含硫化氢天然气井井喷事故后果的影响因素分析

2018-03-01程方明

安全 2018年2期

赵猛史合李青程方明，4 梁利

1.北京丰瑞新科能源科技发展有限公司 2.中国空间技术研究院西安分院3.西安科技大学安全科学与工程学院 4.陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心

我国所有天然气井中含硫天然气井占60%[1]，一旦发生井喷事故，极易造成严重的伤亡事故、经济损失和环境污染。

据统计，建国以来，国内先后发生过千余起井喷事故[2-3]，其中重庆开县“12.23”特大井喷事故，造成附近的4个乡镇，30个村中9.3万余人受灾，6.5万余人被迫疏散转移，事故导致243人遇难[4]。因此对含硫气井井喷事故后果的研究显得尤为重要。

目前，国内许多学者对含硫气井井喷危险气体的泄漏扩散过程进行了研究。邱奎[5]等选择高斯烟羽模型，计算了不同气象、地理等条件下含硫天然气井井喷的扩散范围；练章华[6]等用CFD软件建立重庆开县特大井喷事故现场的三维地貌模型。张宝柱[7]、王偲丞[8]用Fluent软件模拟了障碍物对硫化氢扩散的影响；穆剑等[9]利用计算流体力学方法对含硫气井井喷事故过程进行数值模拟，并给出了井口气体速度分布和浓度分布。上述研究从不同角度研究了含硫气井井喷事故的毒性危害范围，然而对于点火后形成喷射火的危害范围和可能发生闪火的范围及其影响因素研究的不多。因此，本文以含硫气井井喷事故中CH4和H2S气体扩散规律为基础，利用PHAST软件研究风速和井口压力对硫化氢毒性危害范围、井喷喷射火热辐射危害范围和闪火范围的影响，以期为类似事故的防控与应急处置提供参考。

1 软件介绍

1.1 软件简介

PHAST软件由挪威船级社研发，是一款定量计算事故后果的专业风险评估软件，主要应用领域包括厂区选址、厂区设计和平面布置、模拟计算事故后果的严重程度等，为有针对性地采取相应的安全措施、制定应急救援计划、定量风险分析等提供参考[10]。

1.2 计算模型

1.2.1 UDM模型

PHAST软件采用UDM模型计算扩散过程，对于连续泄露，其质量浓度c(x, y, ξ)为式（1）：

式中：

c0—中心线质量浓度，kg/m3；

ξ—距烟羽中心线的距离，m；

y—横风向距离，m；

σz(x)，σy(x)—质量浓度标准偏差的垂直、水平扩散参数，m；

n(x)—质量浓度垂直分布函数指数；

m(x)—质量浓度横风向分布函数指数。

1.2.2 喷射火模型

PHAST软件中锥模型将喷射火焰以截顶圆锥建模，其火焰表面放射功率Ws为式（2）：

式中：

fs—火焰表面放辐射分数；

Q—质量释放流量，kg/s；

Hc—燃烧热，kJ/kg；

A—火焰表面积，m2。

1.2.3 闪火模型

闪火持续时间短，释放的热辐射也十分有限，因此不考虑其对周围的热辐射效应，只考虑作用范围内的热辐射伤害[11]。一般认为蒸气云浓度在爆炸上限与爆炸下限之间属于闪火范围。

2 数值模拟与结果分析

以某含硫化氢天然气井为研究对象，针对其发生井喷事故后的毒性、喷射火及闪火等危害后果，使用PHAST建立事故模型并进行计算，并比较分析不同风速和不同井口压力条件下事故后果的危害范围。

2.1 模拟参数选择

通过对某高含硫气井现场调研，该天然气埋藏压力为40.45MPa，设计井深4322m，垂深3410m，水平段长700m。井喷发生时，井口内部压力大约9MPa。气井气体组分大致为甲烷质量分数为85%，硫化氢质量分数为15%。该地区主要大气稳定度为F，地面粗糙度为0.1，井口温度为300K左右，井喷口为直径0.44m的圆形断面。研究井口风速分别为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s时，井口压力分别为7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa时，井喷持续5min的事故后果。

2.2 对硫化氢扩散范围的影响

硫化氢的ERPG-2浓度值为30ppm[12]。不同井口压力和不同风速下，水平高度1m处，硫化氢ERPG-2浓度值的下风向距离，如图1、2。

图1 硫化氢ERPG-2浓度值下风向距离与井口压力关系

图2 硫化氢ERPG-2浓度值下风向距离与风速关系

由图1可见，随着压力增大，水平高度1m处硫化氢ERPG-2浓度值的下风向扩散距离呈线性增长，因此井喷压力对毒性危害范围影响很大。

由图2可知，当风速小于2m/s时，风速的增大对毒性气体的稳定扩散具有促进作用，硫化氢毒性危害范围呈增大趋势；若风速进一步增大，增加扩散速度的同时泄漏气云也被快速稀释，因此风速大于2m/s时，ERPG-2浓度值下风向扩散距离随着风速的增大而逐渐减小，且减小速率逐渐缓慢。

2.3 喷射火不同热辐射强度的影响范围

对喷射火的研究中，通常采用热通量为4kW/m2和12.5kW/m2作为临界热通量来分别计算喷射火造成的轻伤半径和重伤半径。以此为标准，分析不同压力和不同风速下喷射火热辐射强度等级影响范围，如图3和图5。

图3 喷射火伤害半径与井口压力关系

图4 不同压力下热辐射强度沿下风向分布情况

分析图3可见，伤害半径随压力增长呈现近似线性增长，且轻伤半径增长速率较快。压力增大，有利于可燃性气体向下风向的扩散，同一热辐射强度等级的影响范围增大，危险性增加。图4为不同压力下热辐射强度沿下风向分布情况，可见同一压力条件下，喷射火热辐射强度沿下风向距离呈现先增大然后逐渐减小的特征，而压力越大，能达到的最大热辐射强度越大，同一辐射强度等级的伤害半径也就越大。

图5 伤害半径与风速关系

图6 不同风速下热辐射强度沿下风向分布情况

图5为风速对喷射火伤害半径的影响结果，可见当风速小于5m/s时，伤害半径随风速的增大而增大，但增大速率逐渐减小，当风速达到5m/s后，伤害半径趋于稳定，受风速影响较小。不同风速下热辐射强度沿下风向分布情况，如图6，可见风速越大，能达到的最大辐射强度越大，同一辐射强度等级的伤害半径越大，且距离井口越近，风速对热辐射强度的增大作用越显著。