川渝地区是中国目前含H2S天然气最富集的地区, 其H2S含量高达17%[1]。虽然H2S的形成有利于天然气的形成和聚集成藏, 可以为勘探提供线索和目标, 但是H2S是一种剧毒的危害性气体, 属Ⅱ级毒物, 其化学性质不稳定, 在空气中极易燃烧[2]。对于高含硫化氢的气藏, 一旦发生井喷硫化氢泄漏, 极易造成重大的伤亡事故和经济损失, 以及环境污染。研究含硫天然气泄漏后的扩散规律, 对高含硫天然气勘探开发工程项目的安全性评价, 对建设和生产过程中安全监控措施的制定与实施以及含硫天然气意外泄漏后, 科学的判断泄漏气体扩散的浓度分布、危险区范围和持续时间, 对井场布置、确定管道走向、集气站选址以及制定补救与防护措施 (现场戒严、人员疏散、火源控制区域的确定) , 都具有十分重要的意义[3]。
天然气在大气中的扩散属于气体污染物在大气中的扩散, 对气体污染物在大气中的扩散, 人们已经进行了较为深入全面的研究并建立了一系列的模型。国内关于这方面的研究则相对较晚, 近几年来一些学者就危险气体泄漏理论和模型给出了相关研究。国外从20世纪七、八十年代已开始这方面的研究工作并建立了一系列的计算模型, 同时也进行了许多大规模试验, 至今在该领域的研究仍比较活跃[4]。
FLUENT软件是世界上流行的商用CFD软件包, 具有丰富的物理模型和先进的数值分析方法, 加上强大的前后处理功能, 使其在石油天然气、航空航天等均有应用, 而且, 该软件在流体、化学反应和热传递方面都可以使用。FLUENT软件应用范围很广泛, 可以对很多问题进行求解, 如对层流与湍流、对流换热、可压缩与不可压缩流体等的流动过程进行模拟。
1) 建立控制方程;2) 确立初始条件及边界条件;3) 划分计算网格, 生产计算节点;4) 建立离散方程;5) 离散初始条件和边界条件;6) 给定求解控制参数;7) 求解离散方程;8) 保存结果以进行后处理等。
本文模拟含硫化氢天然气气井发生井喷事故, 周围大气环境温度为300K, 环境压力为0.1MPa, 对平坦地势和有山体的丘陵分别对硫化氢扩散进行了模拟, 天然气在大气中的扩散在水平方向上较远, 所以模拟区域选取水平方向1100m, 垂直方向为300m, 井口为0.3m, 选择井口为速度入口, 左边为风速的进口, 右侧和上面为压力出口。模拟不同井喷流速下、不同风速下硫化氢和甲烷在大气中浓度的扩散变化规律。
其中丘陵地区几何图形为:
图中井口距离左边风速入口300m, 距离右边山体500m, 山体基底宽度200m, 高度200m。
本论文主要研究硫化氢的泄漏扩散问题, 为简化计算, 假设发生泄漏的天然气只含有甲烷和硫化氢两种气体。
风速根据以往经验一般选取0m/s、3m/s、8m/s。井口天然气的速度分别为120m/s、180 m/s。
同时, 考虑到硫化氢和甲烷在空间浓度超过一定范围后对人类造成生命威胁, 故改变云图的显示范围, 已明确安全区域, 这里硫化氢的临界浓度根据国家标准选取20mg/m3, 甲烷临界浓度选取35 850mg/m3。
当取H2S含量15%, 井喷速度120m/s时, 在风速为0、3、8m/s时, 硫化氢在井场上的浓度分布如下图。
危险区域 (白色区域, 硫化氢浓度在20mg/m3以上) 对比图:
分析:静风时, H2S危险区域呈蘑菇云状, 且有一定的扭曲, 危险区域随海拔和井口压强的增高而增大。有风时, H2S危险区域明显在下风向, 风速越大, 危险区域越接近地面且相对较长, 当遇到山体等地面障碍物时, 风速越大湍流效应越明显, 尤其是在山体后面形成湍窝, 湍流效应加剧, 因此, 并不是高大障碍物背风处就一定是安全区域, 应视情况而定。
当取H2S含量15%, 在风速为3m/s时, 井喷速度120m/s和180m/s硫化氢在井场上的浓度分布如下图。
危险区域 (白色区域, 硫化氢浓度在20mg/m3以上) 对比:
分析:井口速度越高, 径向传播距离越长, 在下风向趋势越明显。井口速度越大, 气体扩散高度越高且传播距离越远, 危险区域变大。
当井喷速度120m/s时, 在风速为3m/s时, H2S含量15%时, 硫化氢在井场上的浓度分布如下图。
危害区域 (白色区域, 硫化氢浓度在20mg/m3以上) 对比:
分析:含H2S天然气井喷气体从井口喷射而出, 在地势平坦地区有风时向下风向扩散, 进入大气以后浓度逐渐降低, 渐渐与大气参数平衡, 与空气稀释到基本无毒。当在下风向有山体丘陵等障碍物时, H2S在障碍物前聚集, 阻碍H2S的扩散, 同时向高空扩散在一定程度上减少了硫化氢的危害面积。
当井喷速度120m/s时, 在风速为3m/s时, H2S含量15%时, H2S和CH4在井场上的危害分布如下图:
分析:H2S的危害区域比CH4的危害区域大的多, 并且H2S的危害区域完全覆盖CH4的危害区域, 所以以往研究硫化氢的扩散中只研究硫化氢的扩散危害。
采用CFD方法对不同地形和不同风速等条件下井喷后H2S的扩散情况进行模拟分析, 可获得形象直观的H2S气体在计算区域内的浓度分布以及危险区域范围, 可为气井安全管理、风险评估、应急处理和事故分析等提供依据。
1) 总体上, 含硫天然气在盆地丘陵地区井喷泄漏后不易扩散, 危害范围较大, 静风时, H2S危险区域呈蘑菇云状, 且有一定的扭曲, 危险区域随井喷速度的增高而增大。有风时, H2S危险区域明显在下风向。
2) 井口喷射速度主要影响高空中H2S浓度的分布。井口速度越大, 气体扩散高度越高且传播距离越远, 危险区域变大。
3) 在地势平坦的地方H2S随风扩散危险区域大, 对于丘陵地区有地形障碍的地方H2S会向高空扩散。但如在下风地区, 地形障碍并不一定能有效阻止H2S的扩散, 要视情况而定。
4) 在发生天然气井喷事故后, 硫化氢的危害区域比甲烷的区域危害大, 影响范围大, 要密切注意硫化氢质量分数的监控。
对于高含硫天然气资源丰富的川渝地区而言, 模拟井喷后H2S扩散将是进行井场安全规划的重要借鉴。但现在模拟技术仍存在瓶颈, 一些较为重要因素依旧无法直观模拟考虑, 需要想出新的思路, 提高模拟可靠性。但不光如此, 对于井喷原因的研究也要加强, 尽量利用合理的作业措施将事故可能性降到最低也是重中之重。
摘要：硫化氢是一种强酸性, 有臭鸡蛋气味的剧毒无色气体, 含硫气井一旦发生井喷, 往往会照成难以估量的后果。文章采用CFD方法针对井喷后硫化氢的扩散进行模拟, 重点分析在不同风速、地形等条件下井喷后硫化氢的扩散规律。
关键词：硫化氢,泄露扩散,井喷,数值模拟
[1] 朱有光, 戴金星, 张水昌, 等.四川盆地高含H2S天然气的分布与TSR成因证据[J].地质学报, 2006, 80 (8) :1208-1218.
[2] 薛明昭.硫化氢泄露应急演练的组织与尝试[J].危险化学品管理, 2005, 5 (5) .
[3] 刘墨山.川渝地区含硫天然气管道泄漏事故后果模拟研究[D].北京:中国地质大学, 2010.
[4] Sklavounos S, Rigas F.Estimation of Safety Distances in the Vicinity of Fuel Gas Pipelines[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2006, 19:362-366.
