南海深水半潜式钻井平台井喷时可燃气体扩散规律＊

李修峰 陈国明 孟会行 朱 渊 师吉浩

（中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心 山东青岛 266580）

李修峰，陈国明，孟会行，等.南海深水半潜式钻井平台井喷时可燃气体扩散规律［J］.中国海上油气，2015，27（1）：111-115，120.

深水天然气钻采作业过程中可能发生井喷，井喷失控后大量天然气从井口喷出与空气混合形成可燃气云，一旦被点燃发生爆炸，将对平台人员、设备构成巨大危害。2010年墨西哥湾“深水地平线”井喷事故［1］、2007年墨西哥坎佩切湾“Usumacinta”平台事故均导致大量人员伤亡、财产损失和环境污染。

井喷形成的可燃气云燃爆破坏性大，容易引发重大连锁事故，已受到国内外学者的广泛关注。魏超南［2］以渤海某自升式平台为对象，通过建立仿真模型分析了井喷泄漏天然气扩散过程及平台危险区域分布；雷文章［3］通过对井喷后天然气喷射流分析，总结出了可燃气云稳定时间随环境条件变化规律；M.Dadashzadeh［4］通过建立“深水地平线”井喷事故模型，分析了井喷油气扩散过程；其他学者［5-6］对含硫气田井喷H2S气体扩散影响因素、扩散规律及其危险区域分布也进行了研究。但是，这些学者对井喷事故后果的研究大多集中于陆地含硫气田H2S危害分析与浅海气田。随着我国深水油气钻采作业的快速发展，分析预测井喷后天然气可燃气云发展规律及分布，可为应急救援作业提供科学指导。

1 深水井喷天然气扩散模型的建立

1.1 天然气扩散控制方程

井喷后天然气喷射扩散遵循质量、动量、能量和物质组分守恒方程，在此基础上建立天然气井喷流场数值模拟基本方程组［7］，即

式（1）中从左向右的4项分别为时间项、对流项、扩散项和项源，其中ρ为密度，φ为通用变量，u为速度，Г为扩散系数。同时，天然气以较高速度从井口喷出，其扩散过程为复杂非稳态湍流流动，采用标准κ-ε湍流模型对其进行描述。湍流输送方程［8］为

式（2）、（3）中：ρ为流体密度；μ为流体动力粘度；μt为流体涡流粘度；ui为流体流速第i方向分量；κ为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；σκ、σε分别为κ和ε的湍流Prandtl数，分别取1.0和1.3；Gκ和Gb分别表示平均速度梯度和浮力作用对湍流动能的影响；YM为可压湍流的波动扩张对整体耗散率的贡献；C1ε和C2ε均为常数，分别取1.44、1.92；C3ε为浮力对湍流耗散率的影响程度；Sκ和Sε为用户自定义源项。

1.2 半潜式钻井平台模型

以南海某半潜式钻井平台的基本结构及尺寸建立三维仿真模型，平台型长（x）116.6 m，型宽（z）96.7 m，型高（y）83.9 m，如图1所示。建模过程中以平台外部结构为目标，忽略内部舱室、工艺管线、人员通道、护栏等，模型包括船体、钻台、井架、生活区、吊车、直升机甲板、起重机、泥浆清理室等。采用较大模拟计算空间，计算域选定为500 m×500 m×300 m。采用Fluent前处理器Gambit分块网格划分法划分计算域网格，通过设置尺寸函数对井口区域进行网格加密，网格数目为3 375 500。模型非结构体网格如图2所示。

图1 南海某半潜式钻井平台模型Fig.1 Model of semi-submersible drilling platform in South China Sea

图2 南海某半潜式钻井平台网格模型Fig.2 Mesh model of semi-submersible drilling platform in South China Sea

1.3 边界条件

计算域顶部和两侧采用对称边界条件；底部与平台表面采用无滑移边界条件，粗糙度为0.01 m；来风面和井口采用速度入口边界条件；出流面采用自由发展出流边界条件。

计算过程分为2步：①引入风速计算稳定风场，采用指数风廓线方程［9］表征风速随距离海平面高度的变化；②引入泄漏源计算井喷气体喷射扩散过程，确定可燃气云空间分布。指数风廓线方程为

式（4）中：uZ和u10分别为距离海平面高度为Z处的风速和海域标准风速，m／s；Z为离海平面的高度，m。

2 天然气可燃气云发展过程分析

以南海某半潜式钻井平台气井井喷为例分析可燃气云发展规律。以该井最大日产能200万m3估算最大气体无阻流量，天然气主要成分为甲烷（占97.61%）；根据南海气象条件，分析全年来风平均风速为5.0 m／s时船首可燃气云（甲烷爆炸下限5%）发展规律。图3、4分别为该半潜式钻井平台船首可燃气云分布范围及形态随时间变化过程。

图3 南海某半潜式钻井平台船首可燃气云分布范围变化过程（风速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）

图4 南海某半潜式钻井平台船首可燃气云发展过程（风速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）

从图3、4可以看出，井喷后0～40 s间可燃气云体积随时间迅速增大，40～60 s间可燃气云体积增大趋于平缓，80 s左右达到稳定。井喷初期，天然气从井口高速喷出向上部空间发展，可燃气云主要分布在钻台上部区域，随着井口压力作用减弱和来风作用加强，气云在30 s之后不再向上发展，稳定在27.30 m。来风作用下，可燃气云向下风向发展，t=15、60、120 s时其在下风向扩散距离分别达到12.68、18.28、18.93 m。由于生活楼位于船首偏右舷位置（高25.00 m、宽38.85 m），吊车位于船首中间位置（高30 m、宽8 m），船首偏左舷位置较为空旷，受船首生活区建筑物的影响，来风形成不稳定湍流，可燃气云在船体纵向方向扩散范围也逐渐增大。随着井喷天然气持续泄漏，可燃气云达到稳定状态，稳定后其覆盖面积和空间体积分别为626.24 m2、747.24 m3，在船体x、z方向扩散距离分别为18.35、8.71 m。

3 风速对可燃气云扩散规律影响分析

分析风速分别为1.5、3.0、5.0和10.0 m／s条件下南海某半潜式钻井平台可燃气云分布，以确定风速对可燃气云扩散规律的影响。图5、6分别为该半潜式钻井平台船首来风时可燃气云分布范围及稳定可燃气云空间分布随时间变化规律，表1为不同风速稳定状态下可燃气云分布数据。

图5 不同风速下南海某半潜式钻井平台船首可燃气云分布范围变化过程Fig.5 Bow combustible gas cloud distribution change process of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind velocity

图6 不同风速稳定状态下南海某半潜式钻井平台船首可燃气云空间分布Fig.6 Bow steady combustible gas cloud distribution of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind velocity

表1 不同风速稳定状态下南海某半潜式钻井平台船首可燃气云分布数据Table 1 Bow steady combustible gas cloud distribution data of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind velocity

从图5、6及表1可以看出，风速对可燃气云分布形态及分布范围产生较大影响。v=1.5 m／s时，井喷气体受来风作用较小，受井口高压作用向垂直井口方向喷射扩散，低风速下天然气易形成大范围可燃气云，主要分布在钻台上部，120 s后达到稳定状态，可燃气云垂直高度为42.16 m，其覆盖面积和空间体积较其他风速大，分别为823.47 m2、1 242.87 m3，一旦被点燃喷射火将直接作用在钻台上部井架、绞车等起重设备、转盘等旋转系统设备、部分循环系统设备，高温及强烈热辐射持续作用下设备结构强度丧失，短时间内设备即完全失效、变形、位移直至失去承载能力。随着风速增大，可燃气云向上部空间发展减弱，向下风向偏斜角度增大，分布范围减小，v=3.0 m／s时稳定可燃气云在垂直方向和下风向的扩散距离分别为33.34、19.91 m，v=5.0 m／s时分别为27.30、18.35 m，两风速条件下可燃气云覆盖面积和 空间体 积分别为734.26 m2、984.87 m3和626.24 m2、747.24 m3。由图6b、c可燃气云分布位置可知，可燃气云引发的燃烧火焰将作用在井架中部位置，导致该部位结构失效而引起井架的坍塌，进而引发连锁破坏。由图6还可以看出，随着风速增大，可燃气云达到稳定状态所用时间越来越短，v=3.0、5.0m／s时分别为100、80 s。当v=10.0 m／s时，空气湍流强度大，空气流动对天然气稀释作用强，可燃气云分布范围小，呈狭长状集中分布在井架底部，其燃爆产生高压可能会对附近作业人员造成伤害，火焰高温也可能造成钻台设备失效及井架的倒塌，此时应设置防爆墙等隔离措施来加强设备防护，一旦发生井喷应快速启动应急响应并使人员快速撤离。

4 风向对可燃气云扩散规律影响分析

分析风速v=5.0 m／s条件下船首、船尾、左舷、右舷来风时南海某半潜式钻井平台可燃气云发展及分布形态，以确定风向对可燃气云扩散规律的影响。图7、8分别为该半潜式钻井平台不同风向下可燃气云分布随时间变化和稳定状态时其空间分布。

图7 不同风向下南海某半潜式钻井平台可燃气云分布范围变化过程（风速5 m／s）Fig.7 Combustible gas cloud distribution change process of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind directions

图8 不同风向稳定状态下南海某半潜式钻井平台可燃气云空间分布（风速5 m／s）Fig.8 Steady combustible gas cloud distribution of semi-submersible drilling platform in South China Sea under different wind directions

从图7、8可以看出，船首来风时，受生活区建筑物阻挡，来风作用减弱，井喷天然气易聚集形成大范围可燃气云，90 s时刻达到稳定，稳定状态下可燃气云在垂直方向扩散距离、覆盖面积及空间体积均比其他方向来风时大，分别为27.30 m、626.24 m2、747.24 m3，可燃气云覆盖位置设备分布少，燃爆产生的超压和高温对平台危害较小。船尾来风时，船尾区域锚机控制室及起重机体积小（锚机控制室长、高分别为15 m和8 m，起重机呈细长型，宽仅2 m），对来风阻挡作用较小，天然气扩散受来风作用较大，可燃气云分布范围较船首来风时小，天然气随来风扩散至生活区，60 s左右可燃气云分布趋于稳定，垂直方向扩散距离、覆盖面积和空间体积分别为21.47 m、470.83 m2、486.22 m3。如图8b所示，受建筑物反射叠加作用，可燃气云发生燃爆后产生的超压较大，将对生活区人员构成威胁，向生活楼和直升机平台倾斜的燃烧火焰高温和强热辐射将对作业人员逃生带来一定挑战。右舷来风时，天然气将沿振动筛房、固井泵室和应急发电机室与生活区之间的空隙扩散，可燃气云主要分布在生活区，右舷区域建筑物迎风面积较大（长30m、高16m），气流流速受建筑物阻挡作用而下降，天然气扩散受来风影响较小而易聚集，可燃气云分布范围仅次于船首来风时。左舷来风时，甲板区域泥浆清理室（迎风面长6 m、高5 m）对来风阻挡较小，天然气在来风作用下快速飘离平台，可燃气云分布范围最小，主要分布在振动筛房、固井泵室和应急发电机室附近，此时应重点加强该区域设备的防护。

5 结束语

以南海某半潜式钻井平台为例，通过建立平台简化模型及气体扩散模型，模拟了南海环境下井喷天然气扩散行为，分析了可燃气云时空分布及发展规律，可以为我国南海深水油气钻采作业应急救援提供科学指导，对深水钻井平台防火灾、爆炸具有一定的参考价值。

［1］SUTTON I S.Summarizing the deepwater horizon／macondo reports［C］.OTC 24027，2013.

［2］魏超南，陈国明，杨冬平.基于CFD的海上钻井平台井喷天然气扩散规律研究［J］.安全与环境学报，2013，13（5）：271-277.Wei Chaonan，Chen Guoming，Yang Dongping.On the flammable gas diffusion behavior from the well blowout on the offshore drilling platform based on CFD［J］.Journal of Safety and Environment，2013，13（5）：271-277.

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