淺海地區硫化氫及二氧化硫擴散定量風險研究

摘 要:在含硫化氫氣藏的鉆探開發作業過程中，硫化氫泄露擴散是一項非常嚴重的風險因素，在所有石油鉆探工程設計中都對硫化氫風險進行了重點的考慮，但到目前為止，還沒有針對淺海地區硫化氫及二氧化硫擴散風險的研究。本文利用計算流體力學方法對大港油田灘海開發生產作業過程中硫化氫氣體擴散影響范圍進行研究，模擬分析硫化氫在不同擴散條件下，硫化氫氣體擴散影響范圍以及硫化氫燃燒后產生的二氧化硫的擴散范圍，為公眾安全防護距離的確定提供技術層面支持，為今后類似淺海地區硫化氫及二氧化硫擴散范圍的定性判斷提供依據。

關鍵詞:淺海地區硫化氫二氧化硫擴散CFD

中圖分類號:N1文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0010-02

1 引言

大港灘海地區地處渤海灣盆地腹地，位于黃驊裂谷盆地東側海岸線以東水深5m線的地區，地形地貌相對簡單。該地區屬大陸性氣候區，其特征表現為冬季寒冷、干燥，春季干燥、多風，夏季炎熱、多雨，秋季天氣晴朗。四季分明，冬夏長，春秋短，受大氣平流層影響較大。

依據淺海油氣田的工況特點，大港淺海油田采用“人工井場+通井路”開發方式。生產的油氣經過沿通井路鋪設的管道混輸至岸上處理。海古101井屬于埕海二區一號灘海陸岸井臺。埕海油田二區一號灘海陸岸井臺，地理位于河北省黃驊市張巨河村3.6km的灘涂-海域地區。構造位于大港油田灘海區埕北斷階區，北起張巨河—張東構造帶，南至埕寧隆起北緣，西以自然海堤或防波堤與大港陸地探區分界，東至5m水深線附近的礦區登記線，勘探面積約500km2。埕海二區二號灘海陸岸井臺由通井路與一號灘海陸岸井臺連接，并且二號灘海陸岸井臺正處于海工建設階段。

本文以大港油田海古101井為研究對象，利用CFD的方法計算研究了不同風速、風向、天然氣中硫化氫含量條件下硫化氫的擴散范圍，以及含硫化氫天然氣燃燒后二氧化硫的擴散范圍，首次對受大氣平流層影響較大的淺海地區硫化氫及二氧化硫擴散風險進行研究，為今后類似淺海地區硫化氫及二氧化硫擴散范圍的定性判斷提供依據。

2 建立模型

2.1 數學模型

本文對含硫化氫天然氣的擴散研究，主要考慮氣體流動、對流擴散兩部分的作用影響，計算控制方程主要包括:質量和動量守恒方程、標準模型方程、能量方程和對流擴散方程。

2.2 幾何模型及網格劃分

為大港灘海人工島三維視圖，計算區域為長4000m，寬4000m，高500m。

流場計算區域的網格劃分采用了非結構化網格，先在采油設備壁面處布置較細網格來適應流場的變化，而外圍則布置較粗網格，再由面到體對整個流場進行劃分。

2.3 邊界條件

(1)硫化氫含量的選擇

本次共選取50000ppm、100000ppm、150000ppm三種工況進行計算。

(2)風速的選擇

自然界中的風不可能只是從一個方向以不變的速度吹過來，為了模擬的方便，假設風從邊界勻速吹來的。當風的速度不是很大，可以把風的流動看成是不可壓縮的流動。設定有風時為速度入口，便于模擬的初始和計算，風速選取0m/s，2m/s，5m/s。

(3)表面邊界條件的選擇

選擇表面為壁面邊界條件。

3 計算結果與分析

3.1 硫化氫含量對擴散的影響

在有風條件下，天然氣排出后，初始時由于速度慣性繼續向上運動，但是在風的作用下，天然氣開始改變速度方向，向下風向擴散，同時由于重力的作用，出現沉降現象。天然氣中硫化氫濃度含量的越大，天然氣的混合密度就越大，這種“重氣效用”就越明顯，硫化氫的影響范圍就越大。從結果圖中還可以得出，風速越大，越有利于“重氣效應”，硫化氫的影響范圍就越大(表1、圖1)。

3.2 風速對擴散的影響

在相同的排放量以及硫化氫含量條件下，擴散的天然氣總量是一定的，因此擴散的長度與擴散的高度成反比，風速越大，擴散長度就越大，同時擴散高度就越小(表2、圖2)。

3.3 放空量對擴散的影響

在相同風速硫化氫含量的條件下，放空量越大，天然氣的初始速度就越高，向上的擴散的高度就越高。同時放空量越大，擴散的天然氣總量也就越大，硫化氫擴散的范圍也就越大(表3、圖3)。

3.4 非穩態擴散模擬

環境風速為2m/s，150000ppm硫化氫含量隨時間變化的擴散范圍(表4、圖4)。

3.5 二氧化硫擴散模擬

火把被點燃后，含硫天然氣將燃燒產生二氧化碳和二氧化硫，下面計算分析在2m/s風速條件下，不同硫化氫含量天然氣燃燒后二氧化硫的擴散范圍

從結果圖中可以得出，在2m/s風速條件下，含硫天然氣燃燒后，產生的二氧化硫由于風的作用，向下風向飄散，同時由于溫度較高，二氧化硫擴散的高度比較高，沒有沉降現象。天然氣中硫化氫濃度含量的越大，二氧化硫擴散的距離越遠(表5、圖5)。

4 結論

(1)從計算結果可以看出，雖然初始時硫化氫的含量很小，但是由于硫化氫的毒性很強，100ppm就會對人員造成極大的傷害，因此少量的硫化氫擴散稀釋后就會對大范圍的區域造成嚴重的影響。

(2)淺海地區由于受大氣平流層的影響，硫化氫的擴散模式具有風速越大，氣體擴散越遠，同時越會被“壓向”地面，重氣效應越明顯的特點。

(3)根據人工島布局的特點，只有一條道路通往人工島，因此要隨時注意風向變化，預測硫化氫擴散的方向，選擇正確的逃生路線，避免因盲目施救或逃生不當造成更大的傷亡和損失。

(4)通過本文的計算數據表明，試油前期短時間未點燃的硫化氫，通過大氣可以向上擴散，不至于下沉到周邊社會區域。

(5)通過對試油燃燒后的二氧化硫熱效應分析，燃燒產生的二氧化硫，向上受熱湍流模式擴散，不至于下沉影響到社會區域。

(6)通過模擬計算分析，本文認為淺海區域毒氣受水平流影響大，不具備冷池效應，不會產生類似開縣的大范圍毒氣聚集現象。為油田試采的整體安全環保工作的順利進行提供了理論上的依據。

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