井口天然氣泄漏擴(kuò)散危險區(qū)域的分析

張志華 肖軍詩 李修峰(.中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；

2.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450)

0 引言

可燃?xì)怏w泄漏形成的可燃?xì)庠迫急捎谄茐男源?，容易造成悲劇性后果，受到國?nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。多數(shù)學(xué)者對井噴事故后果研究集中于淺海常規(guī)油氣田的開采[1-4]，我國深海油氣鉆井的裝備和技術(shù)不斷發(fā)展，分析預(yù)測天然氣鉆采過程中井噴泄漏后天然氣可燃?xì)庠茢U(kuò)散規(guī)律及危險區(qū)域分布，可為優(yōu)化平臺設(shè)備布局和優(yōu)化可燃?xì)怏w探測器布置提供參考。

1 鉆井平臺數(shù)值仿真模型

1.1 鉆井平臺建立及網(wǎng)格劃分

以某鉆井平臺的基本外形尺寸為基礎(chǔ)進(jìn)行三維平臺外形幾何模型的建立，建立的鉆井平臺三維模型如圖1 所示，平臺總長117m，船寬92.7m，主甲板高36.3m。三維建模時，只建立平臺主要結(jié)構(gòu)和設(shè)備，包括鉆井平臺主甲板、鉆臺、生活區(qū)、吊車、直升機(jī)甲板等。用Gambit 進(jìn)行前處理時，采用較大的模擬計算空間X400m、Y200m、Z300m。由于平臺外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分時采用三角形網(wǎng)格，并對泄漏口附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，計算區(qū)域外輪廓采用四邊形網(wǎng)格，整個內(nèi)部空間采用四面體網(wǎng)格。最終劃分出的非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格如圖2 所示，網(wǎng)格數(shù)5×106。

圖1 “CIMC Bluewhale I”鉆井平臺模型

1.2 模型邊界條件設(shè)置

數(shù)值求解時，假設(shè)通過計算域頂部和兩側(cè)邊界的流體變量梯度為零，計算域頂部和兩側(cè)邊界采用對稱邊界條件；井口采用質(zhì)量入口邊界條件。

圖2 計算域網(wǎng)格模型

2 泄漏氣體擴(kuò)散規(guī)律分析

井口泄漏天然氣主要成分為甲烷，其體積分?jǐn)?shù)為99.6%，井口溫度為26℃，大氣溫度為27℃，空氣相對濕度為60%。分析5.5m/s 風(fēng)速、SE 和NE 方向來風(fēng)條件下的天然氣噴射擴(kuò)散情況。根據(jù)天然氣試采設(shè)計預(yù)測，試采天然氣量1000～10000m3/d(0.7～7m3/min)。參考該試采作業(yè)產(chǎn)氣量及鄰近區(qū)域氣井產(chǎn)量，選取7m3/min、70m3/min、350m3/min、700m3/min 四個不同等級井口泄漏天然氣流量來分析泄漏天然氣在該鉆井平臺的擴(kuò)散過程。

2.1 天然氣擴(kuò)散過程分析

以700m3/min 井口泄漏天然氣流量為例進(jìn)行分析。井口泄漏后天然氣從井口高速噴出，在來風(fēng)作用下與周圍空氣逐漸混合，慢慢向大氣中擴(kuò)散，最終形成穩(wěn)定的氣體噴射流。將可燃?xì)怏w探測器一級報警值(可燃?xì)怏w爆炸下限20%)天然氣1%濃度等值面定義為氣體的空間范圍。受井口高壓力影響，井口泄漏開始后天然氣迅速向鉆臺上部發(fā)展，0～40s，天然氣擴(kuò)散范圍隨時間迅速增大。井口泄漏初期，高速流出的天然氣受井口影響大于風(fēng)速影響，天然氣向下風(fēng)向偏斜不大。隨著距離井口增大，天然氣擴(kuò)散速度下降，來風(fēng)對天然氣影響越來越大，天然氣在船體橫向方向擴(kuò)散距離和向下風(fēng)向的偏斜角度不斷增大。受井架等結(jié)構(gòu)影響，主甲板區(qū)域形成不同程度的回旋渦流區(qū)。但由于天然氣高速噴出向上部方向發(fā)展，主甲板上部大部分模塊對天然氣擴(kuò)散的影響并不大。隨著泄漏的持續(xù)，氣云發(fā)展趨于穩(wěn)定，80s 后其分布區(qū)域達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定值。

2.2 天然氣危險區(qū)域分析

天然氣爆炸極限范圍為5.0%～15.0%，將此濃度范圍的區(qū)域作為擴(kuò)散天然氣的危險區(qū)域。

鉆臺區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)下的井口泄漏射流在來風(fēng)作用下向下風(fēng)方向偏斜，射流截面近似橢圓形。穩(wěn)定狀態(tài)下，天然氣爆炸氣云空間分布體積為517.81m3，其在平臺橫向、平臺縱向及垂直方向分布范圍分別為23.43m、17.24m、51.56m。表1 為相應(yīng)的天然氣危險區(qū)域范圍統(tǒng)計。

表1 穩(wěn)定狀態(tài)下天然氣危險區(qū)域范圍

圖3 為SE 風(fēng)向來風(fēng)作用下5%濃度天然氣范圍。受井口高壓作用，可燃?xì)庠浦饕植荚诰谏戏骄芨浇瑏盹L(fēng)對氣體運動的影響作用小于井口高壓。SE 來風(fēng)作用下可燃?xì)庠品植计顓^(qū)，一旦被點燃發(fā)生燃爆，生活區(qū)受到的高溫、熱輻射作用更加強(qiáng)烈。圖4 為井口泄漏溢流7m3/min 流量泄漏時1%濃度天然氣分布，此工況下天然氣泄漏量較小，不會聚集形成可燃?xì)庠啤?%濃度氣云分布在井口周圍較小范圍，不會產(chǎn)生探測器報警。

圖3 SE方向風(fēng)向來風(fēng)作用下5%濃度天然氣范圍

圖4 溢流7m3/min流量1%濃度天然氣分布

井口天然氣在不同泄漏流量下穩(wěn)定可燃?xì)庠品植?，流量越大，井口泄漏后井口壓力對氣體運動影響越大，反之來風(fēng)對氣體運動過程影響較大。流量為700m3/min 時，水平方向可燃?xì)庠品植挤秶謩e為18.43m 和20.87m，垂直方向為59.29m；流量350m3/min 時，水平方向可燃?xì)庠品植挤秶謩e為22.65m和21.78m，垂直方向上為39.18m；流量70m3/min 時，水平方向可燃?xì)庠品植挤秶謩e為12.22m 和24.11m，垂直方向上為17.0m。表2 為不同泄漏流量下，井口泄漏天然氣擴(kuò)散在各方向上的分布。

表2 不同泄漏流量下井口泄漏天然氣擴(kuò)散云分布

3 結(jié)語

根據(jù)平臺作業(yè)環(huán)境條件，設(shè)置邊界條件，模擬作業(yè)環(huán)境風(fēng)場。風(fēng)速5.5m/s 為主要風(fēng)速、SE 和NE 風(fēng)向為主要風(fēng)向。垂直方向上風(fēng)速隨高度增加呈現(xiàn)層狀風(fēng)速帶，水平方向受平臺設(shè)備影響風(fēng)場分布復(fù)雜多變，設(shè)備密集處形成低風(fēng)速渦流區(qū)及回旋渦流區(qū)。泄漏氣體易于此類區(qū)域聚集，布置可燃?xì)怏w探頭時應(yīng)著重考慮此類區(qū)域。

以井口泄漏天然氣流量700m3/min 為例分析井口泄漏天然氣擴(kuò)散過程。井口泄漏初期，井口高壓作用下天然氣主要向上部空間發(fā)展，并與空氣混合。距離井口較遠(yuǎn)區(qū)域，來風(fēng)對天然氣影響作用增大，逐漸向下風(fēng)向偏斜并形成穩(wěn)定氣云。不同等級井口泄漏天然氣泄漏流量下穩(wěn)定可燃?xì)庠品植?，流量越大，井口泄漏后井口對氣體運動影響越大，反之來風(fēng)對氣體運動過程影響較大。

泄漏天然氣形成的可燃?xì)庠浦饕植荚诰谏戏骄芨浇椒较蜃钸h(yuǎn)擴(kuò)散距離為23.43m。在此半徑范圍內(nèi)，可重點布置可燃?xì)怏w探測器，并重點控制，防止點火源的出現(xiàn)。同時設(shè)置風(fēng)機(jī)，有助于可燃?xì)鈿怏w擴(kuò)散稀釋。