基于FLUENT 的海上平臺天然氣泄漏擴散分析

侯永亮，孟 瑄，宋峙潮，鄭 卓，和鵬飛，陳 真，王志超，史曉萌

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

受設備和工藝等不完善因素的制約，海上平臺存在天然氣泄漏的風險。泄漏出的天然氣會在大氣作用下擴散或聚集，在外部大氣風力較大時，可有效地將泄漏出的天然氣濃度降至較安全的水平；當風力較小時，泄漏出的天然氣擴散較慢，容易發生聚集，遇周圍明火源，易引發火災、爆炸類升級事故，會對周邊人員及設施造成較大傷害[1-3]。以往有學者就天然氣泄漏及擴散問題進行了軟件模擬，但很少涉及海上平臺的天然氣泄漏[4-10]。在一些針對海上平臺天然氣泄漏的研究中，往往建立的是假設模型，很少有針對實際問題的模擬。因此，有必要結合實際平臺及氣候條件進行模擬分析。

1 泄漏及擴散理論

海上平臺天然氣的泄漏與擴散遵循物理守恒定律，包括3 大守恒：質量守恒、能量守恒和組分守恒。物理守恒定律被數學描述為控制方程。

1.1 連續方程

連續方程描述的是質量守恒定律，公式如下：

式中：ρ為流體密度；t為時間；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，數學表述如下：

式中：T為溫度；k為流體傳熱系數；CP為比熱容；ST為黏性耗散項。

1.3 對流擴散方程

對流擴散方程又叫組分方程，描述的是組分守恒，數學表述如下：

式中：cs為組分s 的體積濃度；ρcs為組分s 的質量濃度；Ds為組分s 的擴散系數；Ss為系統內部單位體積在單位時間內化學反應產生組分s 的量。

2 平臺概況

A 平臺是一座4 腿導管架式平臺，有生產氣井6 口。主樁腿直徑Φ1 651 mm，鋼樁Φ1 511 mm，入泥深度88.6 m。平臺水深15.5 m，設計使用20 年。

B 平臺是一座無人駐守平臺，該平臺3 口生產井，距離A 平臺3 km，平臺采用3 腿導管架形式；平臺主樁腿直徑Φ1 193.8 mm，鋼樁直徑Φ1 066.8 mm，入泥深度64.5 m。平臺水深17.8 m，設計使用12 年。井口甲板東側布置了3 口氣井；北側布置了放空分液罐和放空塔，南側布置了吊機，平臺靠船面在南側。

C 平臺是一座新建的正常生產時無人井口平臺，平臺采用單腿三樁結構，上部結構由單層主甲板組成，主尺寸為14 m×13.5 m，標高16 m。主甲板由防火墻分隔，西側為生產區域，東側為電、儀設施區域，南側為供應船停靠區域，吊機布置在甲板西南側；北側為冷放空區域。主甲板下層懸掛一排放甲板，用于容納排放罐和排放泵及蹬平臺設施。

3 FLUENT 軟件及建模

3.1 FLUENT 軟件簡介

3 個平臺共有4 口井在生產中發現油套同壓，在氣體組分和地層水調查中發現腐蝕性氣體和高離子含量的地層水，有造成套管腐蝕從而引發天然氣泄漏的風險，故針對A 平臺油套同壓井A3 井和A5 井、B 平臺的B6 井以及C 平臺的C2 井可能出現的天然氣擴散問題，選用FLUENT12.1 和前置作圖工具Gambit 進行模擬計算，通過Gambit 建立問題的幾何模型，并且劃分出計算的網格，定義具體問題的邊界條件，然后使用FLUENT12.1 讀入建立好的物理模型，選取計算數學模型進行計算，輸出結果并且分析。針對項目實際情況，油套同壓井的泄漏天然氣擴散的模擬思路如下。

（1）模型一端輸入空氣，直至穩定。

（2）井口端釋放天然氣，同時，模型一端以一定流速一定角度輸入空氣以模擬風對擴散的影響。

3.2 幾何模型建立

為便于更真實地模擬有風條件下井口甲烷的擴散情況，在模擬的泄漏空間外建立一個外部的環境空間，根據平臺所在海域的真實風速風向數據加載所受風載荷。在泄漏模型建立中，A 平臺泄漏井為A3 井和A5 井，B 平臺泄漏井為B6 井，C 平臺泄漏井為C2 井，泄漏點均選取在井口位置，井口分布如圖1 所示。

圖1 3 個平臺井口分布

3.3 邊界條件

3.3.1 泄漏點邊界條件

可燃氣體泄漏模擬計算邊界條件及相關假設如下。

（1）忽略泄漏液態油氣相揮發，只模擬純氣體泄漏后的擴散泄漏，天然氣只考慮甲烷一種組分，初始體積濃度設定為100%。

（2）泄漏點選取在井口位置。

（3）根據井的產氣量設定天然氣泄漏速率，A3 井產氣量取1.17×104m3/d，即0.099 6 kg/s；A5 井產氣量取5.757 6×104m3/d，即0.477 8 kg/s；B6 井產氣量取11.2×104m3/d，即0.929 4 kg/s；C2 井產氣量取7.2×104m3/d，即0.597 5 kg/s。

3.3.2 環境邊界條件

根據對3 個平臺實際工程地質與物探調查的相關資料，選取計算強風向（NE）以及N 和E 方向高頻風的風載荷信息，其中強風向（NE）風速選取重現期為1 a 的1 h平均風速、1 min 平均風速和3 s 鐘陣風風速。N 和E 方向的風速選取該方向最高頻率風速段的平均值。

4 計算結果

4.1 模擬擴散結果

通過對3 個平臺4 口井的泄漏模型及條件的模擬，得到了較為形象的可視化模擬結果。

表1 呈現了4 口井在所有預設風速及風向條件下擴散的氣體殘留體積。由表1 可以看出，泄漏氣體的擴散體積的主要影響因素為井的泄漏速率和風速條件。采用FLUENT 對天然氣泄漏進行了模擬分析，強風向（NE）作用下，泄漏氣體的影響范圍較小和影響的設備也較少。當N 風向風速為9 m/s 以及E 風向風速為7 m/s 時，泄漏可燃氣體殘留體積相對較大，影響的范圍也相對較大。

表1 天然氣擴散體積

4.2 模擬結果分析

（1）從模擬計算的結果來看，風速越大時，擴散殘留體積越小，更利于甲烷的擴散。A3 井的位置較A5 井的位置更靠近中部，所以有利于甲烷擴散，由于A5 井的位置原因以及其擴散量相對較少，其泄漏造成的影響范圍更小。

（2）泄漏空間為開放空間，通風效果較理想，因此易于天然氣的擴散。由甲板布置圖可知，該層甲板中布置有操作室、休息室等結構，位置正處于強風向的下風向，因此對泄漏氣體的擴散產生阻擋作用。由擴散形態圖可知，強風向作用下操作室等結構會阻礙天然氣的擴散，而N風向以及E 風向作用時，該結構對天然氣擴散的影響不大，風進入甲板區域流動較為順暢，易于天然氣的擴散。另外，由布置圖可知，井口上方約5 m 處存在板架結構，由擴散側視圖可以看出，該板架結構對泄漏氣體擴散幾乎沒有影響。強風向（NE）作用下，泄漏氣體的影響范圍較小和影響的設備也較少。當N 風向風速為9 m/s 以及E 風向風速為7 m/s 時，泄漏可燃氣體殘留體積相對較大，影響的范圍也相對較大。由于B6 井的泄漏量不大，總的來說，其泄漏影響范圍不大。

（3）泄漏空間為開放空間，通風效果較理想。同時，由甲板布置圖可知，該層甲板主要結構物對計算風向的阻擋影響很小，風進入甲板區域流動較為順暢，易于天然氣的擴散。強風向（NE）作用下，泄漏氣體的影響范圍較小和影響的設備也較少。當N 風向風速為9 m/s 以及E 風向風速為7 m/s 時，泄漏可燃氣體殘留體積相對較大，影響的范圍也相對較大。由于C2 井的泄漏量不大，總的來說，其泄漏影響范圍不大。

5 結論

（1）運用FLUENT 軟件對真實海上平臺天然氣泄漏擴散情況進行了可視化模擬，通過對不同風向、風速下的天然氣殘留體積和甲烷摩爾分數的模擬計算，分析得出了3 個平臺天然氣泄漏極限情況造成的風險。

（2）A3 井在全年最弱風速下泄漏殘留天然氣體積為1.186 m3，高于強風條件下7～10 倍；A5 井在全年最弱風速下泄漏殘留天然氣體積為3.79 m3；B6 井因其產量折算漏速較高，在全年最弱風速下泄漏殘留天然氣體積為4.18 m3；C2 井在全年最弱風速下泄漏殘留天然氣體積為3.288 m3。

（3）根據《海上固定平臺安全規則》可燃氣體探測器應安裝在危險區及通風和助燃空氣的入口處，探測器應分別安裝在泄漏源附近和可燃氣容易聚積的地方，以保障能探測到輕于空氣和重于空氣的可燃氣體并保證其工作不受環境的影響。