海洋钻井平台井喷硫化氢扩散规律研究

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1、万方数据第10卷第5期2010年10月安全与环境学报JournalofSafetyandEnvironmentV01．10NO．5Oct。2010文章编号：1009—6094(2010}05—0177--04海洋钻井平台井喷硫化氢扩散规律研究*邓海发1，陈国明1，朱渊1，宋林松2(1中国石油大学海洋油气装备与安令技术研究中心，IlJ东东营257061；2中海油田服务股份有限公司，河北燕郊065201)摘要：针对海洋酸性气田开发过程巾的井喷硫化氢扩散问题，以计算流体力学(CFD)为理论基础，建屯一套数值模拟方案和毒害评价

2、模型。选取静风、学均风速和季风风速3种典型环境风速条件，对左舷、右舷、船艏，船艉4个来风方向的硫化氛扩散过程进行模拟，分析r硫化氢扩散的时空分布以及风速对硫化氢扩散的影响作用。结果表明，静风条件F，硫化氧对平台空间危害最为严重；有风条件下，船艏和船艉束风。平台空fHj危害较为严重；其他方向来风时，硫化氢对平台窄问区域危害较小。风速越大，硫化氢对平台空间的危害程度越小。最后，据此提出』，相应的应对措施。关键词：安全工程；硫化氧；CFD；钻井平台；井喷；扩散中图分类号：X93文献标识码：ADO!：10．3969／j．iss

3、n．1009—6094．2010．05．041O引言在酸惟气田井喷事故过程中，硫化氢形成的中毒危险区会造成严重的人员伤亡和环境污染，而海洋钻井平台卜没备较多，宅I’日J区域比较狭窄，在发生事故时更容易造成人员伤亡。1980年，阿拉伯湾某海卜钻井平台作业过程中发生硫化氧?fI}漏，由于准备小足，造成现场人员恐慌，共有19人丧生；2001年，德克萨斯海岸墨l，li哥湾“海洋4号”天然气钻井平台发生井喷，井喷持续时间超过8d，现场疏散39名作业工人，事故导致1名作业人员失踪；2007年，墨Ifl『哥湾Kab121平台发生含硫

4、天然气和原油?

5、Ic漏并引发火灾，造成至少21人死亡。为有效控制井喷事故的危害程度，需要掌握井喷后硫化氢的扩散规律，建萨相应的事故控制措施。日Iiif，国内外在海洋平台空间气体扩散研究方面广泛采用计算流体动力学(ComputationalFIuidDynamics，CFD)方法。该方法计算结果精度高，预测准确，能够很好地符合试验结果。朱渊等¨j采用CFD方法研究r海洋钻井平台密集作业空『廿J内的硫化氰泄漏扩散『廿J题；何利民等旧。研究了高压天然气管道破裂时的扩散规律。并得到了甲烷的危险范围；Say．rides等{3·采

6、用CFD模拟软件Fluent研究r海洋平台上郎模块高压人然气泄漏扩散，并与大尺度试验进行r对比分析，验证了CFD方法的日f靠性。以卜研究表明，利用CFD方法进行海洋钻井平台井喷硫化氢扩散规律研究是可行的。本文采用*收稿日期：2009—12—09作者简介：邓海发．博七研究生，从事油气安全工程的研究；陈目明(通信作者)。教授。从事油气安全_【程、海洋石油装备等研究，gmchen@hdpu．edu．cn。基金项目：国家863计划海洋技术领域专项课题(2006AA092355)CFD方法研究不同风速条件下海洋钻井平台硫化氢的扩

7、散规律，在参考硫化氢毒害评价标准的基础卜进行毒害评价，旨在为防止平台上人员硫化氧中毒提供依据。l基本理论模型1．1井喷射流理论模型井喷射流运动是一个复杂的物理过程，包括湍流射流、物质扩散等过程。参考文献[4]对气体喷射过程的处理方法，井喷过程为：失控井含硫天然气射流从井口喷出后迅速膨胀降压，压力下降至环境大气压，并在阻尼区与周围物质进行动量交换、热肇交换和质量交换，最后进入扩散Ⅸ，见图I。其中，出口平面为井u套管喷f】，在压力平衡平面处，井喷射流气体压力下降到环境大气压，至扩散平面处，射流气体的流动方向和流动速度发生变

8、化，然后进入扩散区。在扩散平面处射流气体速度y。为yd-(啊学)(嵩)(1)式中PE为出口天然气压力，Pa；P^为环境大气压，Pa；CD为阻尼系数，钻／修井取0．5，生产井取0．25。1．2气体扩散理论模型对硫化氢在乎台空间内的射流扩散过程作如下假设：1)井喷射流为稳定喷射过程；2)硫化氢气体不与空气发牛化学反应。采用大涡模拟(LargeEddySimulation，LES)理论模拟大气湍流流动，用物质输运方程模拟硫化氢的对流扩散中每种物质的质萤分数变化。LES的控制方程满足Navier-Stokes方程和质量扩散方程

9、，通过过滤运算呵得到其控制方程组譬+暑(赢)=0(2)at。Jx．、P‘7一、。7丢(正‘)+毫(一聊)一3亚xi+专(”鬻一鬻)(3)旁+刁蓦=D焘+琴+Sc(4)式中p为流体的密度，ks／(m3)；五为流体的平均流速，m／s；P为流体的压力，Pa；t为时问，s；i，，分别为坐标轴方向；v和D分别为分子黏性系数和分子扩散系数；C