高含硫化氢气井井喷后天然气扩散数值模拟.pdf

第 4 0 卷第 6期 2 0 1 1年 6月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 0．N 0 ． 6 J u n e．2 0 11 _ ．- - 一 Cj 同 含硫化氢气井井喷后天然气扩散数值模拟 欧阳传湘，吕 露，马 成 1 ．长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室， 湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 ； 2 ．长江大学石油工程学院， 湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 摘 要高含硫气 田一旦发生井喷事故 ，后果非常严重，为了掌握井喷事故后天然气扩散的规律，利用 C F D软件进行了井喷事故数值模拟。研究甲烷和硫化氢的质量分数分布规律和影响范围， 并研究了风速和出口 速度对扩散的影响。结果显示 风速对天然气的扩散影响比较大，风速越大，扩散越快；出口速度对高空天然 气质量分数分布有影响，出口速率越大 ，高空中天然气质量分数越大。研究的结果可以为天然气井井喷事故处 理提供一定的指导依据。 关键词 天然气井 ； 井喷；硫化氢；甲烷； 中图分 类号 T E 6 4 2 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 1 0 6 0 6 1 5 0 4 Num e r i c a l S i m ul a t i o n o f Na t ur a l Ga s Di f f us i o n f o r Ga s、 e U Bl o wo u t W i t h Hi g h Hy d r o g e n S u l fi d e Co n t e n t OUY ANG Ch u an - x i a n g， ， MA Ch e n g 1 ． H u b e i p r o v i n c i a l Ka y L a b o r a t o r y o f O i l a n d G a s Dr i l l i n g a n d P r o d u c t i o n E n g i n e e r i n g ， Y a n g t z e U n i v e r s i t y , H u b e i J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， Ch i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e rin g ， Ya n g t z e Un i v e r s i ty, Hu b e i J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t Bl o wo u t a c c i d e n t o f g a s fie l d wi t h h i g h s u l f u r c o n t e n t h a p p e n s o n c e ，wh i c h wi l l c a u s e v e r y s e r i O U S c o n s e q u e n c e ． I n o r d e r t o ma s t e r t h e l a w o f n a tur a l g a s d i f f u s i o n a f t e r t h e b l o wo u t ． C F D s o f t wa r e wa s u s e d t o s i mu l a t e b l o wo u t ． t o s t u d y t h e d i s t r i b u t i o n l a w o f ma s s fr a c t i o n o f me t h a n e a n d h y d r o g e n s u l fid e a n d a n a l y z e t h e i n fl u e n c e o f wi n d s p e e d a n d e x i t v e l o c i t y o n d i f f u s i o n ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t wi n d s p e e d h a s g r e a t i n fl u e n c e o n d i f f u s i o n ．T h e g r e a t e r t h e wi n d s p e e d ． t h e f a s t e r d i f f u s i o n ． Ex i t v e l o c i t y h a s e ff e c t o n t h e ma s s fra c t i o n d i s t r i b u t i o n o f n a t u r a l g a s ， t o o ． Th e f a s t e r e x i t v e l o c i ty, t h e h i g h e r n a t u r a l g a s ma s s fra c t i o n i n h i g h a l t i t u d e ． Re s u l t o f t h e s tud y c a n p r o v i d e g u i d a n c e t o d e a l wi t h n a t u r a l g a s we l l b l o wo u t ． Ke y wo r d s Na tur a l g a s we l l ； Bl o wo u t ； Hy d r o g e n s u l fi d e ； M e t h a n e ； 天然气具有绿色环保 ，燃烧值大等优点 ，最近 几年天然气在我国得到了广泛的应用， 2 0 0 9 年我国 天然气消费统计量为 8 7 5亿 m ，预计在今后的 2 0 年天然气的需求量年均增长量为 1 0 0 ～ 1 5 0 亿 m ” 。 所以将会有越来越多的高含硫天然气气藏被开发， 尤其是四川盆地 、鄂尔多斯盆地和渤海湾盆地等开 发几率较高口 ，我国目前开发的卧龙河气田和渡口 气田的有些气藏 H z s含量分别为 4 9 1 4 9 0 mg ／ i n ， 5 2 3 62 0 mg ／ m 。 像这种高含硫气田的开发风险和难度十分大， 一 旦发生井喷事故 ， 会带来不可想象的后果p 。 2 0 0 3 年 四川开县发生了井喷事故 ，造成上百人死亡 ，并 使周围空气 、水质受到影响。为了进一步研究天然 气气井井喷的扩散规律， 笔者利用 C F D软件对气井 井喷后天然气的扩散进行了数值模拟， 模拟的结果 可以为气井井喷事故处理提供指导。 1 计算模型的基本控制方程 流体流动要遵循物理守恒定律 ，包括质量守恒 定律、动量守恒定律、能量守恒定律，气井井喷涉 及到不同的组分的混合，所以还要遵守组分守恒定 律。这些基本守恒定律对应的控制方程为 连续性方程 p u j 0 Z 其中P 一混合物的密度； ，一 X ，Y ，z 三个方向上的速度。 动量守恒方程 警 苦 p u,uj - 詈 苦 等 j 一 g 收稿 日期 2 0 1 1 ～ 0 4 2 2 作者简介 欧阳传湘 1 9 6 3 一 ，男，湖北荆州人，副教授，硕士生导师，在读博士研 究生，1 9 8 4年毕业于江汉石油学院采油工程专业 要从事油藏工程和呆油工程方面的研究和教学工作。 通讯作者 吕露 1 9 8 6 一 ，女，湖北武汉人，在读研究生，主要从事油藏工程和采油工程方面的研究。E - m a i l y i f e i l 0 5 0 1 l 6 3 ．c o m 。 6 1 6 当 代 其 中 一 流 体 的动力粘 腰 ； { 一重力加速度 ； JD 一绝对压力； p 空气的密度。 能量守恒方程 专p u 毒 其中 比热容； 7 1 一温度； k一流体的传热系数； S r 一流体的内热源以及由于粘性作用流体机械能转换为热能的 部分 ，有时简称为粘性耗散项。 组分质量守恒方程 苦 p ujcs 毒 j 其中C s 一组分 S的体积浓度 ； p c 一组分的质量浓度； D 一组分的扩散系数 。 2 模型的建立 本文模拟某天然气气井发生井喷事故，周围大 气环境温度为 3 0 0 K， 环境压力为 0 ． 1 M P a ， 平坦地 势，风速为 5 m ／ s ，当地重力加速度为 9 ． 8 m ／ s ，井 口直径为 0 ． 2 m，天然气中甲烷质量分数为 8 l％， 硫化氢质量分数为 1 9％， 井 口天然气 的速度分别为 2 0 0 ，3 0 0 ， 4 0 0 m ／ s ，模拟不同流速下大气中天然气 浓度随时问的变化规律和风速对天然气扩散影响。 2 ． 1 几何模型 ■维仿真的计算量巨大， 所以选择建立二维的 模拟模型，对于多组分混合的天然气井喷过程，受 风速、 重力、地形、大气温度等因素的影响，根据 要实现的研究 目的，取一个足够大的扩散区域 ，几 何模型如图 1 。 水 、} 1 图 1 几何模 型 F i g ． 1 Ge o me t r i c a l mo d e l 天然气在大气中的扩散在水平方向上较远 ，所 以模拟区域选取水平方 向 1 0 0 0 m， 垂直方 向为 2 0 0 m，井 口为 0 ． 2 m，根据文献[ 4 ，5 ] 对天然气扩散 的 研究 ，选择井 口为速度人 口，左边为风速的进 口， 右侧和上面为压力 口。因天然气喷 后在 n附 近速度变化较快 ，所以采取加密措施对井 口附近对 网格进行了加密 ，以提高解的收敛性 。 2 ． 2 算法和紊流模型的选择 S I MP L E算法是 目前 I 程上使用最广泛的算法 ， 各 C F D 软件都普遍采用该算法 ，本 文也采崩该算 法。S I M P L E算法是 1 9 7 2年 由 P a t a n k a r 和 S p a l d i n g 提出的，它求解的核心思想是采用 “ 猜测一 修止” 的过程，在交错网络的基础上来计算压力场，『{ } 达 到求解动量方程的目的。 天然气在井 口时 ，速度很大 ，所以要选择合适 的湍流模型 ，根据文献[ 6 1 t 天然气扩散的研究 ，选 用标准 s 模型。它的湍动能和耗散 ‘ 程 为 一8 p k a p ku , 旦l f 1 l O t 8 x i 8 x ， O “k ／ ， I G Gb 占一 一a p s a p e u , 笪1 堡l 8 t 8 x 8 x ， O“ L／ 0 x ， 1 P P2 C Tl c 3 G 一 C 2 ， 式中G 一 由于平均速度梯度引起的湍动能产， 一 由于浮 力引起的湍动能产q ； 一 可压缩湍 流脉 动膨胀对 总的耗散率 的影 响 ，C l 4 4， ． C 2 1 ．9 2， C3 O 0 9， o -k 1 ． 0 ， o -／ 1 ． 3 天然气 的密度 比空气 的小 ，上面考虑了重 J 的 影响，所 以还要考虑全浮力的影响， 3 井喷计算结果分析 甲烷常温下是气态 ，本身无毒 ，但 当空气中这 种气体浓度在 l 0％以上时，它会造成人的供氧 足 ，甲烷还是易燃易爆的气体 ，在空气中的爆炸极 限是 5％～ 1 0％， 换算成质量分数为 0 ． 0 3 5 8 5 ～0 ． 1 0 7 5 5 k g ／ m 。硫化氢 是无色有 毒气体 ，人 吸入 7 6 0 mg ／ m 一1 0 0 0 mg ／ m 的硫化氢气体后数秒后就会急性 中毒 ，国家规定硫化氢的安全临界质量分数 为 3 0 m g ／ m 。综合考虑两者的特性 ， 只有满足在 闪种气体 的安全浓度下的区域人们才是安全的。 3 ． 1 天然气扩散 在风速为 5 m ／ s ，井口喷射速率为 3 0 0 m ／ s 时， 观察不同时刻 甲烷和硫化氢体积分数分布的特点 ， 发现甲烷和硫化氢的扩散规律相似，只有值的大小 有差别 ，图 2是井喷 6 0 s 后硫化氢和 烷 的体秋分 数分布图，从图中可以看 ，甲烷和硫化氢在大气 中的高浓度区域形状相似 ，甲烷和硫化氢的扩散规 第 4 0卷第6期 欧阳传湘，等高含硫化氢气井井喷后天然气扩散数值模拟 6 1 7 律基本一样 ，从井 口喷出后 由于具有初始速度 ，要 向上扩散 ，在向上扩散时 ，由于风速的作用 ，还要 向下风向扩散。由于硫化氢的危害性比较大，很小 的浓度就会对人体产生危害 ，在井喷 6 0 S 后硫化氢 已经到达离井口水平距离 8 0 0 m的地方，而甲烷的 才到达 6 5 0 m左右的地方 ，硫化氢的影 响高度也要 比甲烷的高度要高 ，以下 的分析也主要 以硫化氢为 主 。 体{ 只 分数标尺 甲 烷 ■■■蕊圈蕊灞蕊豳圈蕊匿噩噩委盈_ 2口 口 忸 疃 D 2 口 口 一 ＼ 0 0 虱 20 0 4 00 60 0 体} 旦 分数 标尺 1 E． 口 S口D 2 0[ 3 4 D口6口D 8 0 1 口 1 2 0 1 4口 1 6 01 8 口 2 0 口40 口 6口 口 8口 0 1 D 0 口 水平距离／ m 图 2甲烷和硫化氢 6 0 s时体 积分数分布 F i g ． 2 M a s s f r a c t i o n o f m e t h a n e a n d h y d r o g e n s u l fid e a f t e r 6 0 S 在 图 3中， 天然气在喷出后形成 了一个小突起 ， 而不是直接向上扩散，形成该现象的原因是井口天 然气的流速比较大形成射流，由于射流自模性的作 用l 7 J ，导致下风向出现涡，地面空气向井 口流动 ， 空中天然气向下流动，而出现上述现象，如图 3 是 井 口附近速度矢量放大图。 ．_篓 ll ≥ 、．’ 、 ．、 、 ，， ， 一， 蓁 天然气井喷 9 S 和 3 0 S 时硫化氢的影响范围如 下 9 S 时硫化氢的扩散范围为水平方 向 2 0 0 m，高 度约 5 0 m， 硫化氢的高浓度区主要集中在距离井口 大约 7 0 m范围内。 3 0 S 时硫化氢的影响范围水平方 向扩散到 3 8 0 m左右， 高度大约在 8 0 m，高浓度区 扩大到距离井 口3 6 0 m处。如图 2 ，6 0 S 时硫化氢 水平方向上已经扩散到距离井口8 0 0 m的范围内， 影响高度已经上升到 1 5 0 m左右。由于天然气 的密 度 比空气的大 ，所以天然气一直有上升的趋势 ，在 6 0 S 时间内硫化氢在水平和高度两个方向的扩散速度 比较均匀，但是影响区域的面积增长速度不断上升。 3 ． 2 风速对扩散的影响 井 口的中心 的坐标为 2 0 0 ． 1 ，0 ，在 坐标 为 6 0 0 ，2的地方设立了一个监视点 ，监视这里硫 化氢的质量分数 的变化 ， 如图 4给出了风速为 3 ， 5 ， 7 m ／ s时监视点硫化氢的质量分数值随时间的变化 值。 时 间／S 图 4 不 同风速 监视点质量分数随时间的变化 Fi g ． 4 Ch a n g e o f ma s s f r a c t i o n a t m o n i t o r p o i n t wi t h d i f f e r e nt wi nd s pe e ds 3 0 S内质量分数的值差别不大 ，3 0 S 之后监视 点质量分数值差别很大，风速为 7 m ／ s 时质量分数 最大，即监视点在风速为 7 m ／ s 时最快达到危险浓 度，硫化氢扩散速度最快。所以风速对天然气井喷 有很大的影响，风速加快了天然气的扩散 ，风速越 大，扩散越快 ，应急反应的时间也就减少 了，一旦 发生事故 ，要密切关注周围风速 的变化。 3 ． 3 井口喷射速度对扩散的影响 图 5 是在风速 5 m ／ s ，井 口流速为 2 0 0 m ／ s ，3 0 0 m ／ s ，4 0 0 m／ s 时 ，在监视点 6 0 0 ，2测得的硫化 氢的质量分数值。 6 OE O3 5 0E O3 4． 0E 0 3 3 ． 0E O 3 2． 0E 0 3 1 ． OE O 3 0 O E O 0 时 问／ S 图 5 监视点 6 0 0 。2 质量分数随时间的变化 F i g ． 5 C h a n g e o f ma s s fra c ti o n a t mo n i t o r p o i n t 6 0 0 ，2 wi t h t i me 图5中喷射速率为 2 0 0 m ／ s 时，在相同的时间 ∞ 吣 ∞ 一 山 ． 一 ＼ 辐 删峰 蟮 释 一 ． 一 ＼ l軎 骊 堰 哑鞋 内监视点的质量分数值最高，因为出口时天然气的 速度小 ，天然气向上扩散的速率小，主要集 中在近 地面，当天然气喷射速率高时，向上扩散速率高， 所以近地面的浓度低。 图 6给 出了监视点 6 0 0 ，8 0 硫化氢质量分 数值随时间的变化图， 因在 7 2 S 之前质量分数值非 常低 ， 所以图 6中只给出了 7 2 S 到 9 0 S 的质量分数 值。 图6 检视点 6 0 0 ，8 0 质量分数随时间的变化 F i g ． 6 C h a n g e o f ma s s f r a c t i o n a t mo n i t o r p o i n t 6 0 0 ，8 0 wi t h t i me 从质量分数的变化来看 ，井 口速度越大 ，检测 点的质量分数值越大。所以天然气的井口喷射速率 主要影响高空中天然气的质量分数。 4 结 论 在发生天然气井喷事故后 ，硫化氢的危害比甲 烷的危害大 ，影响范围大，要密切注意硫化氢质量 分数的监控。风速对天然气的扩散有很大的影响， 风速越大 ，在水平方向上扩散越快。井 口喷射速度 主要影响高空 中天然气质量分数的分布 。 参考文献 ⋯ 1 李伟 ，杨义 ，刘晓娟．我 国天然气消费利用现状和发展趋势_J 1 ． 中外 能源．2 0 1 0 ，1 5 5 8 1 2 ． [2 ]邱奎 ，庞晓虹 ，刘定东．高含硫天然气井喷的扩散范围估计与防范对 策[J 】 l石油天然气学报． 2 0 0 8 ，3 0 2 1 1 4 ～ 1 1 8 ． 3 张华东， 陈新 ， 徐少华．开县特大天然气井喷事件对灾区环境影响评 估l J l -珊代预防医学．2 0 0 7 ，3 4 9 1 7 0 0 ～ 1 7 0 1 ． I 4 l 艾志久， 吴光武， 王其华．基于 C F D的井喷失控爆燃模拟仿真⋯． 南 石油大学学报 自然科学版 ． 2 0 0 9 ，3 1 W 1 8 0 ～ 1 8 3 ． 【 5 1秦政先． 天然气管道泄漏扩散及爆炸数值模拟研究【 D 1 ．西南石油大学 ， 2 o o 7 ． [ 6 】胡夏琦． 含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟【 D l _ 中国石油火学 华东 ，2 0 0 6 『 7 ]f树乾，邱荣先 ，钟月华， 等压力对管道天然气泄漏扩散影响的数 值模拟l J l l四川化l l ． 2 0 0 9 ，1 2 6 3 4 ～ 3 7 ． 上接 第 6 0 9页 说明， 潜山变质岩储集空间和渗流通道的复杂 性 ，决定了兴古 7块各 阶段不同注入倍数下的注水 利用率是比较低的。 根据计算兴古 7 块弹性能量采收率和溶解气驱 采收率分别为 1 ． 9 ％、9 ． 1 ％， 因该区块 目前 尚未见到 地水， 因此兴古 7 块一次采收率为 1 1 ．0 ％。开发实践 表明，注水开发是保持油田高产稳产、提高油田最 终采收率的有效手段，经验公式对水驱采收率预测 结果为 2 3 ． 1 ％， 远远大于一次采收率 ，由此可见 ，兴 古 7潜山油藏天然能量不足 ，必须采取人工注水补 充能量的开发方式。 3 结论及建议 1 储层的渗流条件总体较差， 储集空间类型 主要以构造裂缝和破碎颗粒粒间孔为主，溶蚀成因 的孑 L 、缝及结晶成 因的孔隙不发育 ，具有典型的双 重介质油藏特征。 2 敏感性表现为无速敏， 流速的变化不会使 该区储层岩石中的颗粒产生运移，水敏程度为弱水 敏 ，临界盐度在 2 5 0 0 m g ／ L 。 3 从相对渗透率曲线形态特征。 来看 ，基本 反映出了微裂缝基质系统的相对渗透率曲线形忿特 点，表现在油相下降迅速、 水相上升较为缓慢，交点 相对渗透率值较低 ，油水两相跨度较大的特征。 4 鉴于该块特殊复杂的储层物性 、 原油物性 非均质性较强的特征 ，建议暂不实施全面注水 ，心 先进行小区域范围内的现场注水开发试验 ，再实施 全面注水。 参考文献 [ 1 ]赵敏， 徐同台油 层保护技术【 M J E 京 石f If I 1 业f { 版社，1 9 9 5 2 3 4 1 l 2 l 徐围台，熊友明，等 保护油气层技术【 MIE 京石油 m版} I ， 2 0 0 3 3 2 - 3 5 【 3 】张绍槐．保护储集层技术【 M1 ．北京石油 T 业出版礼，1 9 9 1 2 6 3 0 ． 【 4 l 何更生．油层物理l M 】 ． 北京 石油工业出版辛 } ，1 9 9 4 2 2 6 2 4 5 ． 【 5 】 沈平平． 油层物理实验技术【 M J t 京 石油工业出版社 ，1 9 9 5 【 6 】段勇．特殊岩心分析技术[ M E 京 石油 T 业出版社，1 9 9 2 4 1 4 8 ． 『 7 】袁士 义，等． 裂缝性 油藏开发技术 [ M I ． 北京 石油 川 出版礼 ， ， nn4 1 72-l 76 2 2 2 2 2 0 0 0 0 5 0 0 2 2 5 0 一 山． 一＼ 纂 _軎 师 鹾 鞋