油气田作业生产中，井喷失控属于最严重的灾害事故。因此，对井喷事故进行深入的技术分析，研究井喷后H2S扩散蔓延的规律，然后制定井喷事故的预警措施意义重大[1]。本文采用流体动力学(CFD)的方法[2-6]来计算H2S气体的扩散，用Fluent软件建立能反映实际情况下H2S扩散过程的模型[7-9]，计算井喷后一段时间内风速及天然气喷出速度对H2S扩散的影响，分析事故源周边地区的H2S浓度变化，为油气田风险评估、安全管理、应急措施事故调查等提供量化依据[10-11]。
本文定量安全分析井喷泄漏的气体中H2S体积分数为15%，井喷的方式为竖直向上，扩散气体的温度为288 K。以地面作为几何模型的底边，建立一个长2000 m，高200 m垂直于地面作为含H2S天然气扩散模拟的流场几何模型，井身在这一平面内，井口中心坐标为(100 m，5 m)。采用结构化网格，对井口周围区域加密处理，并对网格进行优化。数值计算模型如图 1所示。
在上述模型中，含硫天然气井口及入风面设为速度入口边界，在这个边界条件下定义井喷后的相关流体的流动速度及其他相关参数，地面设为壁面，由于天然气流动属于粘性流动，此处将壁面设定为无滑移的具有一定粗糙度的壁面边界条件，粗糙度设为5 cm，其它面作为出口边界。
定量分析方案主要考虑风速和井口气体喷出速度两个因素对井喷H2S气体扩散的影响。
(1) 井口喷出气体速度为100 m/s，分别模拟1 m/s、2 m/s、4 m/s、8 m/s 4个风速条件下的井喷后H2S的浓度分布。根据我国相关标准对含硫天然气井井喷失控点火时间的规定，本文主要考虑极限点火时间即井喷后15 min作为时间节点。
(2) 取常年平均风速2 m/s为模拟时的风速值，分别模拟井口喷出气体流速为50 m/s，100 m/s，150 m/s情况下井喷后15min H2S的浓度分布。
井口喷出气体流速为100 m/s时，不同风速条件下定量分析结果如下。
1m/s风速条件下，井喷后15 min H2S的浓度分布情况及近地面H2S浓度如图 2所示。井喷后15 min，由于受井口H2S喷出后垂直向上方向的喷射初始动量的影响，H2S主要在较高的空间向下风向扩散，近地面浓度基本稳定在5×10-3 kg/m3左右。该浓度远大于H2S的安全浓度界限，会给下风向作业人员带来中毒的危险。随着距离的增加，近地面H2S浓度呈现微弱的增大趋势。图 2中地平面在2000 m处产生的突然上升与下降主要是由于模型边界面的影响，H2S沿着模型壁面向下移动而造成的误差所致。
图 3为风速2 m/s时的定量分析结果。井喷后15 min，H2S朝下风向扩散浓度大于7.5×10-3 kg/m3区域在竖直方向高度降低。在近地面的浓度最大值达到1.9×10-2kg/m3，1.5×10-2 kg/m3 ~2.25×10-2kg/m3浓度区最远扩散至约450 m，在扩散前方一定范围内与地面呈类椭圆状区域，后浓度迅速降至较低值。
风速4 m/s时井喷发生后15min H2S的浓度分布与2 m/s风速条件下较为相似，只是浓度大于7.5×10-3 kg/m3区域的竖直高度进一步降低。H2S在近地面的浓度最大值达到2.1×10-2 kg/m3，1.5×10-2 kg/m3 ~2.25×10-2kg/m3浓度区域最远扩散至约1400 m(见图 4)。
8 m/s风速条件定量分析结果见图 5。井喷15 min后，H2S在喷口附近形成的类似椭圆区域进一步缩小，竖直方向扩散高度进一步降低。在近地面的浓度最大值达到1.7×10-2 kg/m3，近地面浓度较小风速条件下有所降低，但扩散距离更远，超过2000 m范围。
综上计算结果表明，天然气井发生井喷后，在井口处H2S的浓度最高，在风流的作用下很快就发生扩散。在喷口初始动量、空气动力及重力的综合作用下，当风速超过2 m/s后H2S扩散会形成一个沿风向偏转下压的类似椭圆的区域，并且下压的程度随风速增大而增大，也即风速越大，H2S扩散至近地面的时间越短，向上扩散的高度越低。在这个区域内，以井口为长轴端点的这些近似椭圆中，最里面的椭圆区域H2S浓度最高，依次向外浓度递减。在一定范围内离井口位置越远的区域H2S的浓度也越小。H2S扩散区域的形状与面积和风速、井口喷出速度及井喷时间有关。
井口喷出速度一定时，H2S在水平方向上的扩散区域随着风速的增大而增大，1.5×10-2 kg/m3~2.25×10-2 kg/m3的较高浓度区则呈现先增加后减小的趋势。分析其产生的原因为：在1 m/s风速条件下，风速对喷出的H2S初始动量方向影响较小，空气动力主要在较高的空间内缓慢改变其运动方向，未能形成与地面相接的类椭圆区域；随着风速的增加，空气动力改变其运动方向的能力增强，使得其能够扩散运动至近地面而形成类椭圆区域；当风速继续增大后，空气的稀释作用占据上风，使得近地面类椭圆区域H2S的浓度降低，也就使该区域范围缩小。风速同时也影响着扩散区域的形状，即H2S的分布形状；风速较小时，扩散较慢，井口附近会出现高浓度H2S聚集现象；而风速较大时，这种积聚现象减弱，但扩散的距离增大。
天然气井发生井喷后H2S扩散浓度分布必然会受到其喷出初速度的影响。因此，计算考虑相同的环境风速条件下(风速为2 m/s)，不同井口喷出速度时的扩散情况。
井口喷出速度为50 m/s时的H2S扩散情况如图 6所示；100 m/s喷出扩散情况如图 3所示；喷出速度为150 m/s模拟结果如图 7所示。
从定量安全分析结果可以看出，在50 m/s的喷出速度下，井喷后15 min形成高浓度的类椭圆形区域，高浓度区扩散至下风向300 m处。随着喷出速度的增加，近地面1.5×10-2 kg/m3~2.25×10-2 kg/m3高浓度类椭圆区域的范围朝着下风向扩大，在这一区域内的浓度值均呈现下降趋势，且下降的速度随着喷出速度的增大而呈现缓和的趋势。H2S在近地面处最高浓度基本相同，均在2.0×10-2 kg/m3左右。当喷出速度增大到一定值时，H2S扩散会出现涡流，产生这种现象是因为H2S气体喷出后在水平方向上始终受到空气动力的作用，其动量方向不断受到空气动力作用而发生改变，同时亦受到空气阻力的影响而逐渐耗散；在喷出速度较小的情况下，初始动量较小，能迅速地被耗散而随着空气动力的影响转化成为水平方向运动；而喷出速度较大时动量耗散时间较长，在水平方向上的空气动力作用下不断改变其运动方向而形成涡流现象。H2S达到一定的喷出速度时扩散至远处地面后还会出现“反弹”的现象(如图 7)。分析其产生的原因为：在较高喷出初速度下H2S初始动量较大，在空气动力作用下其产生的涡流效应而形成的向下方向动量，碰到地面后产生“反弹”，使其运动方向再次发生改变。这种现象使得H2S扩散范围的研究复杂化，会使安全区域的界定带来误差。
本文应用气体扩散计算软件Fluent，采用流体动力学计算方法对高含硫天然气井井喷事故发生后H2S扩散情况进行了定量安全分析，主要得出了以下结论。
(1) 含硫天然气井喷后，在井口处H2S的浓度最高，但很快就发生扩散，其浓度逐渐减小。2 m/s以上的风速可以使H2S扩散形成一个沿风向偏转下压的类似椭圆的区域，并且下压的程度随风速增大而增大，也即风速越大，H2S扩散至近地面的时间越短。
(2) 气体喷出初速度一定时，H2S的扩散区域随着风速的增大而增大；但是近地面较高浓度类似椭圆区域则呈现先增加后减小的趋势。
(3) 当环境风速一定时，H2S的扩散区域随着喷口初速度的增加而增大；在较高的喷出速度条件下，H2S扩散会出现涡流，扩散至远处地面后还会出现“反弹”的现象。
(4) 采用分值定量计算方法得出的结果可为相似条件下油气田井喷事故应急救援预案制定起到指导作用，并可采用此方法进行H2S危害区域风险评估。
2012, Vol. 41 Issue (4): 435-437，441
2012, Vol. 41 Issue (4): 435-437，441