井口天然氣泄漏擴散危險區域的分析

張志華 肖軍詩 李修峰(.中海石油(中國)有限公司蓬勃作業公司，天津 300459；

2.中海油安全技術服務有限公司，天津 300450)

0 引言

可燃氣體泄漏形成的可燃氣云燃爆由于破壞性大，容易造成悲劇性后果，受到國內外學者的廣泛關注。多數學者對井噴事故后果研究集中于淺海常規油氣田的開采[1-4]，我國深海油氣鉆井的裝備和技術不斷發展，分析預測天然氣鉆采過程中井噴泄漏后天然氣可燃氣云擴散規律及危險區域分布，可為優化平臺設備布局和優化可燃氣體探測器布置提供參考。

1 鉆井平臺數值仿真模型

1.1 鉆井平臺建立及網格劃分

以某鉆井平臺的基本外形尺寸為基礎進行三維平臺外形幾何模型的建立，建立的鉆井平臺三維模型如圖1 所示，平臺總長117m，船寬92.7m，主甲板高36.3m。三維建模時，只建立平臺主要結構和設備，包括鉆井平臺主甲板、鉆臺、生活區、吊車、直升機甲板等。用Gambit 進行前處理時，采用較大的模擬計算空間X400m、Y200m、Z300m。由于平臺外形結構復雜，網格劃分時采用三角形網格，并對泄漏口附近進行網格加密，計算區域外輪廓采用四邊形網格，整個內部空間采用四面體網格。最終劃分出的非結構體網格如圖2 所示，網格數5×106。

圖1 “CIMC Bluewhale I”鉆井平臺模型

1.2 模型邊界條件設置

數值求解時，假設通過計算域頂部和兩側邊界的流體變量梯度為零，計算域頂部和兩側邊界采用對稱邊界條件；井口采用質量入口邊界條件。

圖2 計算域網格模型

2 泄漏氣體擴散規律分析

井口泄漏天然氣主要成分為甲烷，其體積分數為99.6%，井口溫度為26℃，大氣溫度為27℃，空氣相對濕度為60%。分析5.5m/s 風速、SE 和NE 方向來風條件下的天然氣噴射擴散情況。根據天然氣試采設計預測，試采天然氣量1000～10000m3/d(0.7～7m3/min)。參考該試采作業產氣量及鄰近區域氣井產量，選取7m3/min、70m3/min、350m3/min、700m3/min 四個不同等級井口泄漏天然氣流量來分析泄漏天然氣在該鉆井平臺的擴散過程。

2.1 天然氣擴散過程分析

以700m3/min 井口泄漏天然氣流量為例進行分析。井口泄漏后天然氣從井口高速噴出，在來風作用下與周圍空氣逐漸混合，慢慢向大氣中擴散，最終形成穩定的氣體噴射流。將可燃氣體探測器一級報警值(可燃氣體爆炸下限20%)天然氣1%濃度等值面定義為氣體的空間范圍。受井口高壓力影響，井口泄漏開始后天然氣迅速向鉆臺上部發展，0～40s，天然氣擴散范圍隨時間迅速增大。井口泄漏初期，高速流出的天然氣受井口影響大于風速影響，天然氣向下風向偏斜不大。隨著距離井口增大，天然氣擴散速度下降，來風對天然氣影響越來越大，天然氣在船體橫向方向擴散距離和向下風向的偏斜角度不斷增大。受井架等結構影響，主甲板區域形成不同程度的回旋渦流區。但由于天然氣高速噴出向上部方向發展，主甲板上部大部分模塊對天然氣擴散的影響并不大。隨著泄漏的持續，氣云發展趨于穩定，80s 后其分布區域達到動態穩定值。

2.2 天然氣危險區域分析

天然氣爆炸極限范圍為5.0%～15.0%，將此濃度范圍的區域作為擴散天然氣的危險區域。

鉆臺區域穩定狀態下的井口泄漏射流在來風作用下向下風方向偏斜，射流截面近似橢圓形。穩定狀態下，天然氣爆炸氣云空間分布體積為517.81m3，其在平臺橫向、平臺縱向及垂直方向分布范圍分別為23.43m、17.24m、51.56m。表1 為相應的天然氣危險區域范圍統計。

表1 穩定狀態下天然氣危險區域范圍

圖3 為SE 風向來風作用下5%濃度天然氣范圍。受井口高壓作用，可燃氣云主要分布在井口上方井架附近，來風對氣體運動的影響作用小于井口高壓。SE 來風作用下可燃氣云分布偏近生活區，一旦被點燃發生燃爆，生活區受到的高溫、熱輻射作用更加強烈。圖4 為井口泄漏溢流7m3/min 流量泄漏時1%濃度天然氣分布，此工況下天然氣泄漏量較小，不會聚集形成可燃氣云。1%濃度氣云分布在井口周圍較小范圍，不會產生探測器報警。

圖3 SE方向風向來風作用下5%濃度天然氣范圍

圖4 溢流7m3/min流量1%濃度天然氣分布

井口天然氣在不同泄漏流量下穩定可燃氣云分布，流量越大，井口泄漏后井口壓力對氣體運動影響越大，反之來風對氣體運動過程影響較大。流量為700m3/min 時，水平方向可燃氣云分布范圍分別為18.43m 和20.87m，垂直方向為59.29m；流量350m3/min 時，水平方向可燃氣云分布范圍分別為22.65m和21.78m，垂直方向上為39.18m；流量70m3/min 時，水平方向可燃氣云分布范圍分別為12.22m 和24.11m，垂直方向上為17.0m。表2 為不同泄漏流量下，井口泄漏天然氣擴散在各方向上的分布。

表2 不同泄漏流量下井口泄漏天然氣擴散云分布

3 結語

根據平臺作業環境條件，設置邊界條件，模擬作業環境風場。風速5.5m/s 為主要風速、SE 和NE 風向為主要風向。垂直方向上風速隨高度增加呈現層狀風速帶，水平方向受平臺設備影響風場分布復雜多變，設備密集處形成低風速渦流區及回旋渦流區。泄漏氣體易于此類區域聚集，布置可燃氣體探頭時應著重考慮此類區域。

以井口泄漏天然氣流量700m3/min 為例分析井口泄漏天然氣擴散過程。井口泄漏初期，井口高壓作用下天然氣主要向上部空間發展，并與空氣混合。距離井口較遠區域，來風對天然氣影響作用增大，逐漸向下風向偏斜并形成穩定氣云。不同等級井口泄漏天然氣泄漏流量下穩定可燃氣云分布，流量越大，井口泄漏后井口對氣體運動影響越大，反之來風對氣體運動過程影響較大。

泄漏天然氣形成的可燃氣云主要分布在井口上方井架附近，水平方向最遠擴散距離為23.43m。在此半徑范圍內，可重點布置可燃氣體探測器，并重點控制，防止點火源的出現。同時設置風機，有助于可燃氣氣體擴散稀釋。