SLAB View軟件在含硫天然氣井井噴泄漏擴散模擬中的應(yīng)用

羅 欽 趙煜暉 廖柯熹 向方倩 周 東

1.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2.西南石油大學(xué) 3.中國石油西南油氣田公司

SLABView軟件在含硫天然氣井井噴泄漏擴散模擬中的應(yīng)用

羅 欽1,2趙煜暉3廖柯熹2向方倩3周 東1

1.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2.西南石油大學(xué) 3.中國石油西南油氣田公司

介紹了SLAB重氣泄漏擴散模型，并運用SLAB View軟件模擬了某含硫氣井發(fā)生井噴事故H2S云團的擴散過程和危害區(qū)域，得出了H2S云團在指定濃度平均時間下的影響范圍，以及指定濃度H2S云團出現(xiàn)在最遠距離的時間和最遠下風(fēng)向擴散距離。結(jié)果表明，SLAB View軟件能方便、快速地模擬平坦地形下含硫天然氣井噴泄漏擴散過程，預(yù)測事故泄漏擴散后果和影響范圍。

SLAB模型 井噴 H2S云團 擴散距離

SLAB模型由美國的Lawrence Livermore國家實驗室開發(fā)，是一種針對突發(fā)意外事故時危險化學(xué)物質(zhì)泄漏擴散過程的模擬工具，適用于平坦地形條件下重氣排放的大氣擴散模擬。該模型用于模擬地面蒸發(fā)池、高位水平噴射、煙囪或高位垂直噴射、瞬間排放的4種污染源類型的連續(xù)、限時、瞬時排放過程，可以預(yù)測有害危險區(qū)域和邊界、泄漏的持續(xù)時間長短、化學(xué)物泄漏之后在特定氣象條件下的擴散運動過程。該模型克服了一維模型的缺點，同時保留了三維模型能夠準確模擬擴散過程中各種場變化的優(yōu)點。該模型適用于模擬比空氣稠密的氣體泄放或者液體溢漏而蒸發(fā)出的稠密氣體擴散[1]。而含硫天然氣的泄漏擴散主要考慮組分中H2S氣體擴散的影響，H2S密度大于空氣。因此，結(jié)合SLAB模型的特點，可以模擬分析H2S氣體在大氣中的擴散過程和狀態(tài)。

SLAB View軟件是基于SLAB模型開發(fā)的一種風(fēng)險管理工具，可以通過輸入相關(guān)的源項數(shù)據(jù)、邊界條件和氣象參數(shù)建立事故模型，通過模擬計算，可得出在特定氣象條件下污染物云團隨時間變化的擴散狀態(tài)以及在指定濃度平均時間下的影響范圍。該軟件的3D平臺集成了可視化工具，可生成氣體擴散過程動態(tài)圖，能更直觀預(yù)測事故泄漏擴散后果和影響范圍。

1 SLAB重氣泄漏擴散模型

SLAB模型以泄放源為原點、以下風(fēng)向為x軸方向、橫風(fēng)向為y軸方向、豎直方向為z軸方向建立坐標系統(tǒng)，并且假設(shè)氣體的泄漏方向為x軸正方向。對穩(wěn)定狀態(tài)的煙羽擴散將氣體云分成高h，寬2B，厚Δx的氣體云板塊，如圖1所示。通過其總體質(zhì)量平衡方程、擴散質(zhì)量平衡方程、動量平衡方程、能量平衡方程，并考慮由于湍流而引起氣體云對周圍空氣的卷吸，三維空間內(nèi)的每一點氣體濃度可由平均濃度及濃度分布函數(shù)得到式(1)。對于瞬時泄漏(見圖2)，泄漏物質(zhì)圍繞泄漏源形成氣團,隨時間推移，氣團一邊向四周擴散，一邊隨風(fēng)漂移，氣體濃度用式(2)計算[2-7]。

C(x,y,z,t)=2·B·h·C(x)·C1(y,b,β)·C2(z,Zc,σ)

(1)

C(x,y,z,t)=4·Bx·By·h·C(x)·C1(x-Xc,bx,βx)·C1(y,by,βy)·C2(z,Zc,σ)

(2)

式中：

(3)

(4)

B2=b2+3β2

(5)

C2(z,Zc,σ)=

(6)

(7)

式中，x為下風(fēng)向距離，m；y為橫向距離，m；z為垂直方向距離，m；t為時間，s；σ為擴散參數(shù)，與泄漏參數(shù)和氣象參數(shù)有關(guān)；m為品質(zhì)分率，kg/kg；Ma為干空氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Ms為泄放氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；B為氣云寬度，m；h為氣云高度，m；b為氣云半寬參數(shù)，m；β為特征寬度，m；Zc為氣云高度參數(shù)，m；C1為水平側(cè)風(fēng)向濃度輪廓函數(shù)，10-6；C2為垂直濃度輪廓函數(shù)，10-6。

2 軟件模擬應(yīng)用及分析

2.1 模擬條件

假設(shè)某高含硫氣井發(fā)生井噴失控(該井的工程基本參數(shù)見表1)，則可能導(dǎo)致大量含硫天然氣泄漏并引起中毒死亡事故。假定H2S釋放時間為15 min[8]，在大氣穩(wěn)定度為F，風(fēng)速為3.0 m/s的情況下，計算H2S危險臨界質(zhì)量濃度為150 mg/m3[9]對人員生命和健康產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)或延遲性影響的危害范圍，得出H2S體積分數(shù)達到100×10-6、300×10-6和1 000×10-6的擴散距離。

表1 工程基本參數(shù)Table1 Basicparametersoftheproject無阻流量H2S體積分數(shù)天然氣相對密度井口尺寸1026.77×104m3/d10.41%0.995/8″

2.2 模擬計算

2.2.1定義泄漏污染源類型

模擬發(fā)生井噴失控事故H2S的擴散過程，選用煙囪或高位垂直噴射模式進行計算。

2.2.2定義污染源特性

在化學(xué)物數(shù)據(jù)庫中選擇H2S，其特性見表2。

表2 H2S特性Table2 H2Sproperties分子質(zhì)量氣體熱容沸點溫度蒸發(fā)熱液體熱容液體密度飽和蒸汽壓(25.5℃)34.8g/mol1004J/(kg·K)213.5K547980J/kg2010J/(kg·K)960kg/m32026.5kPa

2.2.3定義泄漏參數(shù)

假設(shè)發(fā)生井噴失控，H2S釋放時間按15 min計算，根據(jù)該高含硫氣井的無阻流量和井口尺寸可計算出發(fā)生井噴失控最大污染源質(zhì)量排放速率和實際開放面積。污染源高度參照井口高度，其參數(shù)數(shù)值見表3。

表3 泄漏參數(shù)數(shù)值Table3 Leakageparameters井口天然氣釋放速率釋放時間井口高度天然氣溫度井口截面積10.4kg/s900s1m333K0.047m2

2.2.4定義流場參數(shù)

流場參數(shù)中的濃度平均時間(TAV)是安全標準相對應(yīng)的平均時間，而許多有毒污染物有多個安全標準，對于不同的暴露時間，每一個不同的TAV均需要進行計算。

若TAV比煙云持續(xù)時間(TCD)大，由于煙團相對較短，觀察者暴露在污染物中的時間占TAV的一部分，平均濃度將會被減少。在這種情況下，TAV≤TCD更有意義。對于連續(xù)的或限時排放，TCD可以近似為連續(xù)污染源持續(xù)時間。

H2S危險臨界濃度是對人員生命和健康產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)或延遲性影響的H2S濃度，為150 mg/m3。從表4中可以得知,H2S體積分數(shù)達到100×10-6，3～15 min就會出現(xiàn)咳嗽、眼睛受刺激和失去嗅覺。故TAV取值3 min，即180 s(見表5)。

2.2.5定義氣象參數(shù)

氣象參數(shù)會對氣體的擴散產(chǎn)生影響，在穩(wěn)定度為F的情況下，不利于擴散，有相對較大的危險性。氣象參數(shù)根據(jù)當?shù)貧庀髼l件進行定義，其參數(shù)數(shù)值見表6。

表4 H2S對人的生理影響及危害[6]Table4 EffectsandharmsofH2Sonhumanphysiology在空氣中的濃度φ/10-6ρ/(mg·m-3)暴露于H2S的典型特性1015.00有令人討厭的氣味。眼睛可能受刺激。美國政府工業(yè)衛(wèi)生專家協(xié)會推薦的閾限值(8h加權(quán)平均值)。我國規(guī)定幾乎所有工作人員長期暴露都不會產(chǎn)生不利影響的最大H2S濃度100150.003～15min就會出現(xiàn)咳嗽、眼睛受刺激和失去嗅覺。在5～20min過后,呼吸就會變樣、眼睛就會疼痛并昏昏欲睡,在1h后就會刺激喉道。延長暴露時間將逐漸加重這些癥狀。我國規(guī)定對工作人員生命和健康產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的或延遲性的影響的H2S濃度300432.40明顯的結(jié)膜炎和呼吸道刺激。注:考慮此濃度定為立即危害生命或健康,參見(美國)國家職業(yè)安全和健康學(xué)會DHHSNo85-114《化學(xué)危險袖珍指南》gt;1000gt;1440.98立即喪失知覺,結(jié)果將會產(chǎn)生永久性的腦傷害或腦死亡。必須迅速進行營救,應(yīng)用人工呼吸和(或)心肺復(fù)蘇 注:表中數(shù)據(jù)來源于SY/T6137-2005《含硫化氫的油氣生產(chǎn)和天然氣處理裝置作業(yè)的推薦作法》附錄C。

表5 流場參數(shù)數(shù)值Table5 Flowfieldparameters濃度平均時間/s最大順風(fēng)距離/m18022000

表6 氣象參數(shù)數(shù)值Table6 Meteorologicalparameters地面粗糙度/m環(huán)境測量高度/m環(huán)境風(fēng)速/(m·s-1)環(huán)境溫度/K相對濕度/%穩(wěn)定度1.01.03.029880F

2.3 計算結(jié)果

2.3.1危險臨界濃度影響范圍

通過計算，可以得出該井若發(fā)生井噴失控事故，在濃度平均時間為3 min的情況下，體積分數(shù)為100×10-6的H2S云團影響范圍為距泄漏點1 668 m的區(qū)域。圖3所示為中心線上最大濃度隨距離的變化情況。由圖3可見,中心線上最大濃度隨著距離的增大而降低。

2.3.2最遠下風(fēng)向擴散距離

通過計算，可以得出該井若發(fā)生井噴失控事故并持續(xù)至140 s時，含H2S云團擴散至下風(fēng)向最遠距離(見表7)。其中，體積分數(shù)為100×10-6的含H2S云團最遠擴散至下風(fēng)向2 236 m；體積分數(shù)為300×10-6的含H2S云團最遠擴散至下風(fēng)向1 067 m；體積分數(shù)為1 000×10-6的含H2S云團最遠擴散至下風(fēng)向456 m。

表7 SLAB軟件定量計算井噴事故結(jié)果Table7 ResultsfromquantitativecalculationonablowoutaccidentsusingSLABsoftwareφ/10-6云團最遠距離出現(xiàn)時間/s最遠下風(fēng)向擴散距離/m100300100014022361067456

隨著時間的推移，H2S云團慢慢向外擴散，當?shù)竭_140 s時，云團基本達到穩(wěn)定，隨著繼續(xù)擴散的影響，云團形狀發(fā)生變化，當井噴得到控制后，井口及下風(fēng)向濃度逐漸減小，云團逐漸脫離井口向下風(fēng)向漂移，并隨著擴散而慢慢消失。越靠近地面，H2S云團的濃度就越高。

3 結(jié) 語

(1) SLAB View軟件基于SLAB模型，能方便、快速地模擬計算出發(fā)生井噴失控事故時，H2S云團在指定濃度平均時間下的影響范圍以及指定H2S濃度出現(xiàn)的最遠距離和時間，同時能直觀地顯示出其云團的擴散過程。

(2) 該軟件用于模擬較為平坦地形條件下的重氣擴散，因此可用于四川盆地平原地區(qū)和川中淺丘地區(qū)的含硫天然氣鉆井井噴失控事故的預(yù)測。

(3) 該軟件不足之處是沒有考慮較為復(fù)雜的地形對氣體擴散的影響，因此是否適用于山區(qū)復(fù)雜地形條件下的井噴失控泄漏擴散模擬，還有待進一步研究和驗證。但在緊急情況下，也可以方便、快速地計算出事故影響范圍，為制定應(yīng)急疏散區(qū)域提供參考。

[1] 孫召賓， 鄭洪波， 張樹深. 重氣體擴散模型分類及工業(yè)應(yīng)用模型分析比較[J]. 中國人口資源與環(huán)境, 2011(21): 435-438.

[2] 朱紅萍， 羅艾民， 李潤求. 重氣泄漏擴散事故后果評估系統(tǒng)研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報. 2009, 19(5). 119-124.

[3] 朱紅亞, 陳昊東， 王青松， 等. 多源重氣泄漏擴散模擬研究[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2014, 44(8): 697-703.

[4] DONALD L ERMAK. User’s manual for Slab: An atmospheric dispersion model for denser-than-air releases [M]. California: University of California, Lawrence Livermore National Laboratory, 1990.

[5] 王林元, 鄧洪波, 李會芳, 等. 含硫天然氣井井噴失控15分鐘H2S擴散數(shù)值模擬[J]. 石油與天然氣化工, 2012, 41(4): 435-437.

[6] 張寶柱, 樊建春, 馬慶春. 高含硫氣井井噴事故模擬與分析[J]. 石油與天然氣化工, 2011, 40(5): 531-534.

[7] 張林霞, 王勇, 楊琴, 等. 井噴H2S擴散環(huán)境風(fēng)險數(shù)值模擬與風(fēng)洞實驗驗證[J]. 石油與天然氣化工, 2011, 40(1): 87-89.

[8] 全國安全生產(chǎn)標準化技術(shù)委員會非煤礦山安全分技術(shù)委員會. AQ 2016-2008 含H2S天然氣井失控井口點火時間規(guī)定[S]. 北京： 煤炭工業(yè)出版社， 2009.

[9] 國家能源局. SY/T 6137-2012含硫化氫油氣生產(chǎn)和天然氣處理裝置作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程[S]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2012.

UseofSLABViewforsimulationofnaturalgasdiffusioninblowoutsofsourgaswell

LuoQin1,2,ZhaoYuhui3,LiaoKexi2,XiangFangqian3,ZhouDong1

(1.Safety,EnvironmentandTechnologySupervisionResearchInstitute,PetroChinaSouthwestOilamp;GasfieldCompany,Chengdu610041,China； 2.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)(3.PetroChinaSouthwestOilamp;GasfieldCompany,Chengdu610051,China)

This paper describes the SLAB heavy gas dispersion modeling and uses SLAB View to simulate the H2S diffusion process and hazardous areas in a sour gas well blowouts. It identifies the influence range of H2S cloud cluster at specified concentration averaging time, the time when the H2S cloud cluster of specified concentration reaches the furthest distance, and the furthest diffuse distance in wind direction. The comparison shows that SLAB View offers an easier and faster option to simulate leakage and diffusion process during sour gas well blowouts on flat terrains, and therefore it is a useful tool for the prediction of the diffusion consequence and influence range.

SLAB model, blowout, H2S cloud cluster, diffuse distance

羅欽(1986-)，女，2007年6月畢業(yè)于西南石油大學(xué)，學(xué)士，工程師，現(xiàn)任職于中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院， 從事科研項目管理。luo_qin@petrochina.com.cn

TE88+2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.027

2014-12-15；編輯鐘國利