基于FLUENT 的海上平台天然气泄漏扩散分析

侯永亮，孟 瑄，宋峙潮，郑 卓，和鹏飞，陈 真，王志超，史晓萌

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

受设备和工艺等不完善因素的制约，海上平台存在天然气泄漏的风险。泄漏出的天然气会在大气作用下扩散或聚集，在外部大气风力较大时，可有效地将泄漏出的天然气浓度降至较安全的水平；当风力较小时，泄漏出的天然气扩散较慢，容易发生聚集，遇周围明火源，易引发火灾、爆炸类升级事故，会对周边人员及设施造成较大伤害[1-3]。以往有学者就天然气泄漏及扩散问题进行了软件模拟，但很少涉及海上平台的天然气泄漏[4-10]。在一些针对海上平台天然气泄漏的研究中，往往建立的是假设模型，很少有针对实际问题的模拟。因此，有必要结合实际平台及气候条件进行模拟分析。

1 泄漏及扩散理论

海上平台天然气的泄漏与扩散遵循物理守恒定律，包括3 大守恒：质量守恒、能量守恒和组分守恒。物理守恒定律被数学描述为控制方程。

1.1 连续方程

连续方程描述的是质量守恒定律，公式如下：

式中：ρ为流体密度；t为时间；u-x方向的速度矢量；v-y方向的速度矢量；w-z方向的速度矢量。

1.2 能量方程

能量方程描述的是能量守恒定律，数学表述如下：

式中：T为温度；k为流体传热系数；CP为比热容；ST为黏性耗散项。

1.3 对流扩散方程

对流扩散方程又叫组分方程，描述的是组分守恒，数学表述如下：

式中：cs为组分s 的体积浓度；ρcs为组分s 的质量浓度；Ds为组分s 的扩散系数；Ss为系统内部单位体积在单位时间内化学反应产生组分s 的量。

2 平台概况

A 平台是一座4 腿导管架式平台，有生产气井6 口。主桩腿直径Φ1 651 mm，钢桩Φ1 511 mm，入泥深度88.6 m。平台水深15.5 m，设计使用20 年。

B 平台是一座无人驻守平台，该平台3 口生产井，距离A 平台3 km，平台采用3 腿导管架形式；平台主桩腿直径Φ1 193.8 mm，钢桩直径Φ1 066.8 mm，入泥深度64.5 m。平台水深17.8 m，设计使用12 年。井口甲板东侧布置了3 口气井；北侧布置了放空分液罐和放空塔，南侧布置了吊机，平台靠船面在南侧。

C 平台是一座新建的正常生产时无人井口平台，平台采用单腿三桩结构，上部结构由单层主甲板组成，主尺寸为14 m×13.5 m，标高16 m。主甲板由防火墙分隔，西侧为生产区域，东侧为电、仪设施区域，南侧为供应船停靠区域，吊机布置在甲板西南侧；北侧为冷放空区域。主甲板下层悬挂一排放甲板，用于容纳排放罐和排放泵及蹬平台设施。

3 FLUENT 软件及建模

3.1 FLUENT 软件简介

3 个平台共有4 口井在生产中发现油套同压，在气体组分和地层水调查中发现腐蚀性气体和高离子含量的地层水，有造成套管腐蚀从而引发天然气泄漏的风险，故针对A 平台油套同压井A3 井和A5 井、B 平台的B6 井以及C 平台的C2 井可能出现的天然气扩散问题，选用FLUENT12.1 和前置作图工具Gambit 进行模拟计算，通过Gambit 建立问题的几何模型，并且划分出计算的网格，定义具体问题的边界条件，然后使用FLUENT12.1 读入建立好的物理模型，选取计算数学模型进行计算，输出结果并且分析。针对项目实际情况，油套同压井的泄漏天然气扩散的模拟思路如下。

（1）模型一端输入空气，直至稳定。

（2）井口端释放天然气，同时，模型一端以一定流速一定角度输入空气以模拟风对扩散的影响。

3.2 几何模型建立

为便于更真实地模拟有风条件下井口甲烷的扩散情况，在模拟的泄漏空间外建立一个外部的环境空间，根据平台所在海域的真实风速风向数据加载所受风载荷。在泄漏模型建立中，A 平台泄漏井为A3 井和A5 井，B 平台泄漏井为B6 井，C 平台泄漏井为C2 井，泄漏点均选取在井口位置，井口分布如图1 所示。

图1 3 个平台井口分布

3.3 边界条件

3.3.1 泄漏点边界条件

可燃气体泄漏模拟计算边界条件及相关假设如下。

（1）忽略泄漏液态油气相挥发，只模拟纯气体泄漏后的扩散泄漏，天然气只考虑甲烷一种组分，初始体积浓度设定为100%。

（2）泄漏点选取在井口位置。

（3）根据井的产气量设定天然气泄漏速率，A3 井产气量取1.17×104m3/d，即0.099 6 kg/s；A5 井产气量取5.757 6×104m3/d，即0.477 8 kg/s；B6 井产气量取11.2×104m3/d，即0.929 4 kg/s；C2 井产气量取7.2×104m3/d，即0.597 5 kg/s。

3.3.2 环境边界条件

根据对3 个平台实际工程地质与物探调查的相关资料，选取计算强风向（NE）以及N 和E 方向高频风的风载荷信息，其中强风向（NE）风速选取重现期为1 a 的1 h平均风速、1 min 平均风速和3 s 钟阵风风速。N 和E 方向的风速选取该方向最高频率风速段的平均值。

4 计算结果

4.1 模拟扩散结果

通过对3 个平台4 口井的泄漏模型及条件的模拟，得到了较为形象的可视化模拟结果。

表1 呈现了4 口井在所有预设风速及风向条件下扩散的气体残留体积。由表1 可以看出，泄漏气体的扩散体积的主要影响因素为井的泄漏速率和风速条件。采用FLUENT 对天然气泄漏进行了模拟分析，强风向（NE）作用下，泄漏气体的影响范围较小和影响的设备也较少。当N 风向风速为9 m/s 以及E 风向风速为7 m/s 时，泄漏可燃气体残留体积相对较大，影响的范围也相对较大。

表1 天然气扩散体积

4.2 模拟结果分析

（1）从模拟计算的结果来看，风速越大时，扩散残留体积越小，更利于甲烷的扩散。A3 井的位置较A5 井的位置更靠近中部，所以有利于甲烷扩散，由于A5 井的位置原因以及其扩散量相对较少，其泄漏造成的影响范围更小。

（2）泄漏空间为开放空间，通风效果较理想，因此易于天然气的扩散。由甲板布置图可知，该层甲板中布置有操作室、休息室等结构，位置正处于强风向的下风向，因此对泄漏气体的扩散产生阻挡作用。由扩散形态图可知，强风向作用下操作室等结构会阻碍天然气的扩散，而N风向以及E 风向作用时，该结构对天然气扩散的影响不大，风进入甲板区域流动较为顺畅，易于天然气的扩散。另外，由布置图可知，井口上方约5 m 处存在板架结构，由扩散侧视图可以看出，该板架结构对泄漏气体扩散几乎没有影响。强风向（NE）作用下，泄漏气体的影响范围较小和影响的设备也较少。当N 风向风速为9 m/s 以及E 风向风速为7 m/s 时，泄漏可燃气体残留体积相对较大，影响的范围也相对较大。由于B6 井的泄漏量不大，总的来说，其泄漏影响范围不大。

（3）泄漏空间为开放空间，通风效果较理想。同时，由甲板布置图可知，该层甲板主要结构物对计算风向的阻挡影响很小，风进入甲板区域流动较为顺畅，易于天然气的扩散。强风向（NE）作用下，泄漏气体的影响范围较小和影响的设备也较少。当N 风向风速为9 m/s 以及E 风向风速为7 m/s 时，泄漏可燃气体残留体积相对较大，影响的范围也相对较大。由于C2 井的泄漏量不大，总的来说，其泄漏影响范围不大。

5 结论

（1）运用FLUENT 软件对真实海上平台天然气泄漏扩散情况进行了可视化模拟，通过对不同风向、风速下的天然气残留体积和甲烷摩尔分数的模拟计算，分析得出了3 个平台天然气泄漏极限情况造成的风险。

（2）A3 井在全年最弱风速下泄漏残留天然气体积为1.186 m3，高于强风条件下7～10 倍；A5 井在全年最弱风速下泄漏残留天然气体积为3.79 m3；B6 井因其产量折算漏速较高，在全年最弱风速下泄漏残留天然气体积为4.18 m3；C2 井在全年最弱风速下泄漏残留天然气体积为3.288 m3。

（3）根据《海上固定平台安全规则》可燃气体探测器应安装在危险区及通风和助燃空气的入口处，探测器应分别安装在泄漏源附近和可燃气容易聚积的地方，以保障能探测到轻于空气和重于空气的可燃气体并保证其工作不受环境的影响。