煤层气田集输系统放空影响范围研究

张哲 王春燕 巴玺立 王天明

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国寰球工程公司）

与常规天然气田相比，煤层气田具有单井产量低、井口压力低、采出气组分简单、井数多、采气管道多等特点。目前，煤层气田集输系统防火间距遵循GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》中常规天然气田的相关规定，防火间距偏大，存在集气场站选址困难、占地面积大及浪费土地资源等问题。因此，开展煤层气田集输系统放空影响范围研究，通过计算煤层气田集输系统不同放空条件下的影响后果，进而得出煤层气放空后果的最大可能影响范围，以期为煤层气田集输系统防火间距的设计提供有价值的参考。

本文重点研究地面钻井开采的煤层气，不包括井下抽放的瓦斯气和废弃矿井开采的煤层气。

1 煤层气火灾危险性分析

地面钻井开采的煤层气绝大多数甲烷含量均高于95%，并含有少量的氮气和二氧化碳，基本不含重烃和硫化氢。其火灾危险性为甲B类，危险性主要为易燃性、易爆性、窒息性、易扩散性等。甲烷的爆炸极限范围为5.0%～15.0%（体积），爆炸下限较低，泄漏到大气中能形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧、爆炸。因此，煤层气田集输系统放空可能产生的不良后果：一是，可燃气体云团遇火源燃烧，热辐射对周边人员和设施造成损害；二是，可爆气体云团遇火源发生爆炸，爆炸超压对周边人员和设施造成损害。

2 放空影响范围模拟计算

煤层气田集输系统放空后果影响范围的关键因素包括放空速率、风速和大气稳定度，放空温度、大气温度、大气压力及空气相对湿度等因素对其影响较小。

2.1 计算软件及模型

挪威船级社（DNV）开发的安全评估软件PHAST被广泛应用于国内外石油天然气行业的安全评价和环境评价。采用该软件进行煤层气放空后果计算，分别建立不同放空速率、不同环境因素下的放空模型、喷射火热辐射模型和爆炸模型。

2.2 主要工艺参数取值

2.2.1 放空速率

煤层气田集输系统放空分为井场和站场2类。根据煤层气田地面常规井场和站场的水容积估算，井场放空速率范围为83～4 167m3/h，站场放空速率范围为4 167～20 000m3/h。由于放空速率越大，对其后果的影响越大，因此，为使研究成果覆盖更广的实际工况，放空速率取5×104m3/h计算。

2.2.2 其他工艺参数

放空气体组分：煤层气的组分以甲烷为主，对比了纯甲烷与管道气放空后热辐射和爆炸影响范围，计算结果相差不大，因此，本研究按照纯甲烷进行计算。

初始放空压力：根据煤层气田集输系统生产现状，井场初始放空压力取0.4MPa，站场初始放空压力取1.6MPa。

放空立管高度：15m。

放空温度：取常温20℃。

2.3 环境因素影响分析

考虑到环境因素对放空后果影响范围的影响程度，重点分析大气稳定度和风速2项因素的影响。

2.3.1 大气稳定度

我国现有法规中推荐的“修订帕斯奎尔分类法”，将大气稳定度分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级，分别表示为A、B、C、D、E、F，具体等级划分见表1。

表1 大气稳定度等级*

2.3.1.1 可燃气体扩散范围

在煤层气泄放后果研究中，通常选择空气中甲烷浓度2.5%（爆炸下限的一半）为扩散云团边界。当放空速率为 5×104m3/h、风速为 2.0m/s时，不同大气稳定度条件下，煤层气中甲烷浓度2.5%的扩散范围见图1。

由图1可以看出，以放空管口为中心线，扩散云团大部分位于放空管口的下风向，上风向仅存在体积较小的云团。大气稳定度从A到F的变化过程中，形成的扩散云团体积逐渐增大，也就是说，大气条件越稳定，越不利于煤层气扩散，影响范围越大，但是，云团体积的增幅较小。取不同风速条件计算，大气稳定度对可燃气体扩散范围的影响均符合上述规律。

图1 不同大气稳定度下可燃气体扩散云团侧视范围

2.3.1.2 闪火范围

可燃气体扩散范围计算中，甲烷浓度 2.5%～5.0%为其闪火范围，不会发生爆炸。当放空速率为5×104m3/h、风速为 2.0m/s时，不同大气稳定度条件下，闪火范围计算结果见图2。

图2 不同大气稳定度下闪火范围

图2中，同一大气稳定度下，两点之间的距离为其闪火范围。可以看出，闪火范围的变化与可燃气体扩散范围的变化一致，即，随着大气稳定度从A变化到F，闪火范围逐渐增加，但是，增幅较小。不同风速条件下，闪火范围随大气稳定度的变化均呈现上述规律。

2.3.1.3 喷射火热辐射范围

煤层气点火放空时，会引起喷射火热辐射影响，当热辐射强度为 4.0kW/m2时，人员死亡率为0；当热辐射强度为12.5kW/m2时，死亡率为6.53%；当热辐射强度为37.5kW/m2时，死亡率为98.74%。不同热辐射强度下产生的后果见表2。根据GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》，火炬设计允许热辐射强度见表3。

当放空速率为5×104m3/h、风速为 2.0m/s时，不同大气稳定度条件下，喷射火热辐射范围见图3。

表2 不同热辐射强度产生的后果

表3 火炬设计允许热辐射强度（未计太阳热辐射）

图3 不同大气稳定度下喷射火热辐射范围

由图 3可以看出，大气稳定度取A～F的不同工况下，喷射火热辐射曲线吻合。因此，大气稳定度对喷射火热辐射基本没有影响。

2.3.1.4 云团爆炸边界

爆炸超压是指爆炸产生冲击波的压力与大气压之间的压力差，爆炸超压对人的伤害程度见表4。

表4 爆炸超压对人的伤害程度

利用软件对煤层气放空形成的扩散云团发生爆炸的条件进行研究。计算结果表明，在软点火（给定点火源）的条件下，大气稳定度对云团爆炸边界有一定的影响，不同大气稳定度可引起爆炸的放空速率见表5。

表5 大气稳定度对可燃气体云团爆炸边界的影响

由表5可以看出，大气越稳定，可燃气体扩散云团发生爆炸的放空速率越低，即，引起爆炸的可能性越大。计算条件下，可引起云团爆炸的放空速率边界值为22×104～42×104m3/h。

2.3.2 风速

研究当放空速率为 5×104m3/h、大气稳定度为D、风速为 1.5～20.0m/s时放空后果影响范围的变化情况。

2.3.2.1 可燃气体扩散范围

不同风速条件下，可燃气体扩散范围计算结果见图4，图中云团边界甲烷浓度为2.5%。

图4 不同风速下可燃气体扩散云团侧视范围

图4中，随着风速从1.5m/s增加到20.0m/s，可燃气体扩散云团的形状发生了较大的变化，云团整体沿下风向拉长、厚度减少，但是，云团体积变化不大。

2.3.2.2 闪火范围

风速15.0m/s相当于7～8级大风，风速2.0m/s相当于2级微风，分别为陆上较为常见的风力较强和较弱的情况。因此，选取风速 15.0m/s和 2.0m/s作为闪火范围的研究条件。2种风速条件下的闪火范围计算结果见图5。

图 5中，2条线段之间的区域表示不同风速下的闪火范围。可以看出，风速对闪火范围有较大影响，随着风速的增大，闪火范围最远波及距离增大，由2.0m/s时的4.6m增加至15.0m/s时的7.7m，同时，闪火覆盖区域面积增加。

图5 不同风速下闪火范围

2.3.2.3 喷射火热辐射范围

不同风速条件下，煤层气点火放空时的喷射火热辐射范围变化情况见图6。

图6 不同风速下喷射火热辐射范围

由图 6可以看出，随着风速从 1.5m/s增大到20.0m/s，沿着下风向，喷射火热辐射强度最大值和辐射影响距离均逐渐增加，且增幅逐渐增大。因此，风速对喷射火热辐射的影响较为显著。

2.4 不同放空速率影响后果计算

2.4.1 扩散影响范围

典型的煤层气放空形成的可燃气体扩散云团侧视范围见图7、图8。图7中，黄色区域为甲烷浓度＞15.0%的范围；粉色区域为 5.0%＜甲烷浓度＜15.0%的范围，在此范围内，遇到点火源云团会发生爆炸；青色区域为2.5%＜甲烷浓度＜5.0%的范围，在此范围内，遇到点火源云团会发生闪火，但是，不会发生爆炸。图8中，红色区域甲烷浓度为5.0%，蓝色区域甲烷浓度为100×10-6，橙色区域甲烷浓度为50×10-6，紫色区域甲烷浓度为49×10-6。

图7 可燃气体扩散云团侧视范围-A

图8 可燃气体扩散云团侧视范围-B

由图 7、图 8可以看出，煤层气放空时，可燃气体出放空管口先向上冲，然后，沿着下风向逐渐扩散，形成羽毛状区域。直至距离放空管口水平距离约2 990m处，放空气体仍未出现向下，即，向地面飘散的情况。

选取陆上常见的大气稳定度等级 D及风速15m/s的气象条件，对不同放空速率下煤层气集输系统放空扩散影响范围进行研究。煤层气井场的计算结果见图9，煤层气站场的计算结果见图10。

图9 不同放空速率下煤层气扩散影响范围（井场）

图10 不同放空速率下煤层气扩散影响范围（站场）

由图9、图10可以看出，煤层气放空的可燃气体扩散范围与放空速率有关，随着放空速率的增加，煤层气扩散范围逐渐增大。对于井场来说，放空速率从83m3/h增加至4 167m3/h，甲烷浓度5.0%的扩散范围从0.11m增加至0.76m，甲烷浓度2.5%的扩散范围从 0.28m增加至 1.84m；对于站场来说，放空速率从 4 167m3/h增加至 20 833m3/h，甲烷浓度5.0%的扩散范围从 0.76m增加至 1.62m，甲烷浓度2.5%的扩散范围从1.84m增加至4.04m。

因此，不点火放空时，地面水平方向上，煤层气井场甲烷浓度 5.0%的扩散距离约 1m，甲烷浓度2.5%的扩散距离约 2m；煤层气站场甲烷浓度 5.0%的扩散距离约2m，甲烷浓度2.5%的扩散距离约4m。

2.4.2 喷射火热辐射影响范围

典型的煤层气放空喷射火热辐射影响范围见图11。由图11可以看出，在放空立管下风向，随着距离的增加，地面热辐射强度曲线呈拱形，具有先增加再减少的抛物线特性。

图11 放空速率4 167m3·h-1时喷射火热辐射影响范围

不同放空速率下，煤层气井场点火放空的喷射火热辐射影响范围见图12，煤层气站场点火放空的喷射火热辐射影响范围见图13。

图12 不同放空速率下热辐射影响范围（井场）

图13 不同放空速率下热辐射影响范围（站场）

由图 12、图 13可以看出，喷射火热辐射范围与放空速率有关，放空速率越大，喷射火热辐射影响范围越大。对于井场来说，放空速率≤4 167m3/h，热辐射强度最高值为1.46kW/m2；对于站场来说，4 510m3/h≤放空速率≤16 900m3/h时，1.58kW/m2≤最大热辐射强度≤4.00kW/m2，1.58kW/m2热辐射强度影响范围从约 7m增加至约 31m；当放空速率＞16 900m3/h时，最大热辐射强度超过4.00kW/m2，当放空速率为20 833m3/h时，最大热辐射强度达到了4.54kW/m2，1.58kW/m2热辐射强度影响范围增加至约 36m。但是，随着放空速率的增大，喷射火最大热辐射强度影响范围变化不大，约为6～11m。因此，点火放空时，煤层气井场的热辐射强度均不超过1.58kW/m2，煤层气站场的热辐射强度均小于4.73kW/m2。

3 结论

一是，放空速率是影响煤层气放空后果的关键因素。环境因素中，风速对煤层气放空后果的影响大于大气稳定度。

二是，大气稳定度对可燃气体扩散范围、闪火范围和喷射火热辐射范围的影响不大，对煤层气超压爆炸边界的影响较为明显。但是，在我国目前煤层气集输系统工况条件下，煤层气集输系统放空基本上不会引起超压爆炸。

三是，风速对闪火范围和喷射火热辐射范围的影响较显著，风速越大，闪火范围和热辐射范围越大，且强度增加。风速对可燃气体扩散范围有一定程度的影响，主要体现在云团形状的不规则变化，但是，整个云团体积变化相对较小。

四是，同等放空条件下，煤层气点火放空的影响范围远大于不点火放空。不点火放空对集输系统选址、布局和安全间距的影响和优化需进一步研究。

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