王志剛 劉大君 駱仕洪

（1．中國石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心2．中國石化西南油氣分公司川東北采氣廠）

川東北高含硫氣田井噴失控下氣體擴(kuò)散濃度研究

王志剛1劉大君1駱仕洪2

（1．中國石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心2．中國石化西南油氣分公司川東北采氣廠）

應(yīng)用高斯煙羽模型計(jì)算在井噴失控條件下天然氣的擴(kuò)散濃度，并通過典型高山地形煙流運(yùn)行軌跡規(guī)律，對(duì)煙羽模型進(jìn)行修正，得出山地井噴流擴(kuò)散模型。選取合適的擴(kuò)散模型各參數(shù)的求取方法，其測算的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場有較好擬合，為高含硫氣田井噴后的救援提供了參考數(shù)據(jù)。圖2表2參10

高斯煙羽模型擴(kuò)散模型擴(kuò)散濃度井噴高山地形

0 引言

川東北地區(qū)蘊(yùn)含著大量天然氣藏，目前已發(fā)現(xiàn)的有普光氣田、元壩氣田及羅家寨氣田、龍崗氣田等，這些大型氣田普遍含有H2S，給氣藏的安全合理開發(fā)帶來很大難度和挑戰(zhàn)，特別是一旦發(fā)生井噴失控等災(zāi)難性事故，天然氣擴(kuò)散到大氣環(huán)境中，H2S的毒性將對(duì)人員產(chǎn)生致命的危害[1]。在鉆井過程中，除了加強(qiáng)施工過程安全監(jiān)管力度外，還應(yīng)該掌握井噴失控后有毒氣體擴(kuò)散致命危險(xiǎn)區(qū)域。氣體擴(kuò)散過程在平原地區(qū)相對(duì)簡單，而在山地區(qū)域較為復(fù)雜[2]。因此，研究川東北地區(qū)井噴失控后天然氣的擴(kuò)散規(guī)律，估測氣體擴(kuò)散分布的危險(xiǎn)區(qū)范圍，從而指導(dǎo)井噴失控事故應(yīng)急情況下現(xiàn)場戒嚴(yán)、人員疏散、火源控制區(qū)域的確定,對(duì)于指導(dǎo)高含硫氣田的勘探開發(fā)具有重要的意義。

1 天然氣擴(kuò)散模型選取及其修正

1.1 天然氣擴(kuò)散模型的選取

井噴失控下天然氣擴(kuò)散屬于自由空間氣體擴(kuò)散。對(duì)于自由空間氣體擴(kuò)散，國外上世紀(jì)70、80年代早有研究，到目前為止提出了不少擴(kuò)散計(jì)算模型[3-5]，其中高斯模型較為成熟，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值能較好吻合，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[6-7]。

高斯模型包括煙羽模型和煙團(tuán)模型，其中煙羽模型適用于連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散，而煙團(tuán)模型適用于瞬間泄漏的擴(kuò)散。在開闊地面，氣體在垂直地面方向擴(kuò)散時(shí)會(huì)碰到大氣層邊界的一個(gè)穩(wěn)定的逆流層，使得氣體被反射回來，這樣氣體就被抑制在地面和逆溫層之間，此種擴(kuò)散稱為封閉型擴(kuò)散。失控井噴流因?yàn)槠洳豢煽刂菩?所以具有連續(xù)性,因此可視為煙羽擴(kuò)散模型，封閉型煙羽擴(kuò)散模型如下[8]：

而在實(shí)際應(yīng)用中，最關(guān)心的是天然氣在地面擴(kuò)散濃度的變化情況，因此，將以上模型簡化，即當(dāng)z＝0時(shí)，地面擴(kuò)散濃度模型簡化為：

1.2 井噴失控下天然氣擴(kuò)散模型修正

川東北地區(qū)具有典型的山地地形特征，因此，必須在封閉煙羽擴(kuò)散模型公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，即在擴(kuò)散參數(shù)σyσz向不穩(wěn)定方向提高一級(jí)。但高斯公式在理論上和物理意義上是煙流中心線，即煙軸與地面平行，沒有考慮到煙流與起伏地面之間高度差的修正。目前國內(nèi)外的一些山區(qū)大氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)雖然已取得了一些數(shù)據(jù)，但遠(yuǎn)沒有掌握其變化規(guī)律，由于每個(gè)山區(qū)都有它自身的地形和微氣象特點(diǎn)，還不能應(yīng)用于一般情況。

利用高斯公式進(jìn)行擴(kuò)散計(jì)算時(shí)，得出的是煙流軸線始終與起伏地面平行的結(jié)果。如果要利用高斯公式得出切合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果，則必須對(duì)煙流軸線與起伏地面間的高度進(jìn)行修正，即在公式中對(duì)泄露源高度乘上修正系數(shù)K'，K'值是一個(gè)與地形的高度、坡度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度有關(guān)的數(shù)據(jù)，本文選取其在文獻(xiàn)［2］中認(rèn)為擬合效果較好的計(jì)算公式：

則修正后的地面濃度擴(kuò)散模型為：

2 井噴失控下天然氣擴(kuò)散濃度計(jì)算方法

2.1 擴(kuò)散參數(shù)及有效源高度估算

氣體擴(kuò)散濃度分布式的應(yīng)用，需要確定式中的擴(kuò)散參數(shù)σxσyσz的值。擴(kuò)散參數(shù)可以由現(xiàn)場測定，通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)確定，或利用經(jīng)驗(yàn)公式和圖表進(jìn)行估算。而作為一種擴(kuò)散參數(shù)估算方法，本文采取的Pasquill～Gifford煙羽擴(kuò)散參數(shù)曲線法是一種使用較多且實(shí)用的方法（圖1、圖2）[9]。

圖1 下風(fēng)距離與水平擴(kuò)散參數(shù)的關(guān)系圖

圖2 下風(fēng)距離與鉛直擴(kuò)散參數(shù)的關(guān)系圖

圖中不同的曲線反映了大氣穩(wěn)定度的影響，利用此圖可以方便地確定出煙羽擴(kuò)散模式的下風(fēng)向距離泄漏源x km處的水平和垂直擴(kuò)散參數(shù)σyσz值。P-G擴(kuò)散曲線法使用的大氣穩(wěn)定度分為6級(jí)，從A至F。A為極不穩(wěn)定，B為不穩(wěn)定，C為弱不穩(wěn)定，D為中性，E為弱穩(wěn)定，F(xiàn)為穩(wěn)定。泄漏擴(kuò)散時(shí)的大氣穩(wěn)定度級(jí)別可根據(jù)當(dāng)時(shí)的地面風(fēng)速、太陽輻射和云量云狀來確定，具體的劃分如表1、表2所示，本文引用了改進(jìn)的P-T方法，使擴(kuò)散參數(shù)的大氣穩(wěn)定度更趨于精確[2]。

表1 太陽輻射等級(jí)

表2 大氣穩(wěn)定度的等級(jí)

擴(kuò)散有效源參數(shù)H主要為排放口的有效高度和煙流抬升高度之和，煙流抬升高度是熱煙流的浮升力和煙氣以一定速度豎直離開排放口的沖力使煙流抬升的一個(gè)附加高度[10]。

由于煙流抬升受諸多因素的相互影響，因此煙流抬升高度?h的計(jì)算尚無統(tǒng)一的理想結(jié)果。本文選取霍蘭德（Holland）公式：

2.2 噴出口速度的測算

井噴失控井筒內(nèi)流道及出口幾何特征可能十分復(fù)雜，現(xiàn)場實(shí)際井筒流道會(huì)出現(xiàn)在井筒內(nèi)無管柱的空井、井筒內(nèi)有管柱但管柱堵塞(如裝有單流閥)、井筒內(nèi)有管柱(未堵)3種情況，本文只討論空井情況下的單一管流模式。周開吉等將井噴失控后井筒內(nèi)視為短管模型[1]。即將噴井井筒視為一噴管，在求出噴井絕對(duì)無阻流量（qsc）后，以該流量計(jì)算噴流壓耗，以噴層能量(地層壓力)與壓耗之差作為短管內(nèi)壓力，并近似認(rèn)為噴流通過“短管“的流動(dòng)為一元等熵流動(dòng)。根據(jù)此短管模型可以計(jì)算出噴出口速度（V0）

2.3 產(chǎn)量參數(shù)獲取

井噴失控前在鉆井、完井過程中，通過地質(zhì)錄井、測井、鉆井液性能及隨鉆監(jiān)測方法可以初步獲得噴層厚度、滲透率、孔隙率、地層壓力等數(shù)據(jù)。在同一區(qū)塊的井還可以通過鄰井試采資料取得相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，井噴失控后可以利用這些數(shù)據(jù)，通過氣井絕對(duì)無阻流量假設(shè)在當(dāng)前地層壓力條件下的二項(xiàng)式方程估算噴流的體積流量。

2.4 實(shí)例計(jì)算

假設(shè)某高含硫氣井位于川東北某山區(qū)，井深5000 m，地層壓力111 MPa，地層溫度150℃，無阻流量402×104m3/d，天然氣比重0.57，氣體偏差系數(shù)z為1.8225，氣體常數(shù)R為8.309 J/mol·K,氣體絕熱常數(shù)1.3.套管直徑193.7 mm。大氣穩(wěn)定度等級(jí)為C級(jí)情況下，離井口500 m處的50 m高山地處的天然氣擴(kuò)散濃度C＝205 mg/m3,按照井筒天然氣中H2S濃度為10%計(jì)算,該處H2S擴(kuò)散濃度為20.5 mg/m3。

3 結(jié)論

（1）引用了井筒短管模型計(jì)算噴口速度方法,可以計(jì)算井口上空的速度、溫度、濃度分布規(guī)律，為井口應(yīng)急救援提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)用高斯煙羽模型，并利用山區(qū)煙流氣象原理對(duì)高斯模型實(shí)施修正，借助P-G擴(kuò)散參數(shù)曲線可以預(yù)測山區(qū)井噴失控后有毒氣體泄露擴(kuò)散濃度分布情況。其預(yù)測結(jié)果可以用于川東北地區(qū)含硫氣井現(xiàn)場處置過程中應(yīng)急人員劃定警戒區(qū)域、火源控制范圍、人員疏散范圍的參考依據(jù)。

符號(hào)說明

qsc—標(biāo)準(zhǔn)狀況下噴層體積流量，m3/d；

K—噴層滲透率，mD；

K0—?dú)怏w絕熱常數(shù)；

h—噴層厚度，m；

T—噴層溫度，℃；

T0—噴口溫度，℃；

Ta—環(huán)境溫度，℃；

Pp—噴層壓力，MPa；

Psc—噴口環(huán)境壓力，MPa；

Z—?dú)怏w偏差因子；

re—噴層供給半徑，m；

rw—井筒半徑，m；

μ—?dú)怏w黏度；

γg—?dú)怏w密度，kg/m3；

β—速度系數(shù)，m－1；

P0—噴出口處壓力，MPa；

x，y，z—下風(fēng)向距離,橫風(fēng)向距離,距地面高度；

C—?dú)怏w或污染物擴(kuò)散濃度（以百分?jǐn)?shù)表示的體積分?jǐn)?shù)）；

σxσyσz—x、y、z方向上的擴(kuò)散系數(shù)；

u—x方向上的風(fēng)流速度，m／s；

H—泄露有效源高度，m；

K'—模型山地修正系數(shù)；

h'（x,y）—x，y處地形高度，m。

1周開吉，劉昕，郭昭學(xué)，等.井噴失控井噴流出口速度預(yù)測方法研究.天然氣工業(yè).2006，26（5）：71-73.

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（修改回稿日期2015-08-08編輯景岷雪）

王志剛，男，1978年出生，工程師；2002年畢業(yè)于西南石油學(xué)院，目前主要從事油氣田應(yīng)急救援方向工作。地址：（618000）四川省德陽市旌陽區(qū)泰山南路一段398號(hào)監(jiān)督中心。電話：18583377813。E-mail：39483965@qq.com