海洋平台井喷含硫天然气扩散危险区域研究

杨冬冬，陈国明，师吉浩

(中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580)

0 引言

酸性气田开采过程中井喷失控后，泄漏的天然气和硫化氢气体容易在平台聚集，可形成天然气高浓度燃爆区域以及硫化氢高浓度毒害区域，易造成重大的人员伤亡和财产损失。2010年，在美国墨西哥湾作业的“深水地平线”[1]钻井平台发生严重井喷，并引起剧烈爆炸，造成11人死亡，17人失踪，大量原油泄漏；1980年，阿拉伯海湾某钻井平台发生硫化氢泄漏事故，造成19人死亡；2007年墨西哥湾Kab121油井发生含硫天然气及原油泄漏，在火灾及中毒双重灾害影响下，造成21人死亡。因此，掌握井喷后硫化氢与天然气的扩散规律及安全区域的分布情况，对事故后应急救援的决策具有很好的指导价值。

目前，国内外学者[2-8]主要采用计算流体力学(CFD)研究海洋平台气体扩散问题。朱渊等[9]对海洋平台舱室内不同通风条件下硫化氢扩散过程进行了分析，推荐平台封闭舱室中安装换气机，并对换气机的效率进行了分析；Savvides等[10]基于CFD对海洋平台上部模块高压天然气的泄漏扩散规律进行了研究，并根据大尺度试验验证了CFD方法的可靠性；刘康等[11]建立了FPSO关键系统泄漏天然气扩散评估模型，分析了天然气的扩散特点及危险区域的分布，并从工程角度提出了相应的控制措施。但上述研究仅针对气体泄漏后，天然气燃爆风险或者硫化氢毒害风险中的1种危险区域进行模拟和确定，而未同时考虑2种危害的影响。实际上，2种危害往往相伴发生，忽略其中任何一种危险都不利于应急救援工作的开展，甚至带来始料不及的影响。因此，利用FLACS软件[12-13]建立含硫天然气井喷事故后果预测评估模型，分析了不同硫化氢浓度、风速、风向等工况下的燃爆区域与毒害区域，以期为事故预防、事故控制和事故救援提供指导。

1 井喷气体扩散数学模型

1.1 守恒方程

作为可压缩流体，井喷天然气、硫化氢气体射流及扩散过程遵循连续方程、质量守恒、动量守恒以及能量守恒，流体控制方程如下所示[14]：

(1)

式中:φ为通用求解变量，包括质量、动量、能量、湍流动能等变量；ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；ui为i方向上的速度矢量，m/s；Γφ为通量φ扩散系数；Sφ为源项。

1.2 井喷气体泄漏扩散模型

井喷气体的泄漏喷射过程可考虑为可压缩气体的管嘴泄漏，该过程可视为绝热过程，根据绝热方程与伯努利方程，考虑气体泄漏过程中因局部摩擦阻力产生能量损失，采用管嘴流速系数Cd进行修正。泄漏过程的各参数可以采用以下方程组[15]求解：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:p1为井口出口气体压力，Pa；p0为井口内气体压力，Pa；r为井喷气体的绝热指数；T1为井口出口的井喷气体温度，℃；T0为井口内气体温度，℃；ρ为井喷气体密度，kg/m3；u1为井口出口气体的速度，m/s；Cd为泄漏口流速系数；R为井喷气体的气体常数，J/(kg·k)；m1为井喷气体的质量流速，kg/s；A1为泄漏口面积，m2。

2 井喷气体扩散数值仿真模型

2.1 钻井平台物理模型与网格划分

参照某实际钻井平台的基本结构与尺寸，采用FLACS前置处理器CASD软件建立平台三维数值仿真模型，其中平台型长(X)77 m，型宽(Y)32 m，型高(Z)75 m。建模过程中以平台空间布局及外部结构为主，对部分工艺管线等结构进行简化。

依据平台实际尺寸，在网格模型中设置160 m×110 m×70 m的计算域。在保证计算精度的前提下，为尽可能高的提升计算效率，将计算域分为核心区域和拓展区域，其中核心区域包括钻台、生活区等上部模块，平台其余部分则设置为拓展区域。根据工程经验，核心区域的网格大小设置为1m，扩展区域以1.2倍的比例进行网格延伸，为了提高计算精度及运算稳定性对泄漏口区域的网格进行局部网格细分，然后用“smooth”功能将剩余的区域过渡到尺寸为1 m的网格。此外，计算域采用无反射边界条件。构建完毕的钻井平台网格模型如图1所示。

图1 钻井平台模型及网格模型Fig.1 Offshore platform model and grid model

2.2 泄漏工况

根据该平台工程井天然气日产量，确定含硫化氢天然气泄漏无阻流量为100 万m3/d，模拟场景为含硫化氢天然气自井口井喷，方向竖直向上，环境温度为20 ℃，大气压力为一个标准大气压，其中井喷烃类物质成分及含量按照“深水地平线”井喷烃类成分及含量设置[1]。分别选取该平台所处区域典型风速，静风1 m/s、全年平均风速5.28 m/s和季风风速10 m/s，对含硫化氢浓度分别为141.4，1 414.2和14 142.5 mg/m3的天然气在船艏、船艉、左舷、右舷4个风向下的泄漏扩散情况进行研究。风场参考高度设置为10 m，并且设置10 s为井喷开始时间以保证区域内风场首先模拟就绪。具体模拟工况信息如表1所示。

表1 模拟工况

2.3 危害评价标准

天然气可能会导致燃爆事故的发生，硫化氢是1种毒性很强的气体。根据文献[1]，本文中可燃气体浓度的监测区间设置为2%～12%。此外，根据硫化氢阈限质量浓度为15 mg/m3、安全临界质量浓度为30 mg/m3和危险临界质量浓度为150 mg/m3[15]，故本文中硫化氢浓度的监测区间为15～150 mg/m3。

3 硫化氢浓度对含硫天然气井喷扩散危险区域的影响

硫化氢浓度的变化是导致硫化氢毒害区域变化的主要因素。在船艏来风，风速为5.28 m/s，硫化氢浓度分别为141.4，1 414.2和14 142.5 mg/m3的初始条件下(对应表中场景1，2，3)，井喷天然气、硫化氢扩散达到稳定状态后的空间分布图如图2所示，相应条件下可燃气云与可爆气云体积变化曲线如图3所示。

由图2、图3可知，当硫化氢浓度为141.4 mg/m3时，天然气的扩散范围明显大于硫化氢的扩散范围；天然气扩散范围于68 s左右趋于稳定，井喷气体在初始动能的作用下竖直向上喷射，然后在风场的作用下向下风向偏移，最大水平扩散距离约为11 m，竖直喷射高度约为21 m，可燃气云与可爆气云体积最大分别可达764 m3和215 m3；硫化氢浓度太小，从井口喷出后被风场稀释快速稀释，毒害区域主要位于井口附近，井喷硫化氢竖直喷射高度约为7 m，水平扩散距离不足1 m。当硫化氢浓度由141.4 mg/m3增大至1 414.2 mg/m3和14 142.5 mg/m3时，硫化氢扩散形成的毒害区域明显大于天然气扩散形成的燃爆区域；天然气扩散达到稳定状态所需的时间、天然气水平扩散距离、可燃气云与可爆气云的体积基本不变；而硫化氢的扩散行为发生显著变化。当硫化氢浓度为1 414.2 mg/m3时，井喷硫化氢气体在风场的作用下向下风向扩散，经过5 s硫化氢气体扩散至生活区顶部的直升机平台；达到稳定状态后，硫化氢沿风向最大水平扩散距离为30 m，竖直喷射高度为26 m；自井口竖直向上7 m范围内硫化氢浓度高于150 mg/m3，形成严重危险区域。当硫化氢浓度为14 142.5 mg/m3时，经过4 s硫化氢气体扩散至生活区，井喷14 s后井喷气体扩散至平台以外；达到稳定状态后，硫化氢气云前端离开平台70 m左右，最大竖直扩散距离为31 m，钻台区大部分硫化氢浓度均高于150 mg/m3，并且生活区顶部因为强制通风设施的运行也会进入大量高浓度的硫化氢气体，对平台生活区作业人员的生命健康造成严重威胁。

图2 不同硫化氢浓度下燃爆区域与毒害区域分布Fig.2 Spatial dimension of natural gas and H2S with different concentration of H2S

图3 不同硫化氢浓度下可燃气云与可爆气云体积变化规律Fig.3 Spatial dimension variation of natural gas and H2S with different concentration of H2S

4 风参数对含硫天然气井喷扩散危险区域的影响

4.1 风向影响

风向的变化是导致井喷气体扩散规律变化的主要因素。图4为硫化氢浓度为1 414.2 mg/m3，风速为5.28 m/s时，井喷天然气、硫化氢在船艏来风、船艉来风、左舷来风、右舷来风4种风向下(对应表1中场景2,6,7,8)扩散达到稳定状态后的空间分布图；图5为相应条件下可燃气云与可爆气云体积变化曲线。

由图4、图5可知，船艏来风时，泄漏气体在风场作用下向下风向扩散，在生活区舱室强制通风设施的作用下，很有可能导致可燃气云与硫化氢气云扩散至生活区内部，导致火灾爆炸或中毒等事故。船艉来风时，由于生活区的遮挡作用，在一定程度上阻碍了井喷气体的扩散，扩散达到稳定的时间为55 s，稳定后可燃气云与可爆气云体积分别为1 054 m3和328 m3，硫化氢气体的水平扩散距离和竖直扩散距离分别为26 m和23 m。左舷来风时，扩散于50 s达到稳定状态；稳定后天然气水平扩散距离为12 m，可燃气云与可爆气云体积分别为832 m3和252 m3；硫化氢气体水平扩散距离为28 m，竖直扩散距离为25 m。右舷来风时，扩散于42 s达到稳定状态，稳定后天然气水平扩散距离为12 m，可燃气云与可爆气云体积分别为977 m3和275 m3，硫化氢气体水平扩散距离和竖直扩散距离分别为29 m和24 m。需要注意的是，左、右舷来风时，持续泄漏的危险气体很快被吹离平台，无法在平台集聚，仅对钻台区域产生影响。

对比4种风向下井喷天然气与硫化氢的扩散行为可知：船艉来风时，扩散后形成的可燃气云与可爆气云体积最大，硫化氢覆盖范围最广、高浓度区域体积最大，是井喷后最恶劣的工况；左、右舷来风时，井喷气体被迅速吹离平台区域，形成的可燃气云与可爆气云体积相对较小，有利于降低事故影响。

4.2 风速影响

图6为硫化氢浓度为1 414.2 mg/m3，船艏来风，风速分别为1,5.28和10 m/s时(对应表1 中场景2，4，5)井喷天然气、硫化氢扩散达到稳定状态的空间分布图，图7为相应条件下可燃气云与可爆气云体积变化曲线。

由图6可知，风速为1 m/s时，空气湍流强度小，对井喷气体扩散行为影响较小，气体自身的浮力和沉降力成为影响气体扩散的主要因素；井喷天然气经过80 s扩散达到稳定状态，此时井喷天然气基本充满整个井架区域，可燃气云和可爆气云体积最大可达为3 382 m3和883 m3；硫化氢气体气体的扩散呈现类似的规律，高浓度硫化氢气云几乎包裹整个井架，并且在风场自身沉降力的作用下，向下风向扩散并向下沉降。风速为5.28 m/s时，井喷天然气经过68 s扩散达到稳定状态，与风速为1 m/s时天然气的扩散行为相比，天然气竖直喷射高度与扩散区域均明显减小，天然气高浓度区域也明显变小，并且井喷天然气在风场的作用下向下风向扩散，水平扩散距离为11 m，形成的可燃气云与可爆气云体积分别为764 m3和215 m3；硫化氢经过5 s扩散至生活区，与风速1 m/s时硫化氢扩散行为相比，最大水平扩散距离增大为30 m，硫化氢竖直扩散高度降低至26 m。当风速增大为季风风速时，天然气扩散达到稳定的时间缩短至27 s；在空气湍流的作用下天然气水平扩散距离、竖直扩散距离进一步变小，分别为10和13.5 m；可燃气云与可爆气云体积缩小至400和105 m3；硫化氢扩散至生活区的时间为2.5 s，扩散达到稳定状态后最大水平扩散距离增大至35 m，高浓度硫化氢全面覆盖生活区，事故风险进一步增大。

对比不同风速下天然气扩散区域与硫化氢扩散区域可知，天然气扩散区域与硫化氢扩散区域均随风速的增加而减小。说明风场对井喷天然气及硫化氢具有很强的稀释作用，能有效降低井喷事故灾害后果，但是需要注意的是当风速从1 m/s增大至10 m/s，硫化氢气体水平扩散距离变大，竖直扩散距离降低且逐渐贴近生活区，容易导致作业人员中毒事故的发生。

图4 不同风向下燃爆区域与毒害区域分布Fig.4 Spatial dimension of natural gas and H2S with different wind direction

图5 不同风向下可燃气云与可爆气云体积变化规律Fig.5 Spatial dimension variation of natural gas and H2S with different wind direction

图6 不同风速下燃爆区域与毒害区域分布Fig.6 Spatial dimension of natural gas and H2S with different wind speed

图7 不同风速下可燃气云与可爆气云体积变化规律Fig.7 Spatial dimension variation of natural gas and H2S with different wind speed

5 结论与建议

1)由于天然气中硫化氢含量较低，当井喷气体中硫化氢浓度由141.4 mg/m3增大至14 142.5 mg/m3时，天然气的扩散行为及扩散结果无明显变化，但硫化氢危害区域明显增大，高浓度危险区域也明显变大。

2)对比船艏、船艉、左舷和右舷来风4个方向，船艉来风时所形成的可燃气云与可爆气云体积最大，硫化氢覆盖范围、高浓度区域体积也最大；而左、右舷来风时，井喷气体被迅速吹离平台区域，有利于减轻事故影响。

3)风场对井喷天然气及硫化氢具有很强的稀释作用，能有效降低井喷事故灾害后果，低风速容易导致可燃气体与硫化氢气体在平台上部积聚，形成高危险区域；高风速有利于井喷气体的扩散与稀释，危险区域随之减小。

4)船艏来风且风速较大时，硫化氢扩散区域减小，但是硫化氢竖直扩散距离降低且逐渐贴近生活区，容易导致生活区内人员硫化氢中毒事件的发生。

5)建议将平台左舷或右舷朝向该海域主流来风方向；井喷事故发生时，钻台区域采取高强度强制通风措施，加快井喷气体的稀释与扩散；井口区域安装危险气体探测报警仪，探测到危险气体时立即报警，作业人员立即关闭生活区钻台侧及生活区顶部的通风设施，并且将危险气体探测报警仪的监测下限设置为危险气体浓度阈值的20%，以助于平台作业人员可以提前察觉、及时响应。

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