石油与天然气化工  2011, Vol. 40 Issue (1): 87-89, 94
井喷H2S扩散环境风险数值模拟与风洞实验验证
张林霞1 , 王勇2 , 杨琴1 , 唐伟1 , 银小兵1     
1. 中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院;
2. 中国石油川庆钻探地质勘探开发研究院
收稿日期：2010-07-05；修回日期：2010-07-20
作者简介：张林霞：生于1978年，女，汉族，四川省南部县人，工程师。2006年毕业于西南石油大学油气储运专业，获得硕士学位，现工作于中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院.
摘要：川渝地区高含硫气田的开发具有相当大的环境风险和安全风险。本文以位于四川盆地的某气井为例，考虑到环境风险，模拟了地表浓度在10 mg/m3~30 mg/m3的H2S扩散情况，并将风洞实验结果与CFD模拟结果进行了比较。风洞试验结果显示地表浓度在10 mg/m3~30 mg/m3的扩散区域从井口延伸到2 km远，这与CFD模拟结果10 mg/m3硫化氢扩散距离最远达到计算流场2 km范围基本一致。考虑到安全风险，应用CFD模拟H2S扩散地表浓度为150 mg/m3的扩散情况。通过与风洞实验结果的比较表明，CFD能比较准确地模拟发生井喷后H2S扩散过程中浓度的变化，因此可以应用于实际的风险分析和安全评价中。
关键词：井喷    H2S    CFD    ANSYS    SST模型    风洞实验    
The CFD and Wind Tunnel Experiment on Hydrogen Sulfide Diffusion of Well Blowout Environmental Risk
Zhang Linxia1 , Wang Yong2 , Yang Qin1 , et al     
1. The Safety, Environment & Technology Supervision Research Institute;
2. PetroChina Chuanqing Drilling Geological Exploration and Development Institute
Abstract: There are considerable environmental risks and safety risks in the development of high sulfur gas field in Sichuan-Chongqing area. Based on a gas well in Sichuan basin as an example, considering environmental risk, the diffusion of hydrogen sulphide whose surface concentration is between 10mg/m3 ~ 30mg/m3 was simulated. Wind tunnel test results show that the diffusion area of hydrogen sulphide whose surface concentration is between 10mg/m3 ~30mg/m3 extends 2km away from the wellhead, and are basically the same as the CFD simulation results with hydrogen sulphide concentration of 10mg/m3. Considering the safety risk, the CFD diffusion simulation of H2S with 100ppm diffusion surface concentration should be used. Through the comparison with wind tunnel experiments, the results show that CFD simulation can more accurately simulate the H2S diffusion concentration change process happened after a blowout, so it can be used in the actual risk analysis and safety evaluation.
Key words: well blowout    hydrogen sulfide    CFD    ANSYS    SST mode    wind tunnel test    

含H2S天然气是天然气资源的重要组成部分，也是硫磺的重要来源之一。我国天然气中H2S含量大于1%的天然气储量占全国天然气储量的四分之一, 主要分布在四川盆地、鄂尔多斯盆地和渤海湾盆地[1]。H2S是一种剧毒、可燃气体，因其密度比空气大，故容易在低洼地区聚集。含硫天然气勘探开发过程中一旦发生事故，大量含硫天然气泄漏或释放于环境，可能导致井场员工和附近村庄人员H2S中毒，甚至死亡，对环境和人身安全造成极大的危害[2]。

复杂的地形条件使泄漏物质的扩散更加困难。事故一旦发生，泄漏物质就会长时间聚集，增加危险与危害性[3-5]。川渝地区气田的地形为山地结构，地形复杂，且周边人口稠密，与低含硫或不含硫气田相比，川渝地区高含硫气田的开发具有相当大的环境风险和安全风险。因此，本文以位于四川盆地中部偏东的某气井为例，对井喷H2S扩散进行计算流体动力学分析(CFD)。

1 计算流体动力学分析(CFD)

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)方法是在20世纪70年代随着计算机技术以及数值计算方法的发展而发展起来的，它是通过建立各种条件下的基本守恒方程(包括质量、动量、能量及组分等)，结合一些初始和边界条件，加上数值计算理论和方法，从而实现预报真实过程各种场的分布，如流场、温度场、浓度场等，以达到对扩散过程的详细描述[6]。

1.1 CFD求解过程

无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题，无论是稳态问题，还是瞬态问题，其求解过程都可用图 1表示[7]。

图 1     CFD工作流程

如果所求解的问题是瞬态问题，则可将上图的过程理解为一个时间步的计算过程，循环这一过程求解下个时间步的解。

1.2 CFD软件结构

本文选用CFD软件ANSYS对井喷H2S扩散进行模拟，该软件包括三个基本环节:前处理、求解和后处理，与之对应的程序模块常简称前处理器、求解器、后处理器，如图 2所示。

图 2     ANSYS软件构成

由于该井位于四川盆地中部偏东，地属川中丘陵地貌，地形地貌较复杂，考虑到近地面处气体流动的复杂性，H2S扩散受地形影响较大，因此，对模型进行网格划分时，采用数字地面高程模型(DEM)，并对靠近地面的网格划分较密。

1.3 模型理论

CFD可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。四个方程的表达式如下。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程(x方向)：

(2)

能量守恒方程：

(3)

组分守恒方程(组分S)：

(4)

式中：ρ密度；t为时间；u为速度矢量；μ为动力粘度；p为压力；T为温度；k为传热系数；cp为比热容；C为体积浓度；D为扩散系数；S为源项。

通过式(1)~式(4), 结合流体力学基本方程和相应的初始边界条件即可求得气井H2S扩散过程中各场的分布情况。

2 井喷H2S扩散模拟
2.1 模拟条件

某气井位于四川盆地中部偏东，地属于川中丘陵地貌，场地南北均为山地，山顶比较开阔，中央夹两条狭长深沟，界区外东、南、西三侧很低。该地区主导风向为NE，全年平均风速为2.03 m/s。气井天然气组分总体上以甲烷为主，属含H2S、CO2的干气气藏，其中甲烷含量为93%。H2S含量为3%。该井无阻流量为495.7×104 m3/d。

根据工程条件，确定井喷H2S扩散模拟条件，天然气中CH4含量为93%，H2S含量为3%；风向：NE；风速：2 m/s；大气稳定度：F；泄漏点离地面1 m高处，泄漏时间15 min，释放速率为495.7×104 m3/d。

本文计算流体动力学分析(CFD)的井喷模型以井口为中心，方圆2000 m范围内作为流场计算域，高度以不影响场内多组分气体扩散为准，因此取2000 m的高空作为边界远场。图 3为井喷H2S扩散的几何计算域。

图 3     井喷硫化氢扩散几何计算域

风洞实验以该井进行1:2000比例模型的H2S扩散(图 4)。该风洞为直流吸式，实验段长32 m、宽3 m、高2 m~2.5 m，风速在0.5 m/s~20 m/s连续可调。

图 4     置于风洞中的某井1：2000模型

地表测点按离开井口的距离分作6个同心圆，半径分别为200 m、400 m、600 m、1000 m、1500 m、2500 m。对于最内层的圆，测点角度间隔为15°，其余各圆上测点，角度间隔为9°。

3 模拟结果

H2S为强烈的神经性毒物，根据《含硫化氢油气井安全钻井推荐作法》(SY/T5087-2005)规定，阈限值：我国规定几乎所有工作人员长期暴露都不会产生不利影响的最大H2S浓度为15 mg/m3(10ppm)。安全临界浓度：工作人员在露天安全工作8 h可接受的H2S最高浓度为30 mg/m3(20ppm)。危险临界浓度：对工作人员生命和健康产生不可逆转的或延迟性的影响的H2S浓度为150 mg/m3(100ppm)。从环境风险考虑，在相同模拟条件下将H2S地表浓度10 mg/m3的风洞试验结果和CFD模拟结果进行比较。

风洞实验结果显示H2S地表浓度在10 mg/m3~30 mg/m3的区域从井口延伸到2 km远，超过阈限值，能够闻到气味，但不具有强烈的刺激性。相对较高的风速下，井喷时喷出气体更容易被压低其动量抬升高度，而东北风向下，起伏的沟壑正好位于中轴线的边沿，因而气体的烟轴基本没有偏移。风洞实验结果如图 5所示。

图 5     风洞实验硫化氢地表浓度分布

采用CFD模拟H2S扩散地表浓度分布结果见图 6。结果显示，10 mg/m3 H2S扩散距离最远达到了计算流场2 km范围。这与风洞实验10 mg/m3 H2S从井口一直延伸到2 km远基本相符。同时CFD模拟结果还表明，由于受地形的影响，10 mg/m3的H2S从1090 s开始，云团自井口1021 m处随山坡向上抬升并逐渐消失。通过与风洞实验结果的比较分析。CFD能比较准确地模拟发生井喷后H2S扩散过程中浓度的变化，可以应用于实际的风险分析和安全评价中。

图 6     CFD硫化氢地表浓度分布

考虑到井喷H2S扩散对周边人居安全的影响，采用CFD模拟H2S扩散地表浓度为150 mg/m3的扩散情况。结果显示，井喷失控达15 min采取相应的控制措施后，150 mg/m3 H2S浓度的云团扩散最远距离达272 m，所需时间为1060 s。

4 结论

(1) 川渝地区复杂的地形对气流的扩散有影响作用，受山脉的阻挡，气流沿山坡向上抬升，而沿着山脉背风坡下沉，在山谷形成了山谷风。

(2) CFD模拟结果10 mg/m3 H2S扩散距离最远达到了计算流场2 km范围, 这与风洞实验10 mg/m3 H2S从井口延伸到2 km远基本相符。

(3) CFD模拟结果显示, 井喷失控15 min采取相应的控制措施后, 150 mg/m3 H2S浓度的云团扩散最远距离达272 m，所需时间为1060 s。

(4) 通过与风洞实验结果的比较分析, CFD能比较准确地模拟发生井喷后H2S扩散过程中浓度的变化，可以应用于实际的风险分析和安全评价中。

参考文献
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