基于FLUENT 的海上平臺(tái)天然氣泄漏擴(kuò)散分析

侯永亮，孟 瑄，宋峙潮，鄭 卓，和鵬飛，陳 真，王志超，史曉萌

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

受設(shè)備和工藝等不完善因素的制約，海上平臺(tái)存在天然氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。泄漏出的天然氣會(huì)在大氣作用下擴(kuò)散或聚集，在外部大氣風(fēng)力較大時(shí)，可有效地將泄漏出的天然氣濃度降至較安全的水平；當(dāng)風(fēng)力較小時(shí)，泄漏出的天然氣擴(kuò)散較慢，容易發(fā)生聚集，遇周圍明火源，易引發(fā)火災(zāi)、爆炸類升級事故，會(huì)對周邊人員及設(shè)施造成較大傷害[1-3]。以往有學(xué)者就天然氣泄漏及擴(kuò)散問題進(jìn)行了軟件模擬，但很少涉及海上平臺(tái)的天然氣泄漏[4-10]。在一些針對海上平臺(tái)天然氣泄漏的研究中，往往建立的是假設(shè)模型，很少有針對實(shí)際問題的模擬。因此，有必要結(jié)合實(shí)際平臺(tái)及氣候條件進(jìn)行模擬分析。

1 泄漏及擴(kuò)散理論

海上平臺(tái)天然氣的泄漏與擴(kuò)散遵循物理守恒定律，包括3 大守恒：質(zhì)量守恒、能量守恒和組分守恒。物理守恒定律被數(shù)學(xué)描述為控制方程。

1.1 連續(xù)方程

連續(xù)方程描述的是質(zhì)量守恒定律，公式如下：

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；u-x方向的速度矢量；v-y方向的速度矢量；w-z方向的速度矢量。

1.2 能量方程

能量方程描述的是能量守恒定律，數(shù)學(xué)表述如下：

式中：T為溫度；k為流體傳熱系數(shù)；CP為比熱容；ST為黏性耗散項(xiàng)。

1.3 對流擴(kuò)散方程

對流擴(kuò)散方程又叫組分方程，描述的是組分守恒，數(shù)學(xué)表述如下：

式中：cs為組分s 的體積濃度；ρcs為組分s 的質(zhì)量濃度；Ds為組分s 的擴(kuò)散系數(shù)；Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位體積在單位時(shí)間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生組分s 的量。

2 平臺(tái)概況

A 平臺(tái)是一座4 腿導(dǎo)管架式平臺(tái)，有生產(chǎn)氣井6 口。主樁腿直徑Φ1 651 mm，鋼樁Φ1 511 mm，入泥深度88.6 m。平臺(tái)水深15.5 m，設(shè)計(jì)使用20 年。

B 平臺(tái)是一座無人駐守平臺(tái)，該平臺(tái)3 口生產(chǎn)井，距離A 平臺(tái)3 km，平臺(tái)采用3 腿導(dǎo)管架形式；平臺(tái)主樁腿直徑Φ1 193.8 mm，鋼樁直徑Φ1 066.8 mm，入泥深度64.5 m。平臺(tái)水深17.8 m，設(shè)計(jì)使用12 年。井口甲板東側(cè)布置了3 口氣井；北側(cè)布置了放空分液罐和放空塔，南側(cè)布置了吊機(jī)，平臺(tái)靠船面在南側(cè)。

C 平臺(tái)是一座新建的正常生產(chǎn)時(shí)無人井口平臺(tái)，平臺(tái)采用單腿三樁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)由單層主甲板組成，主尺寸為14 m×13.5 m，標(biāo)高16 m。主甲板由防火墻分隔，西側(cè)為生產(chǎn)區(qū)域，東側(cè)為電、儀設(shè)施區(qū)域，南側(cè)為供應(yīng)船停靠區(qū)域，吊機(jī)布置在甲板西南側(cè)；北側(cè)為冷放空區(qū)域。主甲板下層懸掛一排放甲板，用于容納排放罐和排放泵及蹬平臺(tái)設(shè)施。

3 FLUENT 軟件及建模

3.1 FLUENT 軟件簡介

3 個(gè)平臺(tái)共有4 口井在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)油套同壓，在氣體組分和地層水調(diào)查中發(fā)現(xiàn)腐蝕性氣體和高離子含量的地層水，有造成套管腐蝕從而引發(fā)天然氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，故針對A 平臺(tái)油套同壓井A3 井和A5 井、B 平臺(tái)的B6 井以及C 平臺(tái)的C2 井可能出現(xiàn)的天然氣擴(kuò)散問題，選用FLUENT12.1 和前置作圖工具Gambit 進(jìn)行模擬計(jì)算，通過Gambit 建立問題的幾何模型，并且劃分出計(jì)算的網(wǎng)格，定義具體問題的邊界條件，然后使用FLUENT12.1 讀入建立好的物理模型，選取計(jì)算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，輸出結(jié)果并且分析。針對項(xiàng)目實(shí)際情況，油套同壓井的泄漏天然氣擴(kuò)散的模擬思路如下。

（1）模型一端輸入空氣，直至穩(wěn)定。

（2）井口端釋放天然氣，同時(shí)，模型一端以一定流速一定角度輸入空氣以模擬風(fēng)對擴(kuò)散的影響。

3.2 幾何模型建立

為便于更真實(shí)地模擬有風(fēng)條件下井口甲烷的擴(kuò)散情況，在模擬的泄漏空間外建立一個(gè)外部的環(huán)境空間，根據(jù)平臺(tái)所在海域的真實(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)加載所受風(fēng)載荷。在泄漏模型建立中，A 平臺(tái)泄漏井為A3 井和A5 井，B 平臺(tái)泄漏井為B6 井，C 平臺(tái)泄漏井為C2 井，泄漏點(diǎn)均選取在井口位置，井口分布如圖1 所示。

圖1 3 個(gè)平臺(tái)井口分布

3.3 邊界條件

3.3.1 泄漏點(diǎn)邊界條件

可燃?xì)怏w泄漏模擬計(jì)算邊界條件及相關(guān)假設(shè)如下。

（1）忽略泄漏液態(tài)油氣相揮發(fā)，只模擬純氣體泄漏后的擴(kuò)散泄漏，天然氣只考慮甲烷一種組分，初始體積濃度設(shè)定為100%。

（2）泄漏點(diǎn)選取在井口位置。

（3）根據(jù)井的產(chǎn)氣量設(shè)定天然氣泄漏速率，A3 井產(chǎn)氣量取1.17×104m3/d，即0.099 6 kg/s；A5 井產(chǎn)氣量取5.757 6×104m3/d，即0.477 8 kg/s；B6 井產(chǎn)氣量取11.2×104m3/d，即0.929 4 kg/s；C2 井產(chǎn)氣量取7.2×104m3/d，即0.597 5 kg/s。

3.3.2 環(huán)境邊界條件

根據(jù)對3 個(gè)平臺(tái)實(shí)際工程地質(zhì)與物探調(diào)查的相關(guān)資料，選取計(jì)算強(qiáng)風(fēng)向（NE）以及N 和E 方向高頻風(fēng)的風(fēng)載荷信息，其中強(qiáng)風(fēng)向（NE）風(fēng)速選取重現(xiàn)期為1 a 的1 h平均風(fēng)速、1 min 平均風(fēng)速和3 s 鐘陣風(fēng)風(fēng)速。N 和E 方向的風(fēng)速選取該方向最高頻率風(fēng)速段的平均值。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 模擬擴(kuò)散結(jié)果

通過對3 個(gè)平臺(tái)4 口井的泄漏模型及條件的模擬，得到了較為形象的可視化模擬結(jié)果。

表1 呈現(xiàn)了4 口井在所有預(yù)設(shè)風(fēng)速及風(fēng)向條件下擴(kuò)散的氣體殘留體積。由表1 可以看出，泄漏氣體的擴(kuò)散體積的主要影響因素為井的泄漏速率和風(fēng)速條件。采用FLUENT 對天然氣泄漏進(jìn)行了模擬分析，強(qiáng)風(fēng)向（NE）作用下，泄漏氣體的影響范圍較小和影響的設(shè)備也較少。當(dāng)N 風(fēng)向風(fēng)速為9 m/s 以及E 風(fēng)向風(fēng)速為7 m/s 時(shí)，泄漏可燃?xì)怏w殘留體積相對較大，影響的范圍也相對較大。

表1 天然氣擴(kuò)散體積

4.2 模擬結(jié)果分析

（1）從模擬計(jì)算的結(jié)果來看，風(fēng)速越大時(shí)，擴(kuò)散殘留體積越小，更利于甲烷的擴(kuò)散。A3 井的位置較A5 井的位置更靠近中部，所以有利于甲烷擴(kuò)散，由于A5 井的位置原因以及其擴(kuò)散量相對較少，其泄漏造成的影響范圍更小。

（2）泄漏空間為開放空間，通風(fēng)效果較理想，因此易于天然氣的擴(kuò)散。由甲板布置圖可知，該層甲板中布置有操作室、休息室等結(jié)構(gòu)，位置正處于強(qiáng)風(fēng)向的下風(fēng)向，因此對泄漏氣體的擴(kuò)散產(chǎn)生阻擋作用。由擴(kuò)散形態(tài)圖可知，強(qiáng)風(fēng)向作用下操作室等結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙天然氣的擴(kuò)散，而N風(fēng)向以及E 風(fēng)向作用時(shí)，該結(jié)構(gòu)對天然氣擴(kuò)散的影響不大，風(fēng)進(jìn)入甲板區(qū)域流動(dòng)較為順暢，易于天然氣的擴(kuò)散。另外，由布置圖可知，井口上方約5 m 處存在板架結(jié)構(gòu)，由擴(kuò)散側(cè)視圖可以看出，該板架結(jié)構(gòu)對泄漏氣體擴(kuò)散幾乎沒有影響。強(qiáng)風(fēng)向（NE）作用下，泄漏氣體的影響范圍較小和影響的設(shè)備也較少。當(dāng)N 風(fēng)向風(fēng)速為9 m/s 以及E 風(fēng)向風(fēng)速為7 m/s 時(shí)，泄漏可燃?xì)怏w殘留體積相對較大，影響的范圍也相對較大。由于B6 井的泄漏量不大，總的來說，其泄漏影響范圍不大。

（3）泄漏空間為開放空間，通風(fēng)效果較理想。同時(shí)，由甲板布置圖可知，該層甲板主要結(jié)構(gòu)物對計(jì)算風(fēng)向的阻擋影響很小，風(fēng)進(jìn)入甲板區(qū)域流動(dòng)較為順暢，易于天然氣的擴(kuò)散。強(qiáng)風(fēng)向（NE）作用下，泄漏氣體的影響范圍較小和影響的設(shè)備也較少。當(dāng)N 風(fēng)向風(fēng)速為9 m/s 以及E 風(fēng)向風(fēng)速為7 m/s 時(shí)，泄漏可燃?xì)怏w殘留體積相對較大，影響的范圍也相對較大。由于C2 井的泄漏量不大，總的來說，其泄漏影響范圍不大。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用FLUENT 軟件對真實(shí)海上平臺(tái)天然氣泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行了可視化模擬，通過對不同風(fēng)向、風(fēng)速下的天然氣殘留體積和甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的模擬計(jì)算，分析得出了3 個(gè)平臺(tái)天然氣泄漏極限情況造成的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）A3 井在全年最弱風(fēng)速下泄漏殘留天然氣體積為1.186 m3，高于強(qiáng)風(fēng)條件下7～10 倍；A5 井在全年最弱風(fēng)速下泄漏殘留天然氣體積為3.79 m3；B6 井因其產(chǎn)量折算漏速較高，在全年最弱風(fēng)速下泄漏殘留天然氣體積為4.18 m3；C2 井在全年最弱風(fēng)速下泄漏殘留天然氣體積為3.288 m3。

（3）根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》可燃?xì)怏w探測器應(yīng)安裝在危險(xiǎn)區(qū)及通風(fēng)和助燃空氣的入口處，探測器應(yīng)分別安裝在泄漏源附近和可燃?xì)馊菀拙鄯e的地方，以保障能探測到輕于空氣和重于空氣的可燃?xì)怏w并保證其工作不受環(huán)境的影響。