高含硫氣井硫化氫泄露擴(kuò)散模擬和應(yīng)急處置

李 環(huán) 楊 威 郭曉曉 冉光建

（重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，中國 重慶 401331）

0 引言

石油天然氣是我國現(xiàn)階段能源體系的重要組成部分，其中天然氣是新興的清潔能源，其產(chǎn)物為二氧化碳和水，因此在近年受到政府的大力支持和人們的喜愛，天然氣的需要量逐年增加。在天然氣的開采過程中，高含硫氣田的風(fēng)險最大，我國高含硫氣田在總探明儲量的四分之一，主要是分布在四川盆地。硫化氫的具毒性是高含硫氣田的主要風(fēng)險，硫化氫的危險濃度臨界濃度很低，僅為100ppm，因此一旦高含硫發(fā)生井噴事故，大量的硫化會隨著井內(nèi)流體，以高壓向外噴出，在空氣中擴(kuò)散，能造成非常嚴(yán)重的后果。震驚世界的重慶開縣12.23井噴事故造成大量的人員傷亡主要原因就是因為井噴時伴隨著大量硫化氫的擴(kuò)散。高含硫氣井井噴硫化氫氣體擴(kuò)散有著混合氣體擴(kuò)散、重氣擴(kuò)散等特點，考慮利用計算流體力學(xué)（CFD)的方法，利用FLUENT軟件進(jìn)行模擬，探索其擴(kuò)散的特點，建立應(yīng)急處置機(jī)制，對減輕事故后果有著重要的作用。

1 CFD數(shù)值模擬概述

CFD數(shù)值主要是以能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程等基本守恒方程為計算基礎(chǔ)，再結(jié)合環(huán)境因素、工況因素等初始條件和約束條件，連續(xù)計算出這些守恒方程來描述所研究的流體的流動特點。計算流體力學(xué)方法具有高效、低成本等優(yōu)點，模擬流體的流動特性可以不受環(huán)境的印象，因此廣泛的應(yīng)用在氣體的擴(kuò)散模擬中。

FLUENT軟件是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛、理論最貼近實際的CFD軟件。其最大的優(yōu)勢和亮點是其具有獨(dú)一無二的網(wǎng)格生成技術(shù)，這對氣體擴(kuò)散的模擬有著重要的作用，其生成的網(wǎng)格還具備很強(qiáng)的適應(yīng)性，能做到在一次氣體擴(kuò)散模擬后，對已經(jīng)生成好的網(wǎng)格進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化，從而提高可操作性和準(zhǔn)確性，減少對計算機(jī)的要求。FLUENT還具備三維模擬的功能，能實現(xiàn)對復(fù)雜地形地貌的環(huán)境的氣體擴(kuò)散的模擬。

2 數(shù)值模擬和結(jié)果分析

2.1 井場井噴條件簡化

高含硫氣井井噴氣體擴(kuò)散相關(guān)條件很多，數(shù)值運(yùn)算非常復(fù)雜。為了對高含硫氣井井噴硫化氫泄漏擴(kuò)散的模擬，考慮在盡量減小對模擬結(jié)果影響前提下，對井場環(huán)境條件、工藝條件作出如下假設(shè)：

（1）井口橫截面積固定，即在氣井井噴時，硫化氫的泄漏面積不會隨著泄漏時間的變化而變化；

（2）硫化氫泄漏擴(kuò)散模擬時所涉及的氣體均可看作理想氣體；

（3）井內(nèi)氣體、擴(kuò)散出的氣體和空氣相互間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

（4）泄漏擴(kuò)散過程中，泄漏氣體與外界無熱交換；

（5）井噴發(fā)生時，氣候環(huán)境和井場環(huán)境穩(wěn)定，風(fēng)速、風(fēng)向恒定，不受地點、高度的影響。

2.2 硫化氫泄漏擴(kuò)散守恒方程

計算流體力學(xué)硫化氫泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬主要以三大基本守恒方程為基礎(chǔ)，其表達(dá)形式如下：

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：ρ-密度；u-速度；t-時間；p-靜壓；τ-應(yīng)力張量；h-焓；k-有效導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 區(qū)域模型確定

利用FLUENT軟件對四川元壩氣田某高含硫氣井進(jìn)行現(xiàn)場區(qū)域建模，計算區(qū)域為以井口為圓點的400m范圍內(nèi)，網(wǎng)格的劃分對計算結(jié)果影響很大，由于網(wǎng)格劃分越均勻就越有利于計算結(jié)果的收斂，因此本文采用均勻的網(wǎng)格劃分對井場及周邊進(jìn)行幾何建模。網(wǎng)格劃分越細(xì)就越有利于結(jié)果的準(zhǔn)確的，但是這就增加了計算機(jī)的負(fù)荷，因此本文劃分的網(wǎng)格為

2.4 邊界條件和初始條件的設(shè)定

通過對元壩氣體某高含硫氣井現(xiàn)場調(diào)研，統(tǒng)計相鄰氣井的地質(zhì)資料得出硫化氫含量最高是在長興組儲層其中甲烷體積分?jǐn)?shù)為85.13%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)約為1.09%，硫化氫體積分?jǐn)?shù)為13.78%，在實際模擬中只考慮甲烷和天然氣這兩種氣體進(jìn)行模擬。該氣井鉆到設(shè)計井深時的地層孔隙壓力為73.48MPa，井垂深6680m，斜深7791m。因此可以計算出井噴時流體速度為18m%。

根據(jù)氣井井噴氣體擴(kuò)散模擬的5個基本假設(shè)可以設(shè)定泄漏擴(kuò)散模擬的初始條件：

（1）自由邊界的設(shè)定：除了流入面以外的其他面，因為環(huán)境溫度始終保持恒定，因此可以將氣體假設(shè)為理想氣體，即向無窮遠(yuǎn)處自由擴(kuò)散的條件下，按自由邊界處理，法相速度為0；

（2）井口邊界條件：氣井井噴時的井口即為泄漏點，由于設(shè)定了自由邊界，因此將井口設(shè)為壓力入口；

（3）速度和壓力修正：計算工程中可以通過計算結(jié)果的收斂性來判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.5 模擬結(jié)果和分析

由于元壩地區(qū)常年風(fēng)速為0.5m/s，該風(fēng)速下硫化氫泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬，分別得出在井噴后600s時的模擬結(jié)果，如圖1所示。

圖1 0.5m/s下600s時的H2S泄漏擴(kuò)散范圍

可以看出在微風(fēng)情況下，當(dāng)井噴持續(xù)發(fā)生，硫化氫會在低洼處聚集，而且在空氣中擴(kuò)散非常緩慢。由于硫化氫致死濃度在375mg/m3時就可能導(dǎo)致人員的死亡，圖中有亮點的區(qū)域均為致死區(qū)域。

該地域常年最大風(fēng)速約為2m/s，該風(fēng)速下硫化氫泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬，分別得出在井噴后600s時的模擬結(jié)果，如圖所示（圖2）。

圖2 2m/s下600s時H2S泄漏擴(kuò)散范圍

從圖2可以看出風(fēng)速的增加有利于硫化氫的擴(kuò)散，硫化氫在空間擴(kuò)散的范圍更廣，只要井噴持續(xù)，硫化氫的危害范圍甚至分布在空間的上部。通過對這兩種風(fēng)速情況下硫化氫泄漏擴(kuò)散模擬發(fā)現(xiàn)高含硫氣井硫化氫泄漏擴(kuò)散可能造成的風(fēng)險巨大。

3 高含硫氣井井噴應(yīng)急建議

由于硫化氫安全臨界濃度非常低（30mg/m3），在井噴發(fā)生很短時間內(nèi)就可能對周邊產(chǎn)生巨大的危害，因此鉆井隊和相關(guān)但對應(yīng)當(dāng)更加重視一級井控、二級井控，防止發(fā)生井噴。在正常生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)實施監(jiān)控井口和泥漿池的硫化氫含量，一旦發(fā)現(xiàn)有硫化氫，應(yīng)當(dāng)及時報警，并采取措施。井場配備具有多的空氣呼吸器等應(yīng)急物資，一旦發(fā)生井噴失控，立即向政府報告，并組織周邊居民疏散，井場除搶險人員外，其他員工和相關(guān)人員應(yīng)同生活區(qū)有關(guān)人員立即組織撤離。搶險人員必須佩帶空氣呼吸器。建議在日常工作中加強(qiáng)對井隊人員和相關(guān)方人員進(jìn)行應(yīng)急，提高應(yīng)急撤離速度，組織周邊居民進(jìn)行疏散演練，做到在最短時間內(nèi)撤離。

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