储气库注采井蒸气云爆炸致灾范围研究*

李丽锋, 罗金恒, 赵新伟, 张华, 武 刚, 张 哲

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；2.中国石油大学(华东) 山东 青岛 257061;3.中国石油新疆油田公司 新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

地下储气库是天然气季节调峰、应急保供和战略储备的重要基础设施。储气库系统“强注强采”的功能是区别于常规气田的显著特点，可致使其承受交变地应力和交变载荷的作用，同时可能在腐蚀、冲蚀、岩层蠕变等潜在危害因素的共同作用下，影响储气库稳定性和安全可靠性[1-3]。储气库工作气量一般达几亿方，一旦发生泄漏，势必危害储气库周边人民群众的生命财产安全，造成巨大的经济损失和深远的社会影响。例如，2015年10月，美国加州Aliso Canyou气藏型储气库SS-25井因套管破损引发天然气泄漏，泄漏持续了111天，疏散1.1万名居民，直接经济损失约3.3亿美元，是美国历史上最严重的天然气泄漏事故[4]。

储气库注采井发生天然气泄漏后，如果立即点燃，则以喷射火导致的热辐射危害为主；如果天然气发生扩散一定时间后再点燃，则会导致扩散的蒸气云爆炸或者蒸气云火灾；此外，若未发生点燃，则形成漂浮混合气体，可能造成中毒或窒息等灾害。因此，蒸气云爆炸是储气库注采井泄漏的主要灾害类型之一，研究其灾害影响范围对于保障人员及财产安全具有重要意义。本文针对储气库注采井蒸气云爆炸灾害，通过研究储气库注采井蒸气云爆炸致灾范围，为储气库泄漏后果评估与事故应急救援提供了决策支持。

1 蒸气云爆炸致灾范围确定方法

1.1 泄漏分析场景选择

注采井泄漏包括通过井口设施泄漏和通过地层迁移泄漏两种主要类型。通过井口设施泄漏可直接泄漏至大气，并包括小泄漏、大泄漏和破裂泄漏三种失效模式[4]。通过地层迁移泄漏存在泄漏至其他地层而未泄漏至大气、迁移一定距离后直接泄漏至大气两种情况。对于通过地层迁移泄漏且未泄漏至大气的情况，泄漏后果只考虑天然气损耗的经济损失，而对于泄漏至大气的情况，则需考虑泄漏致灾影响。从泄漏模式来看，通过井口设施泄漏、通过地层迁移泄漏且泄漏至大气的模式可能导致蒸气云爆炸灾害发生。考虑通过地层迁移泄漏模式的不确定因素众多，天然气泄漏速率表征难度极大，因此，在进行蒸气云爆炸灾害分析时，主要考虑通过井口设施泄漏模式。

1.2 通过井口设施泄漏的泄漏率计算模型

井口装置泄漏点具有节流效应，通过井口装置泄漏可采用Beggs(1984)[5]建立的阻流模型计算泄漏速率。计算时，首先要判断泄漏时气体属于亚音速流动还是音速流动，前者称为次临界流，后者称为临界流。临界流的发生与否依赖于内压和大气压力之比。因此，通过井口装置的泄漏速率可取按式1或式2计算的泄漏速率与注采井无阻流量中的最小值[6]。

(1)临界流情形(音速)

(1)

(2)亚临界流情形(亚音速)

(2)

其中：qc为气体泄漏， m3/d；k为介质的指定比热；p1为上游压力，指泄漏点处的压力，kPa；p2为下游压力，对于井口装置来说，等于大气压力，kPa；d为泄漏孔尺寸，mm；Z1为泄漏点处的气体偏差系数；T1为介质流动温度，K；γg为天然气相对密度。

1.3 蒸气云的散布模型

当天然气通过井口设施泄漏至大气后，进入大气的气体顺风散布，形成的云如果点燃可能燃烧或爆炸，若不发生点燃或者爆炸，则形成可能导致人员窒息的混合气。本模型假设天然气连续释放，采用烟羽模型来描述气体的扩散，地面H高处连续点源的烟羽模型如式(3)所示[7-9]。

(3)

1.4 蒸气云爆炸灾害模型

TNT当量法、TNO多能法、Baker-Strehlow模型是蒸气云爆炸的常用理论分析模型，其中TNT当量法简单易行，可用于注采井蒸气云爆炸危害分析，其主要思想是将蒸气云爆炸的破坏作用转换成TNT爆炸的破坏作用[10-11]。 蒸气云爆炸产生的主要危害是冲击波超压，其超压公式如式(4)所示。

(4)

式中，r为距离，m；MTNT为当量TNT质量，kg。

MTNT=2.07×10-7YfMCHc

(5)

式中，Yf为屈服因子，对碳氢化合物为0.03；Hc为燃烧热，J/kg；MC为可燃气体云的总质量，kg。

MC=QeffL1/ua

(6)

式中，Qeff为当量稳态释放速度，kg/s；L1=min(xLFL,uats)，xLFL为下可燃极限散布距离，m。

1.5 蒸气云爆炸致灾影响范围

蒸气云爆炸产生的超压会造成人员死亡或建筑物损伤，冲击波超压破坏准则如表1所示。蒸气云爆炸致灾范围可用蒸气云爆炸超压伤害半径与蒸气云扩散距离的一半相加来确定，计算时，要综合考虑蒸气云扩散距离、按照冲击波超压破坏准则和TNT当量确定的超压伤害半径。为保守起见，选择天然气与空气的爆炸极限下限值(天然气在空气中浓度为5%)确定蒸气云扩散距离，选择蒸气云爆炸超压下限确定蒸气云爆炸的超压伤害半径[7]。

表1 冲击波超压破坏准则 kPa

2 分析与讨论

依据前文所述的蒸气云爆炸致灾范围确定方法，以某储气库井为例，研究分析了该注采井在井喷、持续15 min和不考虑压降情况下的蒸气云爆炸事故情景，并分析了不同风速等因素对蒸气云爆炸致灾范围的影响。某注采井基本参数如表2所示，井喷时泄漏孔尺寸取油管内径76 mm，按照通过井口设施泄漏的泄漏率计算模型可知，天然气泄漏速率为8.34 kg/s。

表2 某注采井基本参数

2.1 蒸气云扩散距离

在大气稳定度D条件下，随着风速的增加，天然气泄漏扩散速度加快，同一点的浓度随着风速的增大而降低；在风速由1 m/s变为5 m/s时，当蒸气云浓度为爆炸极限下限值时的扩散范围明显减小，如图1所示。

图1 蒸气云浓度为爆炸极限下限值时的扩散半径

2.2 蒸气云爆炸超压伤害半径

随着风速的增加，天然气泄漏扩散速度加快，在风速由1 m/s变为5 m/s时，蒸气云火爆炸对建筑物伤害范围半径显著减小，如图2所示；对人的严重损伤和致死范围呈现总体下降趋势，如图3所示。

图2 蒸气云爆炸超压对建筑物的伤害半径

图3 蒸气云爆炸超压对人的伤害半径

2.3 蒸气云爆炸致灾范围

随着风速的增加，蒸气云爆炸致灾范围明显降低，如表3所示。风速的增大有利于天然气事故物质的扩散，使得参与爆炸的天然气云团质量快速下降，减小事故的伤害范围。

表3蒸气云爆炸致灾范围

风速/(m·s-1)建筑物人玻璃大部分破碎/m油储罐破裂/m砖墙倒塌/m大型钢架结构破坏/m轻微伤害/m中等损伤/m严重损伤/m大部分死亡/m1149.3593.0372.2563.9993.9484.5776.1468.62384.5652.4140.5635.8452.9347.5942.7838.48564.9940.2031.0627.4340.6036.4832.7729.46

3 结 论

1)蒸气云爆炸是储气库注采井泄漏的灾害类型之一，建议在储气库安全设计、风险评估和应急预案编制时予以考虑。

2)综合井口设施泄漏率计算模型、蒸气云散布模型和蒸气云爆炸灾害模型，可确定注采井蒸气云爆炸致灾影响范围，为储气库泄漏后果评估与应急预案编制提供技术支持。

3)环境风速的增加有利于事故物质的扩散、稀释，从而事故安全疏散范围可以显著的减小。