海上淺層氣井噴燃燒場景模擬

摘" " 要：海洋油氣鉆采過程中，當鉆井遇淺層氣時容易引發井噴事故，井噴可燃氣體泄漏引起的火災對海上平臺及鉆采裝置構成嚴重威脅?；谟嬎懔黧w力學（CFD）與有限元分析方法，利用熱-流-固耦合與擴散原理構建了井噴燃燒場景，預測了井噴燃燒過程中火焰的擴散與發展規律，并獲得井口裝置在高溫下的熱力學響應。結果表明：隨著井噴可燃氣體的蔓延，高溫區域不斷擴大，火焰及熱輻射對相鄰井口裝置的服役狀況產生顯著影響，風速與井噴速度為影響火焰延伸及井口裝置熱力學響應的主要因素。所建立的熱-流-固耦合模型與分析方法可應用于井噴事故中海洋平臺的安全評估。

關鍵詞：淺層氣；井噴；熱-流-固耦合；安全評估

Simulation of offshore shallow gas blowout combustion scenarios

YAN Xinjiang1， YIN Zhiming1， REN Meipeng1， YANG Xiangqian1， HUANG Xiaoguang2， HAN Zhongying3

1. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100028， China

2. College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum， Qingdao 266580， China

3. College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao 266580， China

Abstract：During offshore oil and gas drilling and production， it is easy to cause a blowout when drilling shallow oil and gas reservoirs. The fire accident caused by combustible gas leakage in the blowout poses a serious threat to offshore platforms and oil recovery devices. Based on computational fluid dynamics （CFD） and finite element analysis method， this paper constructed a blowout combustion scenario via thermal-fluid-solid coupling method and diffusion principle， and predicted the development law of flame in the combustion process of offshore platform after blowout， with the thermodynamic response of the wellhead device at high temperature obtained. The results show that with the spread of combustible gas from the blowout， the high temperature area continues to expand， and the flame and thermal radiation have a significant impact on the service status of adjacent wellhead devices. Wind speed and blowout speed are the main factors behind the flame extension and the thermodynamic response of the wellhead device. The thermal-fluid-solid coupling model and analysis method used in this paper can be applied to the safety assessment of offshore platform in blowout-related accidents.

Keywords：shallow gas; blowout; thermal-fluid-solid coupling; safety assessment

統計數據表明，海洋石油儲量約占世界石油總儲量的 47%，海洋天然氣儲量約占世界天然氣總儲量的46%。我國南海石油儲量約為1.25 ×1010 m3，天然氣儲量約為 9 × 1011 m3，面對南海如此巨大的海洋資源，發展深水鉆井采油項目勢在必行 [1]。海上鉆探井噴風險極高，地層狀況未知或預測不準、高壓溢流和井涌均可能引發井噴，造成災難性事故。一旦發生意外火災，熱輻射和燃燒產生的有毒物質是造成人員死傷的直接原因；同時，由于高溫，平臺將迅速產生塑性變形，導致主要承重構件失效，甚至整個結構倒塌[2-3]。因此，為評估井噴時平臺結構安全狀況以及設備災后處置方案的可行性，必須深入研究井噴火災演化、可燃氣體的擴散規律，以及平臺在火災中的熱力學響應。

火災對平臺結構的影響分析實際上是一個熱-流-固耦合過程，涉及化學燃燒、氣體擴散、火災高溫擴散和結構熱響應等諸多過程?；馂难莼且粋€化學燃燒與氣流相結合的過程，其中氣體擴散行為、火災分布與發展的范圍和過程是重點[4-5]。利用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型預測火災作用與實驗研究相比具有許多優點，如低風險、低成本，以及高計算效率[6-7]。Savvides 等采用 Fluent 研究了海洋平臺上部模塊高壓天然氣的泄漏擴散規律，根據大尺度試驗驗證了 CFD 方法的可靠性[8]。Tauseef 等基于 CFD 研究了 LPG 儲罐區可燃氣體的泄漏擴散與爆燃現象[9]。王其華等利用CFD方法對井噴失控狀況下井噴火焰進行研究，指出了虛擬仿真所需的定解條件，通過虛擬仿真得出了井噴火溫度場和熱輻射場的分布規律[10-11]。李佳航等以實際工程為例，模擬不同條件下海上鉆探平臺天然氣井噴擴散，分析井噴速率、風向風速、井噴方向以及平臺結構等因素對天然氣井噴擴散的影響[12]。

針對結構在火災下的響應特征，國內外學者最初普遍通過全尺度試驗、縮尺試驗研究結構高溫下力學特征變化規律、過火后承載力演化特征[13-14]。然而，開展試驗研究具有不可重復性且價格高昂，有較大局限性，有限元軟件為結構響應特征分析提供了更好的平臺。Liew利用 ANSYS/LS-DYNA 對鋼結構框架爆炸后發生火災進行數值模擬，得到鋼結構的主要破壞模式[15]。Manco等利用 CFD 和 LF-ESF 軟件數值模擬局部火災條件下鋼制結構的熱響應，得到鋼結構溫度和熱力學性能變化規律[16]。

本研究基于海洋鉆井井噴數據和環境參數，利用CFD與有限元相結合的方法，構建井噴燃燒場景，分析了井噴速度和環境風速對火焰形狀和溫度分布的影響。

1" " 井噴燃燒場景模型建立及參數分析

1.1" " 有限元模型

根據海洋平臺井口裝置實況，選取邊長200 m × 100 m × 100 m的長方體空間作為井噴燃燒區域的計算空間，該計算空間尺寸的選取使得計算邊界與井口有適當距離，降低了模型邊界條件對計算結果的影響，又滿足計算精度的要求。利用Solidwork軟件進行燃燒區域空間建模，模型以井噴井口與一個服役井口裝置為中心。計算空間、井口裝置示意如圖1所示。海上平臺井口裝置結構參照實物模型用Solidwork軟件建立簡化模型[17-18]，模型如圖2所示。井噴井口直徑為177.8 mm，井筒軸線與y軸相同。采用Anasys-CFX軟件對各計算域進行有限元網格劃分，為確保計算精度，分別對井噴井口與待測井口裝置進行了網格加密，網格尺寸為0.03 m，有限元模型及模擬流體區域、井口裝置網格劃分如圖2所示。

1.2" " 模型參數與邊界條件

本研究中流體空間為空氣，其主要成分有N2、O2、CO、CO2、H2和H2O，井噴氣體假設為純甲烷，在模型中混合組分密度由概率密度函數（PDF）指定，比熱采用分段多項式離散分布指定。固體空間為L80-13Cr鋼井口裝置，其材料參數為：彈性模量206 GPa、泊松比0.3、屈服強度655 MPa、熱膨脹系數1.2 × 10-5/ ℃ [19]。甲烷、空氣等流體及固體物理性質參數如表1所示[20]。

點火源位于井噴井口附近，井口邊界設置為入口速度，氣體速度設為井噴速度Vf，方向沿y軸正向。

在空氣流動、擴散計算區， x軸負向截面設置為速度入口邊界，考慮風速影響，進口邊界設置當地風速，氣流速度為風速Vx，風向沿x軸正方向，如圖1所示。計算流體區域的右側（x軸正方向）設為出口邊界，設置表壓為0 MPa，湍流強度設為5（無量綱），水力直徑值設為100 mm。無滑移壁面邊界設置在氣體域的底部，對壁面求解方法為標準壁面函數。環境溫度設定為300 K，大氣壓力為101 kPa。

2" " 井噴燃燒場景模擬結果分析

2.1" " 井噴火焰分析

選取井噴速度為60 m/s，環境風速為9.4 m/s，井噴燃燒后30、60、100、140、170、200 s井口火焰分布如圖3所示。井噴燃燒發生后甲烷與空氣混合發生反應，溫度逐步上升，在30 s時井噴井口附近溫度較低，隨著甲烷迅速向周圍擴散并與空氣反應，溫度快速升高，呈現出內低外高的火焰；在60 s時火焰在橫向風速的影響下明顯向順風向偏轉擴散，呈喇叭形；100 s后，火焰逐步穩定，火焰形狀符合點源高斯擴散模型。

2.2" " 結構熱應力分布

圖4為持續燃燒600 s后井口裝置的溫度分布圖，最高溫度出現在閥體的迎風端，其值為329.39 K。圖5為持續燃燒600 s時井口裝置的Von Mises等效應力分布，高應力區域主要分布于井口裝置頂端，主要受火焰高溫區影響。閥體兩邊雖然溫度最高，但熱變形受相鄰結構的限制不大，熱應力并不是最高。整個井口裝置的最大應力出現在閥體與本體連接部位的貫穿孔根部，應力集中現象明顯，最高應力達235.51 MPa。

3" " 不同燃燒場景下井口裝置熱力學響應

3.1" " 不同風速與井噴速度對燃燒場景的影響

基于上述方法，分析風速與井噴速度對燃燒場景的影響。表2為海洋風速與風力等級對照表，以渤海海域為例，年平均風速為6.2 m/s（4級），冬、夏季風速大，春、秋季風速小，全年6級及以上大風頻率約占18.5%[21]。因此選取3～6級4個風力等級對應的平均風速進行模擬。根據井噴現場數據，選取的井噴速度分別為60、80、100、120 m/s。

在本文中定義火焰高度是火焰中線到地面或井噴平臺表面的高度。圖6～圖9所示為3～6級風作用下，井噴速度分別為60、80、100、120 m/s，井噴火災發生后燃燒10 min時的井噴火焰形貌與溫度場分布。經分析可以得出：環境風速越大，井噴燃燒火焰被壓得越低；同時，井噴速度越大，火焰高度越高[10]。

3～6級風力下火焰高度與井噴速度關系如圖10所示?？梢钥闯觯涸谙嗤畤娝俣葧r，隨著風力等級變大，井噴火焰高度減小，且彎曲程度更為明顯，火焰更貼近地面，火焰高度與風力等級呈負相關。在相同風力等級下，隨著井噴速度的增大，火焰高度增大，且彎曲程度減弱，井噴火焰高度隨井噴速度增大基本呈線性增大趨勢。

3.2" " 井口裝置溫度場分布

井口裝置的最高溫度隨風速、井噴速度的變化規律如圖11所示?？梢园l現，同風速下井噴速度越大溫度越低，同井噴速度下風力等級越大溫度越高。結合圖10中火焰高度可知，火焰高度與最高溫度呈反相關，火焰高度越高，井口裝置的最高溫度越低，產生這種現象的原因是只有火焰受風力影響足夠彎曲時才能夠覆蓋底部的井口裝置，進而使井口裝置底部溫度升高。

在3～6級風速環境下，井噴燃燒10 min后井口裝置最高溫度隨時間的變化曲線如圖12所示。當井噴速度較小時（如60 m/s），除3級風外，曲線密集，溫度分布較高，受風速影響較小。而井噴速度80、100、120 m/s時3條風速曲線分布較為均勻，受風力影響明顯，尤其是井噴速度120 m/s時大風能顯著提高井口裝置的最高溫度。

3.3" " 井口裝置應力場分布

應用ANSYS-Workbench熱-固耦合模塊，將計算的瞬態溫度導入到井口裝置模型中，進行熱彈性力學分析。在井口裝置底部施加固定約束，得出不同井噴速度、風速下井口裝置最大應力點（持續燃燒600 s時的位置見圖5）隨時間變化曲線。圖13表示井噴速度60、80、100、120 m/s不同風速下的井口裝置最大Von Mises等效應力隨時間變化曲線。在相同的井噴速度下，風力等級越大，最大應力越大，與溫度變化趨勢一致。

4" " 結論

本文基于熱-流-固耦合分析，對井噴燃燒場景以及火災時海洋平臺井口裝置Von Mises等效應力進行了系統的仿真與評估。根據井噴氣體不同井噴速度、環境風速等情景，構建了井噴燃燒場景，得出了井噴井口周圍空間的溫度分布與井口裝置的等效應力分布。主要結論如下：

1）火焰高度與風速呈負相關。在相同井噴速度時，隨著風速變大，井噴火焰高度減小，且彎曲程度更為明顯，火焰更貼近地面。在相同風速下隨著井噴速度的增大，井噴火焰高度增大，且彎曲程度減弱，井噴失控火焰高度隨井噴速度的增大基本呈線性增大趨勢。

2）同風速下井噴速度越大井口裝置溫度越低，同井噴速度下風速越大井口裝置溫度越高?；鹧娓叨扰c井口裝置最高溫度呈負相關。井噴速度越大，火焰高度越高，井口裝置最高溫度越低。在3級風速下，風速對火焰高度改變不大，井口裝置溫度變化與風速關系并不密切；當風速升至4級以上時，井口裝置溫度受井噴速度與風速共同影響。

3）井口裝置最大應力點位于閥體與本體連接部位的貫穿孔根部，主要來自結構熱變形引起的應力集中。隨著風速逐漸增大，焰羽逐漸覆蓋井口裝置頂部，應力逐漸上升。

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基金項目：

中海油十四五重大科技項目“井控風險預警及應急關鍵技術” （2022-YXKJ-017）；國家重點研發計劃課題“深遠海超深水鉆井井控風險防控及安全保障關鍵技術”（2022YFC2806504）。

作者簡介：

閆新江（1986—），男，山東菏澤人，高級工程師，2012年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，碩士， 現主要從事海上鉆完井工藝及巖石力學研究工作。

Email：yanxj3@cnooc.com.cn

收稿日期：2023-12-24