高含硫氣井硫化氫泄露擴(kuò)散模擬和應(yīng)急處置

李 環(huán) 楊 威 郭曉曉 冉光建

（重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，中國 重慶 401331）

0 引言

石油天然氣是我國現(xiàn)階段能源體系的重要組成部分，其中天然氣是新興的清潔能源，其產(chǎn)物為二氧化碳和水，因此在近年受到政府的大力支持和人們的喜愛，天然氣的需要量逐年增加。在天然氣的開采過程中，高含硫氣田的風(fēng)險(xiǎn)最大，我國高含硫氣田在總探明儲(chǔ)量的四分之一，主要是分布在四川盆地。硫化氫的具毒性是高含硫氣田的主要風(fēng)險(xiǎn)，硫化氫的危險(xiǎn)濃度臨界濃度很低，僅為100ppm，因此一旦高含硫發(fā)生井噴事故，大量的硫化會(huì)隨著井內(nèi)流體，以高壓向外噴出，在空氣中擴(kuò)散，能造成非常嚴(yán)重的后果。震驚世界的重慶開縣12.23井噴事故造成大量的人員傷亡主要原因就是因?yàn)榫畤姇r(shí)伴隨著大量硫化氫的擴(kuò)散。高含硫氣井井噴硫化氫氣體擴(kuò)散有著混合氣體擴(kuò)散、重氣擴(kuò)散等特點(diǎn)，考慮利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD)的方法，利用FLUENT軟件進(jìn)行模擬，探索其擴(kuò)散的特點(diǎn)，建立應(yīng)急處置機(jī)制，對(duì)減輕事故后果有著重要的作用。

1 CFD數(shù)值模擬概述

CFD數(shù)值主要是以能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程等基本守恒方程為計(jì)算基礎(chǔ)，再結(jié)合環(huán)境因素、工況因素等初始條件和約束條件，連續(xù)計(jì)算出這些守恒方程來描述所研究的流體的流動(dòng)特點(diǎn)。計(jì)算流體力學(xué)方法具有高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)，模擬流體的流動(dòng)特性可以不受環(huán)境的印象，因此廣泛的應(yīng)用在氣體的擴(kuò)散模擬中。

FLUENT軟件是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛、理論最貼近實(shí)際的CFD軟件。其最大的優(yōu)勢(shì)和亮點(diǎn)是其具有獨(dú)一無二的網(wǎng)格生成技術(shù)，這對(duì)氣體擴(kuò)散的模擬有著重要的作用，其生成的網(wǎng)格還具備很強(qiáng)的適應(yīng)性，能做到在一次氣體擴(kuò)散模擬后，對(duì)已經(jīng)生成好的網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化，從而提高可操作性和準(zhǔn)確性，減少對(duì)計(jì)算機(jī)的要求。FLUENT還具備三維模擬的功能，能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形地貌的環(huán)境的氣體擴(kuò)散的模擬。

2 數(shù)值模擬和結(jié)果分析

2.1 井場(chǎng)井噴條件簡化

高含硫氣井井噴氣體擴(kuò)散相關(guān)條件很多，數(shù)值運(yùn)算非常復(fù)雜。為了對(duì)高含硫氣井井噴硫化氫泄漏擴(kuò)散的模擬，考慮在盡量減小對(duì)模擬結(jié)果影響前提下，對(duì)井場(chǎng)環(huán)境條件、工藝條件作出如下假設(shè)：

（1）井口橫截面積固定，即在氣井井噴時(shí)，硫化氫的泄漏面積不會(huì)隨著泄漏時(shí)間的變化而變化；

（2）硫化氫泄漏擴(kuò)散模擬時(shí)所涉及的氣體均可看作理想氣體；

（3）井內(nèi)氣體、擴(kuò)散出的氣體和空氣相互間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

（4）泄漏擴(kuò)散過程中，泄漏氣體與外界無熱交換；

（5）井噴發(fā)生時(shí)，氣候環(huán)境和井場(chǎng)環(huán)境穩(wěn)定，風(fēng)速、風(fēng)向恒定，不受地點(diǎn)、高度的影響。

2.2 硫化氫泄漏擴(kuò)散守恒方程

計(jì)算流體力學(xué)硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬主要以三大基本守恒方程為基礎(chǔ)，其表達(dá)形式如下：

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：ρ-密度；u-速度；t-時(shí)間；p-靜壓；τ-應(yīng)力張量；h-焓；k-有效導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 區(qū)域模型確定

利用FLUENT軟件對(duì)四川元壩氣田某高含硫氣井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域建模，計(jì)算區(qū)域?yàn)橐跃跒閳A點(diǎn)的400m范圍內(nèi)，網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，由于網(wǎng)格劃分越均勻就越有利于計(jì)算結(jié)果的收斂，因此本文采用均勻的網(wǎng)格劃分對(duì)井場(chǎng)及周邊進(jìn)行幾何建模。網(wǎng)格劃分越細(xì)就越有利于結(jié)果的準(zhǔn)確的，但是這就增加了計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，因此本文劃分的網(wǎng)格為

2.4 邊界條件和初始條件的設(shè)定

通過對(duì)元壩氣體某高含硫氣井現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)相鄰氣井的地質(zhì)資料得出硫化氫含量最高是在長興組儲(chǔ)層其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為85.13%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)約為1.09%，硫化氫體積分?jǐn)?shù)為13.78%，在實(shí)際模擬中只考慮甲烷和天然氣這兩種氣體進(jìn)行模擬。該氣井鉆到設(shè)計(jì)井深時(shí)的地層孔隙壓力為73.48MPa，井垂深6680m，斜深7791m。因此可以計(jì)算出井噴時(shí)流體速度為18m%。

根據(jù)氣井井噴氣體擴(kuò)散模擬的5個(gè)基本假設(shè)可以設(shè)定泄漏擴(kuò)散模擬的初始條件：

（1）自由邊界的設(shè)定：除了流入面以外的其他面，因?yàn)榄h(huán)境溫度始終保持恒定，因此可以將氣體假設(shè)為理想氣體，即向無窮遠(yuǎn)處自由擴(kuò)散的條件下，按自由邊界處理，法相速度為0；

（2）井口邊界條件：氣井井噴時(shí)的井口即為泄漏點(diǎn)，由于設(shè)定了自由邊界，因此將井口設(shè)為壓力入口；

（3）速度和壓力修正：計(jì)算工程中可以通過計(jì)算結(jié)果的收斂性來判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.5 模擬結(jié)果和分析

由于元壩地區(qū)常年風(fēng)速為0.5m/s，該風(fēng)速下硫化氫泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬，分別得出在井噴后600s時(shí)的模擬結(jié)果，如圖1所示。

圖1 0.5m/s下600s時(shí)的H2S泄漏擴(kuò)散范圍

可以看出在微風(fēng)情況下，當(dāng)井噴持續(xù)發(fā)生，硫化氫會(huì)在低洼處聚集，而且在空氣中擴(kuò)散非常緩慢。由于硫化氫致死濃度在375mg/m3時(shí)就可能導(dǎo)致人員的死亡，圖中有亮點(diǎn)的區(qū)域均為致死區(qū)域。

該地域常年最大風(fēng)速約為2m/s，該風(fēng)速下硫化氫泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬，分別得出在井噴后600s時(shí)的模擬結(jié)果，如圖所示（圖2）。

圖2 2m/s下600s時(shí)H2S泄漏擴(kuò)散范圍

從圖2可以看出風(fēng)速的增加有利于硫化氫的擴(kuò)散，硫化氫在空間擴(kuò)散的范圍更廣，只要井噴持續(xù)，硫化氫的危害范圍甚至分布在空間的上部。通過對(duì)這兩種風(fēng)速情況下硫化氫泄漏擴(kuò)散模擬發(fā)現(xiàn)高含硫氣井硫化氫泄漏擴(kuò)散可能造成的風(fēng)險(xiǎn)巨大。

3 高含硫氣井井噴應(yīng)急建議

由于硫化氫安全臨界濃度非常低（30mg/m3），在井噴發(fā)生很短時(shí)間內(nèi)就可能對(duì)周邊產(chǎn)生巨大的危害，因此鉆井隊(duì)和相關(guān)但對(duì)應(yīng)當(dāng)更加重視一級(jí)井控、二級(jí)井控，防止發(fā)生井噴。在正常生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)實(shí)施監(jiān)控井口和泥漿池的硫化氫含量，一旦發(fā)現(xiàn)有硫化氫，應(yīng)當(dāng)及時(shí)報(bào)警，并采取措施。井場(chǎng)配備具有多的空氣呼吸器等應(yīng)急物資，一旦發(fā)生井噴失控，立即向政府報(bào)告，并組織周邊居民疏散，井場(chǎng)除搶險(xiǎn)人員外，其他員工和相關(guān)人員應(yīng)同生活區(qū)有關(guān)人員立即組織撤離。搶險(xiǎn)人員必須佩帶空氣呼吸器。建議在日常工作中加強(qiáng)對(duì)井隊(duì)人員和相關(guān)方人員進(jìn)行應(yīng)急，提高應(yīng)急撤離速度，組織周邊居民進(jìn)行疏散演練，做到在最短時(shí)間內(nèi)撤離。

［1］朱紅萍,羅艾民,李潤求.重氣泄漏擴(kuò)散事故后果評(píng)估系統(tǒng)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,05:119-124.

［2］黃琴,蔣軍成.重氣泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬驗(yàn)證[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008,01:50-55+179.

［3］田野.三高氣田硫化氫泄漏擴(kuò)散模擬及分級(jí)預(yù)警研究[D].中國石油大學(xué),2011.

［4］李振林,姚孝庭,張永學(xué),劉春風(fēng).基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散模擬[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2008,05:38-41+65+70-71.

［5］朱淵,陳國明.高含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散過程CFD建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,20:6613-6616.