钻井平台井口泄漏天然气燃烧危险性分析

2021-05-03李修峰贾廷亮王磊

石油工业技术监督 2021年4期

李修峰，贾廷亮，王磊

中海油安全技术服务有限公司伊拉克分公司（天津 300456）

油气泄漏引发的火灾爆炸事故是海洋油气作业面临的主要风险，可燃气云燃爆产生的高温、高压和热辐射将会对设备造成损害，引起更大量的天然气泄漏而加剧事故风险[1]。国内外对海洋作业油气燃爆风险已开展广泛研究，包括可燃气体泄漏扩散过程、燃爆超压、高温、热辐射变化规律[2-5]，海洋平台油气燃爆事故频率计算方法及燃爆风险管理方法[6]，燃爆风险评估框架[7]，燃爆风险定量评价[8]等。采用场模拟理论，利用CFD软件模拟泄漏天然气燃爆及火灾发展过程，分析可燃气云分布及火灾高温伤害范围，定量评价井口天然气泄漏燃爆危险性。

1 数值仿真模型

1.1 理论模型

井口泄漏天然气点燃后发生燃烧爆炸并产生高温和热辐射。采用CFD 数值仿真软件模拟泄漏天然气被点燃后火灾发展过程及高温、热辐射的危害范围。CFD 仿真模型中，采用计算高效、应用广泛的混合分数燃烧模型模拟泄漏气体的燃烧过程，通过求解混合组分分布的输运方程以计算燃烧产物各组分的分布。

混合分数燃烧模型的基本假设条件是：流体的瞬时热化学状态仅与单一的守恒标量混合分数f相关。其计算公式为:

式中:Zk为元素k的质量分数；Zi,ox为氧化剂入口处的质量分数；Zi,fuel为可燃物入口处的质量分数。燃烧过程中对化学反应的计算，可采用化学平衡假设和基于燃烧富限值方法的非化学平衡假设。

采用P-1 辐射模型考虑燃烧热辐射散射作用，求解辐射能力传递方程，计算燃烧过程中的热辐射。辐射热量计算公式为:

式中:qr为辐射热量；α为吸收系数；σs为散射系数；C为线性各相异性相位函数系数；G为入射辐射。

1.2 数值仿真模型

以某钻井平台为例（图1），建立数值仿真模型及网格模型（图2），设置边界条件，通过设置参数可在模拟软件中分析可燃气燃烧后火焰发展过程。

图1 某钻井平台

图2 数值分析网格模型

网格模型中计算域为400 m×200 m×300 m（长、宽、高），由于计算域较大，划分网格模型时设置网格单元按增长倍数（1.01）从井口向四周区域逐渐增大，既可有效模拟井口附近可燃气燃烧过程，又可节省计算资源，总网格数为500万。

求解时，井口设置为mass flow inlet定义泄漏气体的质量流速，平台表面及计算域底面设置为Wall，计算域来风面设置为velocity inlet定义风速大小，计算域顶面和两侧设置为symmetry，出流面设置为outflow。

计算分两步：①求解泄漏天然气扩散后形成的可燃气云的分布范围；②井口设置点燃点，求解可燃气云点燃后火焰的温度和热辐射的影响范围。

2 井口泄漏天然气可燃气云分布

井口泄漏天然气主要成分为CH4，其体积分数为99.6%，作业海域海况记录平均风速5.5 m/s。该井天然气试采量为（1～100）×104m3/d。选取危险等级最高的100×104m3/d 气量分析泄漏天然气扩散过程，计算过程中假设气体持续泄漏，平均流量为700 m3/min。

井口天然气泄漏后，高速流动的气体在井口压力作用下迅速扩散，短时间内沿井口方向扩散距离即达到60 m，并沿平台横向和纵向形成一定的扩散范围。100 s左右各方向扩散范围即达到稳定状态，如图3 所示。通过软件计算，图4 为稳定状态下井口天然气可燃气云（5%CH4）分布，主要分布在钻台上方井架附近。稳定状态下，可燃天然气积聚覆盖体积为517.81 m3，水平面覆盖半径达到23.43 m，垂直方向最远扩散至61.56 m，覆盖钻台上方绝大部分区域。受井口高压作用，可燃气云主要分布在井口上方井架附近，来风作用下可燃气云分布偏近生活区，如图5所示。

图3 泄漏气体扩散范围变化

图4 井口泄漏天然气可燃气云

图5 可燃气云平面分布

3 泄漏天然气燃烧危险性分析

井口泄漏天然气扩散稳定后，可燃气云分布范围最大，假设在井口附近遇点火源并引发爆燃，图6为可燃气云燃爆发展过程。

图6 可燃气云燃爆过程

可燃气云在点火源作用下发生燃烧（图6（a）），火势瞬间扩大，短时间内向四周快速蔓延(图6（b）)，呈燃爆状态。外部流动气流作用下火焰顶端燃烧范围迅速增大，火焰边缘急剧膨胀，呈现蘑菇云形状（图6（c））。随着井架上方可燃气云燃烧，预混可燃气量减小，火焰燃烧范围缩小并逐渐稳定，并在来风作用下火焰开始向下风向逐渐偏斜。从点燃开始经过10 s 左右，燃爆演变为稳定的喷射火燃烧。根据燃烧火焰伤害临界温度，建立燃烧火焰形成的临界损伤温度等值面分布，如图7所示。

根据燃烧火焰伤害临界温度，391 K 温度界面将造成人体灼伤，453 K 温度界面将造成人体严重伤害，673 K温度界面将造成钢结构强度部分失效，873 K温度界面将导致钢结构全部失效。

T=873 K 和T=673 K 温度场主要分布在钻台上部井架区域，持续燃烧使得井架及设备在短时间内即丧失结构强度，失去承载能力，造成井架倒塌、设备损毁，进而引发其他事故。T=453 K和T=391 K温度场分布范围明显增大，该区域内作业人员可能受到严重烧伤，严重时会有生命危险。若人员不及时撤离，可能造成较大的人员伤亡事故。火焰临界损伤温度分布范围见表1。

图7 火焰临界损失温度分布

表1 火焰临界损伤温度危害范围

燃烧火焰形成的热辐射对人员和设备造成损伤，越接近火焰中心，热辐射强度越高，热辐射场以辐射核心为中心呈向外围空间发展，热辐射强度逐渐减弱。

如图8 和表2 所示，热辐射强度35 kW/m2等值面最大覆盖半径为20.77 m，此范围内，短时间内井架结构将受到严重损坏，作业人员100%死亡；在覆盖半径为20.77～25.76 m 时，热辐射强度为25～35 kW/m2，钢结构连续暴露30 min 以上将发生明显变形；作业人员暴露10 s 内将严重烧伤，超过1 min 将导致100%死亡；半径在25.76～30.02 m，热辐射强度为13.5～25 kW/m2，井架结构受轻微破坏，超过1 min人员有生命危险；在半径30.02～36.96 m 时，热辐射强度为9.5～13.5 kW/m2，人员暴露超过20 s 可能造成二度烧伤；半径超过48 m 范围后，热辐射等级不会对井架及平台结构造成影响。