(yù)測(cè)各種井場(chǎng)地形條件下的硫化氫氣體漂移趨勢(shì)，并指導(dǎo)建立井噴事故時(shí)的應(yīng)急疏散策略。

1選用最新的模擬軟件進(jìn)行硫化氫井井噴模擬

井噴擴(kuò)散出的硫化氫以氣態(tài)形式存在，為了從宏觀的角度更好的掌握、控制其氣態(tài)流動(dòng)方向與擴(kuò)散濃度對(duì)周圍人員的危害性，及早做出安全防護(hù)措施建立極端井噴事故的模擬狀態(tài)。采用CFD流場(chǎng)計(jì)算軟件FLUENT進(jìn)行量化模擬分析，可以有效的模擬氣體擴(kuò)散狀態(tài)。

井噴硫化氫氣體擴(kuò)散模擬程序由以下幾個(gè)部分組成：

GAMBIT--用于建立山區(qū)地形硫化氫氣體擴(kuò)散幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。

FLUENT--用于進(jìn)行硫化氫氣體流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器。

prePDF--用于模擬PDF燃燒過程。

TGrid--用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。

Filters(Translators)-轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算。

可以接口的程序包括：ANSYS，I-DEAS，NASTRAN，PATRAN等。

利用FLUENT軟件進(jìn)行硫化氫氣體流動(dòng)的模擬計(jì)算流程如附圖1所示。

模擬計(jì)算過程：

利用GAMBIT可以對(duì)井場(chǎng)位于山腳下的平地上，一面靠山，四周有村莊的山區(qū)地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、邊界類型以及網(wǎng)格的生成，并輸出用于FLUENT求解器計(jì)算的格式；

然后利用FLUENT求解器對(duì)硫化氫氣體流動(dòng)進(jìn)行求解計(jì)算，對(duì)所有的硫化氫氣體流動(dòng)，都是解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。對(duì)于包括熱傳導(dǎo)或可壓性的流動(dòng)，需要解能量守恒的附加方程。對(duì)于包括組分混合和反應(yīng)的流動(dòng)，需要解組分守恒方程或者使用PDF模型來解混合分?jǐn)?shù)的守恒方程以及其方差。當(dāng)硫化氫氣體流動(dòng)是湍流時(shí)，還要解附加的輸運(yùn)方程。

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程：

進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。

在結(jié)果圖中顯示出來的硫化氫濃度范圍取值為300ppm，參考API RP 55（涉及硫化氫的石油與天然氣生產(chǎn)和天然氣處理裝置操作的推薦做法），考慮此濃度為能夠立即危害生命和健康的最低濃度。300ppm在此表示體積比濃度，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度為0.43g/m3。

2模型建立及計(jì)算結(jié)果圖

根據(jù)模擬硫化氫井的地理位置和地形地勢(shì)，采用三維有限元模擬分析軟件FLUENT建立了某硫化氫井的模擬模型（見圖2）以及實(shí)體渲染模型（見圖3）。

設(shè)定硫化氫井所在區(qū)域的風(fēng)向和風(fēng)速、井口泄漏速率。根據(jù)模擬分析可以得出井口擴(kuò)散的體積、放空口放噴擴(kuò)散體積。硫化氫擴(kuò)散模擬計(jì)算結(jié)果如下圖4和圖5所示。

2.1模擬結(jié)果分析

山區(qū)井場(chǎng)位于山腳下平地上，放空口處在山坡上，根據(jù)不同方向下的井口以及放空口井噴時(shí)硫化氫氣體的漂移擴(kuò)散模擬結(jié)果可以得出，硫化氫氣體朝著遠(yuǎn)離山區(qū)的平原區(qū)域擴(kuò)散的距離較長，影響范圍較大。

在極端不利的風(fēng)向條件下，擴(kuò)散硫化氫有可能擴(kuò)散過高度較低的山脊，影響到山坡后面，在此條件下，處于較高位置的放空口放空的潛在硫化氫影響較大。

在朝向井場(chǎng)所靠山體的風(fēng)向條件下（在此模型中為西南風(fēng)），沿山體邊緣的硫化氫擴(kuò)散比較顯著，需要給予足夠重視。

2.2.模擬結(jié)果分析建議

根據(jù)流體共同的性質(zhì)，氣體總是向著最方便的方向擴(kuò)散，所以當(dāng)在平地，并且周圍有村莊時(shí)，硫化氫將擴(kuò)散到整個(gè)井場(chǎng)范圍，嚴(yán)重威脅到村莊，而且其在各種風(fēng)向條件下的影響水平基本相同，從該點(diǎn)出發(fā)，本報(bào)告認(rèn)為，在這種狀態(tài)下，最好的辦法就是在開鉆前，將300米范圍內(nèi)的群眾遷移，避免過近的群眾沒有撤離時(shí)間。在這種情況下，建議在發(fā)生溢流時(shí)，就組織相關(guān)人員組成群眾疏散隊(duì)，一旦危險(xiǎn)事件有所發(fā)展，就出發(fā)進(jìn)行群眾通知與疏散工作。

3結(jié)論

山區(qū)硫化氫井井噴擴(kuò)散狀態(tài)模擬可以比較真實(shí)的反映山區(qū)硫化氫井噴的實(shí)際情況，模擬分析的結(jié)果可以為防止硫化氫對(duì)周圍居民造成危害提供安全措施和建議：

硫化氫擴(kuò)散是屬于流體動(dòng)力學(xué)研究的領(lǐng)域，屬于非線性科學(xué)的范疇，所以在對(duì)待硫化氫擴(kuò)散問題上，不能拘泥于固定的處理模式，應(yīng)當(dāng)根據(jù)地形、風(fēng)向以及放噴方向這三個(gè)主要的影響因素來考慮硫化氫擴(kuò)散的影響；

對(duì)于硫化氫井井噴擴(kuò)散的影響，不能僅僅考慮應(yīng)急時(shí)的處理，應(yīng)當(dāng)通過前期的布置，盡量減少硫化氫對(duì)周遍群眾的影響，所以放噴口的設(shè)置是十分重要的，應(yīng)當(dāng)利用地形布置放噴點(diǎn)，最好能夠?qū)⒎艊婞c(diǎn)設(shè)置在背離井場(chǎng)以及村莊的方向；

井噴是有先兆的，如果周遍有村莊，應(yīng)當(dāng)根據(jù)井噴前兆的狀態(tài)，及時(shí)建立通知小組，一旦發(fā)生危險(xiǎn)事件升級(jí)，就能夠及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制，爭(zhēng)取時(shí)間；

對(duì)于硫化氫井，最好能夠?qū)⒕畧?chǎng)以及放噴點(diǎn)周遍的群眾遷移至盡量遠(yuǎn)的區(qū)域，為通知群眾撤離爭(zhēng)取足夠的時(shí)間。

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