川东北高含硫气田井喷失控下气体扩散浓度研究

王志刚 刘大君 骆仕洪

（1．中国石化西南油气分公司石油工程监督中心2．中国石化西南油气分公司川东北采气厂）

川东北高含硫气田井喷失控下气体扩散浓度研究

王志刚1刘大君1骆仕洪2

（1．中国石化西南油气分公司石油工程监督中心2．中国石化西南油气分公司川东北采气厂）

应用高斯烟羽模型计算在井喷失控条件下天然气的扩散浓度，并通过典型高山地形烟流运行轨迹规律，对烟羽模型进行修正，得出山地井喷流扩散模型。选取合适的扩散模型各参数的求取方法，其测算的数据与现场有较好拟合，为高含硫气田井喷后的救援提供了参考数据。图2表2参10

高斯烟羽模型扩散模型扩散浓度井喷高山地形

0 引言

川东北地区蕴含着大量天然气藏，目前已发现的有普光气田、元坝气田及罗家寨气田、龙岗气田等，这些大型气田普遍含有H2S，给气藏的安全合理开发带来很大难度和挑战，特别是一旦发生井喷失控等灾难性事故，天然气扩散到大气环境中，H2S的毒性将对人员产生致命的危害[1]。在钻井过程中，除了加强施工过程安全监管力度外，还应该掌握井喷失控后有毒气体扩散致命危险区域。气体扩散过程在平原地区相对简单，而在山地区域较为复杂[2]。因此，研究川东北地区井喷失控后天然气的扩散规律，估测气体扩散分布的危险区范围，从而指导井喷失控事故应急情况下现场戒严、人员疏散、火源控制区域的确定,对于指导高含硫气田的勘探开发具有重要的意义。

1 天然气扩散模型选取及其修正

1.1 天然气扩散模型的选取

井喷失控下天然气扩散属于自由空间气体扩散。对于自由空间气体扩散，国外上世纪70、80年代早有研究，到目前为止提出了不少扩散计算模型[3-5]，其中高斯模型较为成熟，其计算结果与实验值能较好吻合，在国内外得到广泛应用[6-7]。

高斯模型包括烟羽模型和烟团模型，其中烟羽模型适用于连续点源的扩散，而烟团模型适用于瞬间泄漏的扩散。在开阔地面，气体在垂直地面方向扩散时会碰到大气层边界的一个稳定的逆流层，使得气体被反射回来，这样气体就被抑制在地面和逆温层之间，此种扩散称为封闭型扩散。失控井喷流因为其不可控制性,所以具有连续性,因此可视为烟羽扩散模型，封闭型烟羽扩散模型如下[8]：

而在实际应用中，最关心的是天然气在地面扩散浓度的变化情况，因此，将以上模型简化，即当z＝0时，地面扩散浓度模型简化为：

1.2 井喷失控下天然气扩散模型修正

川东北地区具有典型的山地地形特征，因此，必须在封闭烟羽扩散模型公式的基础上进行修正，即在扩散参数σyσz向不稳定方向提高一级。但高斯公式在理论上和物理意义上是烟流中心线，即烟轴与地面平行，没有考虑到烟流与起伏地面之间高度差的修正。目前国内外的一些山区大气扩散实验虽然已取得了一些数据，但远没有掌握其变化规律，由于每个山区都有它自身的地形和微气象特点，还不能应用于一般情况。

利用高斯公式进行扩散计算时，得出的是烟流轴线始终与起伏地面平行的结果。如果要利用高斯公式得出切合实际的计算结果，则必须对烟流轴线与起伏地面间的高度进行修正，即在公式中对泄露源高度乘上修正系数K'，K'值是一个与地形的高度、坡度、风速、大气稳定度有关的数据，本文选取其在文献［2］中认为拟合效果较好的计算公式：

则修正后的地面浓度扩散模型为：

2 井喷失控下天然气扩散浓度计算方法

2.1 扩散参数及有效源高度估算

气体扩散浓度分布式的应用，需要确定式中的扩散参数σxσyσz的值。扩散参数可以由现场测定，通过风洞模拟试验确定，或利用经验公式和图表进行估算。而作为一种扩散参数估算方法，本文采取的Pasquill～Gifford烟羽扩散参数曲线法是一种使用较多且实用的方法（图1、图2）[9]。

图1 下风距离与水平扩散参数的关系图

图2 下风距离与铅直扩散参数的关系图

图中不同的曲线反映了大气稳定度的影响，利用此图可以方便地确定出烟羽扩散模式的下风向距离泄漏源x km处的水平和垂直扩散参数σyσz值。P-G扩散曲线法使用的大气稳定度分为6级，从A至F。A为极不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，D为中性，E为弱稳定，F为稳定。泄漏扩散时的大气稳定度级别可根据当时的地面风速、太阳辐射和云量云状来确定，具体的划分如表1、表2所示，本文引用了改进的P-T方法，使扩散参数的大气稳定度更趋于精确[2]。

表1 太阳辐射等级

表2 大气稳定度的等级

扩散有效源参数H主要为排放口的有效高度和烟流抬升高度之和，烟流抬升高度是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度[10]。

由于烟流抬升受诸多因素的相互影响，因此烟流抬升高度∆h的计算尚无统一的理想结果。本文选取霍兰德（Holland）公式：

2.2 喷出口速度的测算

井喷失控井筒内流道及出口几何特征可能十分复杂，现场实际井筒流道会出现在井筒内无管柱的空井、井筒内有管柱但管柱堵塞(如装有单流阀)、井筒内有管柱(未堵)3种情况，本文只讨论空井情况下的单一管流模式。周开吉等将井喷失控后井筒内视为短管模型[1]。即将喷井井筒视为一喷管，在求出喷井绝对无阻流量（qsc）后，以该流量计算喷流压耗，以喷层能量(地层压力)与压耗之差作为短管内压力，并近似认为喷流通过“短管“的流动为一元等熵流动。根据此短管模型可以计算出喷出口速度（V0）

2.3 产量参数获取

井喷失控前在钻井、完井过程中，通过地质录井、测井、钻井液性能及随钻监测方法可以初步获得喷层厚度、渗透率、孔隙率、地层压力等数据。在同一区块的井还可以通过邻井试采资料取得相关数据。因此，井喷失控后可以利用这些数据，通过气井绝对无阻流量假设在当前地层压力条件下的二项式方程估算喷流的体积流量。

2.4 实例计算

假设某高含硫气井位于川东北某山区，井深5000 m，地层压力111 MPa，地层温度150℃，无阻流量402×104m3/d，天然气比重0.57，气体偏差系数z为1.8225，气体常数R为8.309 J/mol·K,气体绝热常数1.3.套管直径193.7 mm。大气稳定度等级为C级情况下，离井口500 m处的50 m高山地处的天然气扩散浓度C＝205 mg/m3,按照井筒天然气中H2S浓度为10%计算,该处H2S扩散浓度为20.5 mg/m3。

3 结论

（1）引用了井筒短管模型计算喷口速度方法,可以计算井口上空的速度、温度、浓度分布规律，为井口应急救援提供基础数据。

（2）应用高斯烟羽模型，并利用山区烟流气象原理对高斯模型实施修正，借助P-G扩散参数曲线可以预测山区井喷失控后有毒气体泄露扩散浓度分布情况。其预测结果可以用于川东北地区含硫气井现场处置过程中应急人员划定警戒区域、火源控制范围、人员疏散范围的参考依据。

符号说明

qsc—标准状况下喷层体积流量，m3/d；

K—喷层渗透率，mD；

K0—气体绝热常数；

h—喷层厚度，m；

T—喷层温度，℃；

T0—喷口温度，℃；

Ta—环境温度，℃；

Pp—喷层压力，MPa；

Psc—喷口环境压力，MPa；

Z—气体偏差因子；

re—喷层供给半径，m；

rw—井筒半径，m；

μ—气体黏度；

γg—气体密度，kg/m3；

β—速度系数，m－1；

P0—喷出口处压力，MPa；

x，y，z—下风向距离,横风向距离,距地面高度；

C—气体或污染物扩散浓度（以百分数表示的体积分数）；

σxσyσz—x、y、z方向上的扩散系数；

u—x方向上的风流速度，m／s；

H—泄露有效源高度，m；

K'—模型山地修正系数；

h'（x,y）—x，y处地形高度，m。

1周开吉，刘昕，郭昭学，等.井喷失控井喷流出口速度预测方法研究.天然气工业.2006，26（5）：71-73.

2王继民，于春海.山区地形大气扩散规律研究探讨.内蒙古环境与科学.2007,19（3）：20-22.

3Ermak D L,Chan S T,Morgan D L,et al.A comparison of dense-gas dispersion model simulations wit h Burro series LNG spill test results[J].Hazardous Materials,1982,76(6): 126-1601.

4Chan S T,Ermak D L,Morris L K.FEM3 model simulations of selected Thorney Island Phase I t rials[J]1 Hazardous Materials,1987,16（3）:267-2921.

5邱奎,庞晓虹,刘定东.高含硫天然气井喷的扩散范围估计与防范对策[J].石油天然气学报.2008，30（2）：114-116.

6丁信伟；王淑兰；徐国庆.可燃及毒性气体泄漏扩散研究综述[J].化学工业与工程,1999,16（2）：118-122.

7肖建明，陈国华，张瑞华.高斯烟羽模型扩散面积的算法研计、现场操作、生产运行和安全管理等方面进行设计审查，查找设计中的缺陷和问题，避免给后期站场生产运行带来困难及隐患。

参考文献

1王剑，李丽,曹杰.阿姆河第一天然气处理厂防冻保温措施及运行管理探讨[J].石油与天然气化工,2011，40（增刊）: 22-23.

2陈江萌，樊志强,丁熙等.气田冬季地面采气管线堵塞分析与解决办法[J].石油化工应用，2014，33（3）:113-116.

3丁乙，刘骁.长输天然气管道冬季冻堵防治实例[J].油气储运，2012,31（4）:318-319.

4姜云，张鹏，周厚安等.温黄气田冬季生产水合物堵塞原因分析及防治对策[J].石油与天然气化工，2010，39（4）: 335-338.

5袁运栋，徐烈.中哈原油管道冬季运行问题分析[J].油气储运，2009，28（5）:66-68.

（修改回稿日期2015-08-08编辑景岷雪）

王志刚，男，1978年出生，工程师；2002年毕业于西南石油学院，目前主要从事油气田应急救援方向工作。地址：（618000）四川省德阳市旌阳区泰山南路一段398号监督中心。电话：18583377813。E-mail：39483965@qq.com