我国H2S含量大于1%的天然气储量占全国天然气储量的1/4 [1]，许多天然气井位于地形复杂的山地、丘陵地区，一旦发生井喷事故，剧毒的H2S往往会造成严重的人员伤亡和环境污染[2-4]。目前，对有害气体的扩散研究主要是利用半经验半理论模型[5]，Fluent是CFD软件中的典型代表，它是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一，具有功能强、高效、省时等优点[6]。
国内外的一些学者利用Fluent软件对井喷事故中的H2S扩散规律进行了一定的研究，这些研究既包括对已发生的天然气井井喷事故所做的检测性模拟研究，也包括对可能发生的天然气井井喷事故所做的预测性研究，研究都取得了一定的效果。另外，在障碍物对有毒有害气体的扩散影响方面也做了一些研究[7-12]，然而这些研究大都是针对有毒有害气体在一个固定的障碍物模型下的扩散规律进行的研究，缺少不同坡度的障碍物对气体的扩散影响研究。为此，本文利用Fluent软件对井喷事故中H2S在不同坡度的障碍物阻挡下的扩散规律进行了研究。
为了研究井喷事故中H2S气体在障碍物不同坡度下的扩散情况，建立了五个二维模型。五个模型中的坡度分别为20°、30°、40°、50°和60°。五个模型中除了坡度有所区别，其余如井口位置、障碍物宽度、高度、整体模型高度与长度等均相同。障碍物选取高度相对较低的丘陵，由于相对而言在比较平坦的地方高度差达到50 m就可以称为丘陵，因此模型中将其高度设为50 m。图 1为30°坡度的几何模型。其中, 井口位置距离左侧的坐标原点O为30 m、OA相距130 m、AD距离150 m、障碍物高度即AB垂直距离50 m、模型总长度GF为600 m，总高度OG为120 m、AB面与水平夹角为30°。
网格划分时采用四边形的结构化网格，为了达到对比效果，各个模型的边线上的划分节点数相等，且各点之间等间距。为了使生成的网格质量较高，划分时将模型用直线分成若干小模型分别划分，五个模型最终生成的网格数分别为69 905、67 330、66 566、66 120、65 850。
五个模型中井口坐标位置均为(30，0)，井口取9-5/8″套管，即ϕ244.5 mm(壁厚10.36 mm)直径取0.22 m[13]，模拟计算中设置喷射口为速度入口，速度为120 m/s，速度方向竖直向上，左侧边界为风速入口，一般当风速为1 m/s~5 m/s时，有利于泄漏气体扩散，危险区域较大[14]，因此设定风速为3 m/s，方向水平向右。上部边界和右侧边界为压力出口[15]，气压取101.325 kPa。
计算采用耦合非定长的计算方法，设置总的计算时间为3 600 s，且每隔30 s保存一次计算数据。湍流模型选取标准k-e模型。组分影响采用燃烧模型中不发生化学反应的物质输运模型，并设置CH4和H2S的摩尔分数分别为0.923和0.077(质量分数分别为0.85和0.15)。为考虑重力影响，设置中沿Y轴设置重力加速度9.8 m/s2。
井喷持续时间超过15 min以上时，可按连续源泄漏处理[16]。模拟计算中井口均为连续喷射状态，五个模型模拟的总时间均为3 600 s，在此时间下H2S均已达到稳定状态，图 2为3 600 s时H2S在30°坡面下的扩散情况。读取障碍物背风侧H2S浓度值进行对比就可得出H2S在不同坡度的影响下的扩散情况，为此选取直线的范围X轴为280 m~600 m，即障碍物右侧边缘至模型右侧边界范围，Y轴处取值为0，即地面处。将其保存为可读取的数据文件再进行对比处理。经过数据的整理得到了H2S在不同坡度的背风侧的浓度曲线，如图 3所示。在280 m处H2S的摩尔分数在20°~60°坡度范围内分别为0.010 567、0.010 843、0.011 014、0.011 205、0.011 383。从图 3可看出，在距离坐标原点280 m~600 m范围内，随着障碍物坡度的增加，H2S的浓度呈现递增的态势，并且随着距离的增加，H2S的浓度下降趋势明显。
为研究在障碍物迎风侧的H2S浓度，利用和研究障碍物背风侧H2S浓度相似的方法进行数据收集和处理。此时X轴的坐标范围为0 m~130 m，即模型左侧边缘至障碍物左侧边缘的范围。其浓度图如图 4所示。从图 4可以看出，由于风的影响，在0 m~30 m范围内H2S的浓度极低，井口处的浓度会达到很高，而在井口右侧较小距离内浓度又会迅速降低至摩尔分数0.02左右。为了对比不同坡度下井口右侧H2S的浓度大小情况，将图 4进行局部放大，放大的情况如图 5所示。
从图 5可以看出，其图形与图 3很相似，也呈现出随着障碍物坡度的增加，H2S浓度递增的趋势。图 5中在井口右侧附近60°坡的H2S的摩尔分数约为0.019 5，20°坡的H2S摩尔分数约为0.017 5，两者摩尔分数相差为0.002，而图 3中在280 m位置处60°坡的H2S摩尔分数约为0.011 4, 20°坡的H2S浓度约为0.010 6，两者摩尔分数相差0.000 8。对比可以得出，在障碍物迎风侧H2S浓度在不同坡度下的变化程度比背风侧的H2S浓度变化程度大。另外在图 5中还可以看出在井口位置至130 m范围内, 各条曲线的H2S浓度相对稳定，随着距离的增加H2S浓度减弱趋势不明显。
为了研究障碍物坡度对H2S扩散浓度的影响，选取了20°坡和60°坡两个坡度下的H2S扩散的速度矢量图进行对比。为了便于观察和研究，将坡面位置处和坡面较小距离内的图形放大，如图 6所示。其中A区域为20°坡面情况下H2S速度情况，B为60°坡面H2S速度情况。从图 6中可以看出, 在A区域范围内H2S的速度方向有沿水平向上的趋势，而B区域范围内H2S的速度方向基本为水平方向。H2S在绕过坡度较小的障碍物进行扩散时，由于其有上方扩散的趋势，这就导致H2S扩散空间范围较大，降低了在背风侧H2S到达地面的浓度，随着坡度的增大，H2S向上方扩散的趋势逐渐减小，从而使得背风侧地面处的H2S浓度较高。而在障碍物的迎风侧方向，随着障碍物的坡度增大，障碍物对H2S的阻挡效应越明显，H2S扩散时越容易在坡面处发生回流，从而使得H2S的浓度相对较高。
研究表明，在设定的条件和范围内，当连续释放的H2S扩散至稳定状态时，不同坡度的障碍物对H2S的扩散影响不同。随着障碍物坡度的增加，H2S在障碍物的迎风侧和背风侧的地面浓度均有所上升，且迎风侧的变化程度比背风侧的要大。
由于模拟计算中井口位置、风速大小和障碍物的高度等均是固定的，因此当这些参数发生变化时，远离地面的高空位置的H2S的扩散规律是否符合上述结论还值得进一步研究。
2012, Vol. 41 Issue (2): 229-231
2012, Vol. 41 Issue (2): 229-231