南海深水半潛式鉆井平臺(tái)井噴時(shí)可燃?xì)怏w擴(kuò)散規(guī)律＊

李修峰 陳國明 孟會(huì)行 朱 淵 師吉浩

（中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580）

李修峰，陳國明，孟會(huì)行，等.南海深水半潛式鉆井平臺(tái)井噴時(shí)可燃?xì)怏w擴(kuò)散規(guī)律［J］.中國海上油氣，2015，27（1）：111-115，120.

深水天然氣鉆采作業(yè)過程中可能發(fā)生井噴，井噴失控后大量天然氣從井口噴出與空氣混合形成可燃?xì)庠?，一旦被點(diǎn)燃發(fā)生爆炸，將對(duì)平臺(tái)人員、設(shè)備構(gòu)成巨大危害。2010年墨西哥灣“深水地平線”井噴事故［1］、2007年墨西哥坎佩切灣“Usumacinta”平臺(tái)事故均導(dǎo)致大量人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。

井噴形成的可燃?xì)庠迫急茐男源?，容易引發(fā)重大連鎖事故，已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。魏超南［2］以渤海某自升式平臺(tái)為對(duì)象，通過建立仿真模型分析了井噴泄漏天然氣擴(kuò)散過程及平臺(tái)危險(xiǎn)區(qū)域分布；雷文章［3］通過對(duì)井噴后天然氣噴射流分析，總結(jié)出了可燃?xì)庠品€(wěn)定時(shí)間隨環(huán)境條件變化規(guī)律；M.Dadashzadeh［4］通過建立“深水地平線”井噴事故模型，分析了井噴油氣擴(kuò)散過程；其他學(xué)者［5-6］對(duì)含硫氣田井噴H2S氣體擴(kuò)散影響因素、擴(kuò)散規(guī)律及其危險(xiǎn)區(qū)域分布也進(jìn)行了研究。但是，這些學(xué)者對(duì)井噴事故后果的研究大多集中于陸地含硫氣田H2S危害分析與淺海氣田。隨著我國深水油氣鉆采作業(yè)的快速發(fā)展，分析預(yù)測井噴后天然氣可燃?xì)庠瓢l(fā)展規(guī)律及分布，可為應(yīng)急救援作業(yè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 深水井噴天然氣擴(kuò)散模型的建立

1.1 天然氣擴(kuò)散控制方程

井噴后天然氣噴射擴(kuò)散遵循質(zhì)量、動(dòng)量、能量和物質(zhì)組分守恒方程，在此基礎(chǔ)上建立天然氣井噴流場數(shù)值模擬基本方程組［7］，即

式（1）中從左向右的4項(xiàng)分別為時(shí)間項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和項(xiàng)源，其中ρ為密度，φ為通用變量，u為速度，Г為擴(kuò)散系數(shù)。同時(shí)，天然氣以較高速度從井口噴出，其擴(kuò)散過程為復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型對(duì)其進(jìn)行描述。湍流輸送方程［8］為

式（2）、（3）中：ρ為流體密度；μ為流體動(dòng)力粘度；μt為流體渦流粘度；ui為流體流速第i方向分量；κ為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；σκ、σε分別為κ和ε的湍流Prandtl數(shù)，分別取1.0和1.3；Gκ和Gb分別表示平均速度梯度和浮力作用對(duì)湍流動(dòng)能的影響；YM為可壓湍流的波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)整體耗散率的貢獻(xiàn)；C1ε和C2ε均為常數(shù)，分別取1.44、1.92；C3ε為浮力對(duì)湍流耗散率的影響程度；Sκ和Sε為用戶自定義源項(xiàng)。

1.2 半潛式鉆井平臺(tái)模型

以南海某半潛式鉆井平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)及尺寸建立三維仿真模型，平臺(tái)型長（x）116.6 m，型寬（z）96.7 m，型高（y）83.9 m，如圖1所示。建模過程中以平臺(tái)外部結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，忽略內(nèi)部艙室、工藝管線、人員通道、護(hù)欄等，模型包括船體、鉆臺(tái)、井架、生活區(qū)、吊車、直升機(jī)甲板、起重機(jī)、泥漿清理室等。采用較大模擬計(jì)算空間，計(jì)算域選定為500 m×500 m×300 m。采用Fluent前處理器Gambit分塊網(wǎng)格劃分法劃分計(jì)算域網(wǎng)格，通過設(shè)置尺寸函數(shù)對(duì)井口區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)目為3 375 500。模型非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 南海某半潛式鉆井平臺(tái)模型Fig.1 Model of semi-submersible drilling platform in South China Sea

圖2 南海某半潛式鉆井平臺(tái)網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of semi-submersible drilling platform in South China Sea

1.3 邊界條件

計(jì)算域頂部和兩側(cè)采用對(duì)稱邊界條件；底部與平臺(tái)表面采用無滑移邊界條件，粗糙度為0.01 m；來風(fēng)面和井口采用速度入口邊界條件；出流面采用自由發(fā)展出流邊界條件。

計(jì)算過程分為2步：①引入風(fēng)速計(jì)算穩(wěn)定風(fēng)場，采用指數(shù)風(fēng)廓線方程［9］表征風(fēng)速隨距離海平面高度的變化；②引入泄漏源計(jì)算井噴氣體噴射擴(kuò)散過程，確定可燃?xì)庠瓶臻g分布。指數(shù)風(fēng)廓線方程為

式（4）中：uZ和u10分別為距離海平面高度為Z處的風(fēng)速和海域標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，m／s；Z為離海平面的高度，m。

2 天然氣可燃?xì)庠瓢l(fā)展過程分析

以南海某半潛式鉆井平臺(tái)氣井井噴為例分析可燃?xì)庠瓢l(fā)展規(guī)律。以該井最大日產(chǎn)能200萬m3估算最大氣體無阻流量，天然氣主要成分為甲烷（占97.61%）；根據(jù)南海氣象條件，分析全年來風(fēng)平均風(fēng)速為5.0 m／s時(shí)船首可燃?xì)庠疲淄楸ㄏ孪?%）發(fā)展規(guī)律。圖3、4分別為該半潛式鉆井平臺(tái)船首可燃?xì)庠品植挤秶靶螒B(tài)隨時(shí)間變化過程。

圖3 南海某半潛式鉆井平臺(tái)船首可燃?xì)庠品植挤秶兓^程（風(fēng)速5 m／s）Fig.3 Bow combustible gas cloud distribution change process of semi-submersible drilling platform in South China Sea（wind velocity=5 m／s）

圖4 南海某半潛式鉆井平臺(tái)船首可燃?xì)庠瓢l(fā)展過程（風(fēng)速5 m／s）Fig.4 Bow combustible gas cloud development process of semi-submersible drilling platform in South China Sea（wind velocity=5 m／s）

從圖3、4可以看出，井噴后0～40 s間可燃?xì)庠企w積隨時(shí)間迅速增大，40～60 s間可燃?xì)庠企w積增大趨于平緩，80 s左右達(dá)到穩(wěn)定。井噴初期，天然氣從井口高速噴出向上部空間發(fā)展，可燃?xì)庠浦饕植荚阢@臺(tái)上部區(qū)域，隨著井口壓力作用減弱和來風(fēng)作用加強(qiáng)，氣云在30 s之后不再向上發(fā)展，穩(wěn)定在27.30 m。來風(fēng)作用下，可燃?xì)庠葡蛳嘛L(fēng)向發(fā)展，t=15、60、120 s時(shí)其在下風(fēng)向擴(kuò)散距離分別達(dá)到12.68、18.28、18.93 m。由于生活樓位于船首偏右舷位置（高25.00 m、寬38.85 m），吊車位于船首中間位置（高30 m、寬8 m），船首偏左舷位置較為空曠，受船首生活區(qū)建筑物的影響，來風(fēng)形成不穩(wěn)定湍流，可燃?xì)庠圃诖w縱向方向擴(kuò)散范圍也逐漸增大。隨著井噴天然氣持續(xù)泄漏，可燃?xì)庠七_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后其覆蓋面積和空間體積分別為626.24 m2、747.24 m3，在船體x、z方向擴(kuò)散距離分別為18.35、8.71 m。

3 風(fēng)速對(duì)可燃?xì)庠茢U(kuò)散規(guī)律影響分析

分析風(fēng)速分別為1.5、3.0、5.0和10.0 m／s條件下南海某半潛式鉆井平臺(tái)可燃?xì)庠品植?，以確定風(fēng)速對(duì)可燃?xì)庠茢U(kuò)散規(guī)律的影響。圖5、6分別為該半潛式鉆井平臺(tái)船首來風(fēng)時(shí)可燃?xì)庠品植挤秶胺€(wěn)定可燃?xì)庠瓶臻g分布隨時(shí)間變化規(guī)律，表1為不同風(fēng)速穩(wěn)定狀態(tài)下可燃?xì)庠品植紨?shù)據(jù)。

圖5 不同風(fēng)速下南海某半潛式鉆井平臺(tái)船首可燃?xì)庠品植挤秶兓^程Fig.5 Bow combustible gas cloud distribution change process of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind velocity

圖6 不同風(fēng)速穩(wěn)定狀態(tài)下南海某半潛式鉆井平臺(tái)船首可燃?xì)庠瓶臻g分布Fig.6 Bow steady combustible gas cloud distribution of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind velocity

表1 不同風(fēng)速穩(wěn)定狀態(tài)下南海某半潛式鉆井平臺(tái)船首可燃?xì)庠品植紨?shù)據(jù)Table 1 Bow steady combustible gas cloud distribution data of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind velocity

從圖5、6及表1可以看出，風(fēng)速對(duì)可燃?xì)庠品植夹螒B(tài)及分布范圍產(chǎn)生較大影響。v=1.5 m／s時(shí)，井噴氣體受來風(fēng)作用較小，受井口高壓作用向垂直井口方向噴射擴(kuò)散，低風(fēng)速下天然氣易形成大范圍可燃?xì)庠?，主要分布在鉆臺(tái)上部，120 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可燃?xì)庠拼怪备叨葹?2.16 m，其覆蓋面積和空間體積較其他風(fēng)速大，分別為823.47 m2、1 242.87 m3，一旦被點(diǎn)燃噴射火將直接作用在鉆臺(tái)上部井架、絞車等起重設(shè)備、轉(zhuǎn)盤等旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)備、部分循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備，高溫及強(qiáng)烈熱輻射持續(xù)作用下設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度喪失，短時(shí)間內(nèi)設(shè)備即完全失效、變形、位移直至失去承載能力。隨著風(fēng)速增大，可燃?xì)庠葡蛏喜靠臻g發(fā)展減弱，向下風(fēng)向偏斜角度增大，分布范圍減小，v=3.0 m／s時(shí)穩(wěn)定可燃?xì)庠圃诖怪狈较蚝拖嘛L(fēng)向的擴(kuò)散距離分別為33.34、19.91 m，v=5.0 m／s時(shí)分別為27.30、18.35 m，兩風(fēng)速條件下可燃?xì)庠聘采w面積和 空間體 積分別為734.26 m2、984.87 m3和626.24 m2、747.24 m3。由圖6b、c可燃?xì)庠品植嘉恢每芍扇細(xì)庠埔l(fā)的燃燒火焰將作用在井架中部位置，導(dǎo)致該部位結(jié)構(gòu)失效而引起井架的坍塌，進(jìn)而引發(fā)連鎖破壞。由圖6還可以看出，隨著風(fēng)速增大，可燃?xì)庠七_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所用時(shí)間越來越短，v=3.0、5.0m／s時(shí)分別為100、80 s。當(dāng)v=10.0 m／s時(shí)，空氣湍流強(qiáng)度大，空氣流動(dòng)對(duì)天然氣稀釋作用強(qiáng)，可燃?xì)庠品植挤秶?，呈狹長狀集中分布在井架底部，其燃爆產(chǎn)生高壓可能會(huì)對(duì)附近作業(yè)人員造成傷害，火焰高溫也可能造成鉆臺(tái)設(shè)備失效及井架的倒塌，此時(shí)應(yīng)設(shè)置防爆墻等隔離措施來加強(qiáng)設(shè)備防護(hù)，一旦發(fā)生井噴應(yīng)快速啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)并使人員快速撤離。

4 風(fēng)向?qū)扇細(xì)庠茢U(kuò)散規(guī)律影響分析

分析風(fēng)速v=5.0 m／s條件下船首、船尾、左舷、右舷來風(fēng)時(shí)南海某半潛式鉆井平臺(tái)可燃?xì)庠瓢l(fā)展及分布形態(tài)，以確定風(fēng)向?qū)扇細(xì)庠茢U(kuò)散規(guī)律的影響。圖7、8分別為該半潛式鉆井平臺(tái)不同風(fēng)向下可燃?xì)庠品植茧S時(shí)間變化和穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其空間分布。

圖7 不同風(fēng)向下南海某半潛式鉆井平臺(tái)可燃?xì)庠品植挤秶兓^程（風(fēng)速5 m／s）Fig.7 Combustible gas cloud distribution change process of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind directions

圖8 不同風(fēng)向穩(wěn)定狀態(tài)下南海某半潛式鉆井平臺(tái)可燃?xì)庠瓶臻g分布（風(fēng)速5 m／s）Fig.8 Steady combustible gas cloud distribution of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind directions

從圖7、8可以看出，船首來風(fēng)時(shí)，受生活區(qū)建筑物阻擋，來風(fēng)作用減弱，井噴天然氣易聚集形成大范圍可燃?xì)庠疲?0 s時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下可燃?xì)庠圃诖怪狈较驍U(kuò)散距離、覆蓋面積及空間體積均比其他方向來風(fēng)時(shí)大，分別為27.30 m、626.24 m2、747.24 m3，可燃?xì)庠聘采w位置設(shè)備分布少，燃爆產(chǎn)生的超壓和高溫對(duì)平臺(tái)危害較小。船尾來風(fēng)時(shí)，船尾區(qū)域錨機(jī)控制室及起重機(jī)體積?。ㄥ^機(jī)控制室長、高分別為15 m和8 m，起重機(jī)呈細(xì)長型，寬僅2 m），對(duì)來風(fēng)阻擋作用較小，天然氣擴(kuò)散受來風(fēng)作用較大，可燃?xì)庠品植挤秶^船首來風(fēng)時(shí)小，天然氣隨來風(fēng)擴(kuò)散至生活區(qū)，60 s左右可燃?xì)庠品植稼呌诜€(wěn)定，垂直方向擴(kuò)散距離、覆蓋面積和空間體積分別為21.47 m、470.83 m2、486.22 m3。如圖8b所示，受建筑物反射疊加作用，可燃?xì)庠瓢l(fā)生燃爆后產(chǎn)生的超壓較大，將對(duì)生活區(qū)人員構(gòu)成威脅，向生活樓和直升機(jī)平臺(tái)傾斜的燃燒火焰高溫和強(qiáng)熱輻射將對(duì)作業(yè)人員逃生帶來一定挑戰(zhàn)。右舷來風(fēng)時(shí)，天然氣將沿振動(dòng)篩房、固井泵室和應(yīng)急發(fā)電機(jī)室與生活區(qū)之間的空隙擴(kuò)散，可燃?xì)庠浦饕植荚谏顓^(qū)，右舷區(qū)域建筑物迎風(fēng)面積較大（長30m、高16m），氣流流速受建筑物阻擋作用而下降，天然氣擴(kuò)散受來風(fēng)影響較小而易聚集，可燃?xì)庠品植挤秶鷥H次于船首來風(fēng)時(shí)。左舷來風(fēng)時(shí)，甲板區(qū)域泥漿清理室（迎風(fēng)面長6 m、高5 m）對(duì)來風(fēng)阻擋較小，天然氣在來風(fēng)作用下快速飄離平臺(tái)，可燃?xì)庠品植挤秶钚?，主要分布在振?dòng)篩房、固井泵室和應(yīng)急發(fā)電機(jī)室附近，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域設(shè)備的防護(hù)。

5 結(jié)束語

以南海某半潛式鉆井平臺(tái)為例，通過建立平臺(tái)簡化模型及氣體擴(kuò)散模型，模擬了南海環(huán)境下井噴天然氣擴(kuò)散行為，分析了可燃?xì)庠茣r(shí)空分布及發(fā)展規(guī)律，可以為我國南海深水油氣鉆采作業(yè)應(yīng)急救援提供科學(xué)指導(dǎo)，對(duì)深水鉆井平臺(tái)防火災(zāi)、爆炸具有一定的參考價(jià)值。

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