煤層氣田集輸系統(tǒng)放空影響范圍研究

張哲 王春燕 巴璽立 王天明

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國(guó)寰球工程公司）

與常規(guī)天然氣田相比，煤層氣田具有單井產(chǎn)量低、井口壓力低、采出氣組分簡(jiǎn)單、井?dāng)?shù)多、采氣管道多等特點(diǎn)。目前，煤層氣田集輸系統(tǒng)防火間距遵循GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中常規(guī)天然氣田的相關(guān)規(guī)定，防火間距偏大，存在集氣場(chǎng)站選址困難、占地面積大及浪費(fèi)土地資源等問(wèn)題。因此，開(kāi)展煤層氣田集輸系統(tǒng)放空影響范圍研究，通過(guò)計(jì)算煤層氣田集輸系統(tǒng)不同放空條件下的影響后果，進(jìn)而得出煤層氣放空后果的最大可能影響范圍，以期為煤層氣田集輸系統(tǒng)防火間距的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

本文重點(diǎn)研究地面鉆井開(kāi)采的煤層氣，不包括井下抽放的瓦斯氣和廢棄礦井開(kāi)采的煤層氣。

1 煤層氣火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

地面鉆井開(kāi)采的煤層氣絕大多數(shù)甲烷含量均高于95%，并含有少量的氮?dú)夂投趸迹静缓責(zé)N和硫化氫。其火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲B類(lèi)，危險(xiǎn)性主要為易燃性、易爆性、窒息性、易擴(kuò)散性等。甲烷的爆炸極限范圍為5.0%～15.0%（體積），爆炸下限較低，泄漏到大氣中能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒、爆炸。因此，煤層氣田集輸系統(tǒng)放空可能產(chǎn)生的不良后果：一是，可燃?xì)怏w云團(tuán)遇火源燃燒，熱輻射對(duì)周邊人員和設(shè)施造成損害；二是，可爆氣體云團(tuán)遇火源發(fā)生爆炸，爆炸超壓對(duì)周邊人員和設(shè)施造成損害。

2 放空影響范圍模擬計(jì)算

煤層氣田集輸系統(tǒng)放空后果影響范圍的關(guān)鍵因素包括放空速率、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度，放空溫度、大氣溫度、大氣壓力及空氣相對(duì)濕度等因素對(duì)其影響較小。

2.1 計(jì)算軟件及模型

挪威船級(jí)社（DNV）開(kāi)發(fā)的安全評(píng)估軟件PHAST被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外石油天然氣行業(yè)的安全評(píng)價(jià)和環(huán)境評(píng)價(jià)。采用該軟件進(jìn)行煤層氣放空后果計(jì)算，分別建立不同放空速率、不同環(huán)境因素下的放空模型、噴射火熱輻射模型和爆炸模型。

2.2 主要工藝參數(shù)取值

2.2.1 放空速率

煤層氣田集輸系統(tǒng)放空分為井場(chǎng)和站場(chǎng)2類(lèi)。根據(jù)煤層氣田地面常規(guī)井場(chǎng)和站場(chǎng)的水容積估算，井場(chǎng)放空速率范圍為83～4 167m3/h，站場(chǎng)放空速率范圍為4 167～20 000m3/h。由于放空速率越大，對(duì)其后果的影響越大，因此，為使研究成果覆蓋更廣的實(shí)際工況，放空速率取5×104m3/h計(jì)算。

2.2.2 其他工藝參數(shù)

放空氣體組分：煤層氣的組分以甲烷為主，對(duì)比了純甲烷與管道氣放空后熱輻射和爆炸影響范圍，計(jì)算結(jié)果相差不大，因此，本研究按照純甲烷進(jìn)行計(jì)算。

初始放空壓力：根據(jù)煤層氣田集輸系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)狀，井場(chǎng)初始放空壓力取0.4MPa，站場(chǎng)初始放空壓力取1.6MPa。

放空立管高度：15m。

放空溫度：取常溫20℃。

2.3 環(huán)境因素影響分析

考慮到環(huán)境因素對(duì)放空后果影響范圍的影響程度，重點(diǎn)分析大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速2項(xiàng)因素的影響。

2.3.1 大氣穩(wěn)定度

我國(guó)現(xiàn)有法規(guī)中推薦的“修訂帕斯奎爾分類(lèi)法”，將大氣穩(wěn)定度分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定六級(jí)，分別表示為A、B、C、D、E、F，具體等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 大氣穩(wěn)定度等級(jí)*

2.3.1.1 可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍

在煤層氣泄放后果研究中，通常選擇空氣中甲烷濃度2.5%（爆炸下限的一半）為擴(kuò)散云團(tuán)邊界。當(dāng)放空速率為 5×104m3/h、風(fēng)速為 2.0m/s時(shí)，不同大氣穩(wěn)定度條件下，煤層氣中甲烷濃度2.5%的擴(kuò)散范圍見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，以放空管口為中心線，擴(kuò)散云團(tuán)大部分位于放空管口的下風(fēng)向，上風(fēng)向僅存在體積較小的云團(tuán)。大氣穩(wěn)定度從A到F的變化過(guò)程中，形成的擴(kuò)散云團(tuán)體積逐漸增大，也就是說(shuō)，大氣條件越穩(wěn)定，越不利于煤層氣擴(kuò)散，影響范圍越大，但是，云團(tuán)體積的增幅較小。取不同風(fēng)速條件計(jì)算，大氣穩(wěn)定度對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍的影響均符合上述規(guī)律。

圖1 不同大氣穩(wěn)定度下可燃?xì)怏w擴(kuò)散云團(tuán)側(cè)視范圍

2.3.1.2 閃火范圍

可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍計(jì)算中，甲烷濃度 2.5%～5.0%為其閃火范圍，不會(huì)發(fā)生爆炸。當(dāng)放空速率為5×104m3/h、風(fēng)速為 2.0m/s時(shí)，不同大氣穩(wěn)定度條件下，閃火范圍計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同大氣穩(wěn)定度下閃火范圍

圖2中，同一大氣穩(wěn)定度下，兩點(diǎn)之間的距離為其閃火范圍。可以看出，閃火范圍的變化與可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍的變化一致，即，隨著大氣穩(wěn)定度從A變化到F，閃火范圍逐漸增加，但是，增幅較小。不同風(fēng)速條件下，閃火范圍隨大氣穩(wěn)定度的變化均呈現(xiàn)上述規(guī)律。

2.3.1.3 噴射火熱輻射范圍

煤層氣點(diǎn)火放空時(shí)，會(huì)引起噴射火熱輻射影響，當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為 4.0kW/m2時(shí)，人員死亡率為0；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為12.5kW/m2時(shí)，死亡率為6.53%；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為37.5kW/m2時(shí)，死亡率為98.74%。不同熱輻射強(qiáng)度下產(chǎn)生的后果見(jiàn)表2。根據(jù)GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，火炬設(shè)計(jì)允許熱輻射強(qiáng)度見(jiàn)表3。

當(dāng)放空速率為5×104m3/h、風(fēng)速為 2.0m/s時(shí)，不同大氣穩(wěn)定度條件下，噴射火熱輻射范圍見(jiàn)圖3。

表2 不同熱輻射強(qiáng)度產(chǎn)生的后果

表3 火炬設(shè)計(jì)允許熱輻射強(qiáng)度（未計(jì)太陽(yáng)熱輻射）

圖3 不同大氣穩(wěn)定度下噴射火熱輻射范圍

由圖 3可以看出，大氣穩(wěn)定度取A～F的不同工況下，噴射火熱輻射曲線吻合。因此，大氣穩(wěn)定度對(duì)噴射火熱輻射基本沒(méi)有影響。

2.3.1.4 云團(tuán)爆炸邊界

爆炸超壓是指爆炸產(chǎn)生沖擊波的壓力與大氣壓之間的壓力差，爆炸超壓對(duì)人的傷害程度見(jiàn)表4。

表4 爆炸超壓對(duì)人的傷害程度

利用軟件對(duì)煤層氣放空形成的擴(kuò)散云團(tuán)發(fā)生爆炸的條件進(jìn)行研究。計(jì)算結(jié)果表明，在軟點(diǎn)火（給定點(diǎn)火源）的條件下，大氣穩(wěn)定度對(duì)云團(tuán)爆炸邊界有一定的影響，不同大氣穩(wěn)定度可引起爆炸的放空速率見(jiàn)表5。

表5 大氣穩(wěn)定度對(duì)可燃?xì)怏w云團(tuán)爆炸邊界的影響

由表5可以看出，大氣越穩(wěn)定，可燃?xì)怏w擴(kuò)散云團(tuán)發(fā)生爆炸的放空速率越低，即，引起爆炸的可能性越大。計(jì)算條件下，可引起云團(tuán)爆炸的放空速率邊界值為22×104～42×104m3/h。

2.3.2 風(fēng)速

研究當(dāng)放空速率為 5×104m3/h、大氣穩(wěn)定度為D、風(fēng)速為 1.5～20.0m/s時(shí)放空后果影響范圍的變化情況。

2.3.2.1 可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍

不同風(fēng)速條件下，可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，圖中云團(tuán)邊界甲烷濃度為2.5%。

圖4 不同風(fēng)速下可燃?xì)怏w擴(kuò)散云團(tuán)側(cè)視范圍

圖4中，隨著風(fēng)速?gòu)?.5m/s增加到20.0m/s，可燃?xì)怏w擴(kuò)散云團(tuán)的形狀發(fā)生了較大的變化，云團(tuán)整體沿下風(fēng)向拉長(zhǎng)、厚度減少，但是，云團(tuán)體積變化不大。

2.3.2.2 閃火范圍

風(fēng)速15.0m/s相當(dāng)于7～8級(jí)大風(fēng)，風(fēng)速2.0m/s相當(dāng)于2級(jí)微風(fēng)，分別為陸上較為常見(jiàn)的風(fēng)力較強(qiáng)和較弱的情況。因此，選取風(fēng)速 15.0m/s和 2.0m/s作為閃火范圍的研究條件。2種風(fēng)速條件下的閃火范圍計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖 5中，2條線段之間的區(qū)域表示不同風(fēng)速下的閃火范圍?？梢钥闯觯L(fēng)速對(duì)閃火范圍有較大影響，隨著風(fēng)速的增大，閃火范圍最遠(yuǎn)波及距離增大，由2.0m/s時(shí)的4.6m增加至15.0m/s時(shí)的7.7m，同時(shí)，閃火覆蓋區(qū)域面積增加。

圖5 不同風(fēng)速下閃火范圍

2.3.2.3 噴射火熱輻射范圍

不同風(fēng)速條件下，煤層氣點(diǎn)火放空時(shí)的噴射火熱輻射范圍變化情況見(jiàn)圖6。

圖6 不同風(fēng)速下噴射火熱輻射范圍

由圖 6可以看出，隨著風(fēng)速?gòu)?1.5m/s增大到20.0m/s，沿著下風(fēng)向，噴射火熱輻射強(qiáng)度最大值和輻射影響距離均逐漸增加，且增幅逐漸增大。因此，風(fēng)速對(duì)噴射火熱輻射的影響較為顯著。

2.4 不同放空速率影響后果計(jì)算

2.4.1 擴(kuò)散影響范圍

典型的煤層氣放空形成的可燃?xì)怏w擴(kuò)散云團(tuán)側(cè)視范圍見(jiàn)圖7、圖8。圖7中，黃色區(qū)域?yàn)榧淄闈舛龋?5.0%的范圍；粉色區(qū)域?yàn)?5.0%＜甲烷濃度＜15.0%的范圍，在此范圍內(nèi)，遇到點(diǎn)火源云團(tuán)會(huì)發(fā)生爆炸；青色區(qū)域?yàn)?.5%＜甲烷濃度＜5.0%的范圍，在此范圍內(nèi)，遇到點(diǎn)火源云團(tuán)會(huì)發(fā)生閃火，但是，不會(huì)發(fā)生爆炸。圖8中，紅色區(qū)域甲烷濃度為5.0%，藍(lán)色區(qū)域甲烷濃度為100×10-6，橙色區(qū)域甲烷濃度為50×10-6，紫色區(qū)域甲烷濃度為49×10-6。

圖7 可燃?xì)怏w擴(kuò)散云團(tuán)側(cè)視范圍-A

圖8 可燃?xì)怏w擴(kuò)散云團(tuán)側(cè)視范圍-B

由圖 7、圖 8可以看出，煤層氣放空時(shí)，可燃?xì)怏w出放空管口先向上沖，然后，沿著下風(fēng)向逐漸擴(kuò)散，形成羽毛狀區(qū)域。直至距離放空管口水平距離約2 990m處，放空氣體仍未出現(xiàn)向下，即，向地面飄散的情況。

選取陸上常見(jiàn)的大氣穩(wěn)定度等級(jí) D及風(fēng)速15m/s的氣象條件，對(duì)不同放空速率下煤層氣集輸系統(tǒng)放空擴(kuò)散影響范圍進(jìn)行研究。煤層氣井場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9，煤層氣站場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 不同放空速率下煤層氣擴(kuò)散影響范圍（井場(chǎng)）

圖10 不同放空速率下煤層氣擴(kuò)散影響范圍（站場(chǎng)）

由圖9、圖10可以看出，煤層氣放空的可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍與放空速率有關(guān)，隨著放空速率的增加，煤層氣擴(kuò)散范圍逐漸增大。對(duì)于井場(chǎng)來(lái)說(shuō)，放空速率從83m3/h增加至4 167m3/h，甲烷濃度5.0%的擴(kuò)散范圍從0.11m增加至0.76m，甲烷濃度2.5%的擴(kuò)散范圍從 0.28m增加至 1.84m；對(duì)于站場(chǎng)來(lái)說(shuō)，放空速率從 4 167m3/h增加至 20 833m3/h，甲烷濃度5.0%的擴(kuò)散范圍從 0.76m增加至 1.62m，甲烷濃度2.5%的擴(kuò)散范圍從1.84m增加至4.04m。

因此，不點(diǎn)火放空時(shí)，地面水平方向上，煤層氣井場(chǎng)甲烷濃度 5.0%的擴(kuò)散距離約 1m，甲烷濃度2.5%的擴(kuò)散距離約 2m；煤層氣站場(chǎng)甲烷濃度 5.0%的擴(kuò)散距離約2m，甲烷濃度2.5%的擴(kuò)散距離約4m。

2.4.2 噴射火熱輻射影響范圍

典型的煤層氣放空噴射火熱輻射影響范圍見(jiàn)圖11。由圖11可以看出，在放空立管下風(fēng)向，隨著距離的增加，地面熱輻射強(qiáng)度曲線呈拱形，具有先增加再減少的拋物線特性。

圖11 放空速率4 167m3·h-1時(shí)噴射火熱輻射影響范圍

不同放空速率下，煤層氣井場(chǎng)點(diǎn)火放空的噴射火熱輻射影響范圍見(jiàn)圖12，煤層氣站場(chǎng)點(diǎn)火放空的噴射火熱輻射影響范圍見(jiàn)圖13。

圖12 不同放空速率下熱輻射影響范圍（井場(chǎng)）

圖13 不同放空速率下熱輻射影響范圍（站場(chǎng)）

由圖 12、圖 13可以看出，噴射火熱輻射范圍與放空速率有關(guān)，放空速率越大，噴射火熱輻射影響范圍越大。對(duì)于井場(chǎng)來(lái)說(shuō)，放空速率≤4 167m3/h，熱輻射強(qiáng)度最高值為1.46kW/m2；對(duì)于站場(chǎng)來(lái)說(shuō)，4 510m3/h≤放空速率≤16 900m3/h時(shí)，1.58kW/m2≤最大熱輻射強(qiáng)度≤4.00kW/m2，1.58kW/m2熱輻射強(qiáng)度影響范圍從約 7m增加至約 31m；當(dāng)放空速率＞16 900m3/h時(shí)，最大熱輻射強(qiáng)度超過(guò)4.00kW/m2，當(dāng)放空速率為20 833m3/h時(shí)，最大熱輻射強(qiáng)度達(dá)到了4.54kW/m2，1.58kW/m2熱輻射強(qiáng)度影響范圍增加至約 36m。但是，隨著放空速率的增大，噴射火最大熱輻射強(qiáng)度影響范圍變化不大，約為6～11m。因此，點(diǎn)火放空時(shí)，煤層氣井場(chǎng)的熱輻射強(qiáng)度均不超過(guò)1.58kW/m2，煤層氣站場(chǎng)的熱輻射強(qiáng)度均小于4.73kW/m2。

3 結(jié)論

一是，放空速率是影響煤層氣放空后果的關(guān)鍵因素。環(huán)境因素中，風(fēng)速對(duì)煤層氣放空后果的影響大于大氣穩(wěn)定度。

二是，大氣穩(wěn)定度對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍、閃火范圍和噴射火熱輻射范圍的影響不大，對(duì)煤層氣超壓爆炸邊界的影響較為明顯。但是，在我國(guó)目前煤層氣集輸系統(tǒng)工況條件下，煤層氣集輸系統(tǒng)放空基本上不會(huì)引起超壓爆炸。

三是，風(fēng)速對(duì)閃火范圍和噴射火熱輻射范圍的影響較顯著，風(fēng)速越大，閃火范圍和熱輻射范圍越大，且強(qiáng)度增加。風(fēng)速對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍有一定程度的影響，主要體現(xiàn)在云團(tuán)形狀的不規(guī)則變化，但是，整個(gè)云團(tuán)體積變化相對(duì)較小。

四是，同等放空條件下，煤層氣點(diǎn)火放空的影響范圍遠(yuǎn)大于不點(diǎn)火放空。不點(diǎn)火放空對(duì)集輸系統(tǒng)選址、布局和安全間距的影響和優(yōu)化需進(jìn)一步研究。

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