井口天然气泄漏扩散危险区域的分析

张志华 肖军诗 李修峰(.中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司，天津 300459；

2.中海油安全技术服务有限公司，天津 300450)

0 引言

可燃气体泄漏形成的可燃气云燃爆由于破坏性大，容易造成悲剧性后果，受到国内外学者的广泛关注。多数学者对井喷事故后果研究集中于浅海常规油气田的开采[1-4]，我国深海油气钻井的装备和技术不断发展，分析预测天然气钻采过程中井喷泄漏后天然气可燃气云扩散规律及危险区域分布，可为优化平台设备布局和优化可燃气体探测器布置提供参考。

1 钻井平台数值仿真模型

1.1 钻井平台建立及网格划分

以某钻井平台的基本外形尺寸为基础进行三维平台外形几何模型的建立，建立的钻井平台三维模型如图1 所示，平台总长117m，船宽92.7m，主甲板高36.3m。三维建模时，只建立平台主要结构和设备，包括钻井平台主甲板、钻台、生活区、吊车、直升机甲板等。用Gambit 进行前处理时，采用较大的模拟计算空间X400m、Y200m、Z300m。由于平台外形结构复杂，网格划分时采用三角形网格，并对泄漏口附近进行网格加密，计算区域外轮廓采用四边形网格，整个内部空间采用四面体网格。最终划分出的非结构体网格如图2 所示，网格数5×106。

图1 “CIMC Bluewhale I”钻井平台模型

1.2 模型边界条件设置

数值求解时，假设通过计算域顶部和两侧边界的流体变量梯度为零，计算域顶部和两侧边界采用对称边界条件；井口采用质量入口边界条件。

图2 计算域网格模型

2 泄漏气体扩散规律分析

井口泄漏天然气主要成分为甲烷，其体积分数为99.6%，井口温度为26℃，大气温度为27℃，空气相对湿度为60%。分析5.5m/s 风速、SE 和NE 方向来风条件下的天然气喷射扩散情况。根据天然气试采设计预测，试采天然气量1000～10000m3/d(0.7～7m3/min)。参考该试采作业产气量及邻近区域气井产量，选取7m3/min、70m3/min、350m3/min、700m3/min 四个不同等级井口泄漏天然气流量来分析泄漏天然气在该钻井平台的扩散过程。

2.1 天然气扩散过程分析

以700m3/min 井口泄漏天然气流量为例进行分析。井口泄漏后天然气从井口高速喷出，在来风作用下与周围空气逐渐混合，慢慢向大气中扩散，最终形成稳定的气体喷射流。将可燃气体探测器一级报警值(可燃气体爆炸下限20%)天然气1%浓度等值面定义为气体的空间范围。受井口高压力影响，井口泄漏开始后天然气迅速向钻台上部发展，0～40s，天然气扩散范围随时间迅速增大。井口泄漏初期，高速流出的天然气受井口影响大于风速影响，天然气向下风向偏斜不大。随着距离井口增大，天然气扩散速度下降，来风对天然气影响越来越大，天然气在船体横向方向扩散距离和向下风向的偏斜角度不断增大。受井架等结构影响，主甲板区域形成不同程度的回旋涡流区。但由于天然气高速喷出向上部方向发展，主甲板上部大部分模块对天然气扩散的影响并不大。随着泄漏的持续，气云发展趋于稳定，80s 后其分布区域达到动态稳定值。

2.2 天然气危险区域分析

天然气爆炸极限范围为5.0%～15.0%，将此浓度范围的区域作为扩散天然气的危险区域。

钻台区域稳定状态下的井口泄漏射流在来风作用下向下风方向偏斜，射流截面近似椭圆形。稳定状态下，天然气爆炸气云空间分布体积为517.81m3，其在平台横向、平台纵向及垂直方向分布范围分别为23.43m、17.24m、51.56m。表1 为相应的天然气危险区域范围统计。

表1 稳定状态下天然气危险区域范围

图3 为SE 风向来风作用下5%浓度天然气范围。受井口高压作用，可燃气云主要分布在井口上方井架附近，来风对气体运动的影响作用小于井口高压。SE 来风作用下可燃气云分布偏近生活区，一旦被点燃发生燃爆，生活区受到的高温、热辐射作用更加强烈。图4 为井口泄漏溢流7m3/min 流量泄漏时1%浓度天然气分布，此工况下天然气泄漏量较小，不会聚集形成可燃气云。1%浓度气云分布在井口周围较小范围，不会产生探测器报警。

图3 SE方向风向来风作用下5%浓度天然气范围

图4 溢流7m3/min流量1%浓度天然气分布

井口天然气在不同泄漏流量下稳定可燃气云分布，流量越大，井口泄漏后井口压力对气体运动影响越大，反之来风对气体运动过程影响较大。流量为700m3/min 时，水平方向可燃气云分布范围分别为18.43m 和20.87m，垂直方向为59.29m；流量350m3/min 时，水平方向可燃气云分布范围分别为22.65m和21.78m，垂直方向上为39.18m；流量70m3/min 时，水平方向可燃气云分布范围分别为12.22m 和24.11m，垂直方向上为17.0m。表2 为不同泄漏流量下，井口泄漏天然气扩散在各方向上的分布。

表2 不同泄漏流量下井口泄漏天然气扩散云分布

3 结语

根据平台作业环境条件，设置边界条件，模拟作业环境风场。风速5.5m/s 为主要风速、SE 和NE 风向为主要风向。垂直方向上风速随高度增加呈现层状风速带，水平方向受平台设备影响风场分布复杂多变，设备密集处形成低风速涡流区及回旋涡流区。泄漏气体易于此类区域聚集，布置可燃气体探头时应着重考虑此类区域。

以井口泄漏天然气流量700m3/min 为例分析井口泄漏天然气扩散过程。井口泄漏初期，井口高压作用下天然气主要向上部空间发展，并与空气混合。距离井口较远区域，来风对天然气影响作用增大，逐渐向下风向偏斜并形成稳定气云。不同等级井口泄漏天然气泄漏流量下稳定可燃气云分布，流量越大，井口泄漏后井口对气体运动影响越大，反之来风对气体运动过程影响较大。

泄漏天然气形成的可燃气云主要分布在井口上方井架附近，水平方向最远扩散距离为23.43m。在此半径范围内，可重点布置可燃气体探测器，并重点控制，防止点火源的出现。同时设置风机，有助于可燃气气体扩散稀释。