高含硫气井硫化氢泄露扩散模拟和应急处置

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【摘 要】由于H2S的剧毒性，高含硫气井的井控工作一直都是钻井工程风险控制的重点。本文应用CFD软件FLUENT对钻井井喷硫化氢泄漏扩散进行模拟，分别得到在风速为0.5m/s和2m/s情况下硫化氢泄漏扩散范围进行模拟，得出由于硫化氢安全浓度较低，其危险和致死区域分布范围广。由此提出在高含硫气井井喷泄漏时应做到尽快撤离的意见。

【关键词】硫化氢；FLUENT；泄漏扩散；井喷

0 引言

石油天然气是我国现阶段能源体系的重要组成部分，其中天然气是新兴的清洁能源，其产物为二氧化碳和水，因此在近年受到政府的大力支持和人们的喜爱，天然气的需要量逐年增加。在天然气的开采过程中，高含硫气田的风险最大，我国高含硫气田在总探明储量的四分之一，主要是分布在四川盆地。硫化氢的具毒性是高含硫气田的主要风险，硫化氢的危险浓度临界浓度很低，仅为100ppm，因此一旦高含硫发生井喷事故，大量的硫化会随着井内流体，以高压向外喷出，在空气中扩散，能造成非常严重的后果。震惊世界的重庆开县12.23井喷事故造成大量的人员伤亡主要原因就是因为井喷时伴随着大量硫化氢的扩散。高含硫气井井喷硫化氢气体扩散有着混合气体扩散、重气扩散等特点，考虑利用计算流体力学（CFD）的方法，利用FLUENT软件进行模拟，探索其扩散的特点，建立应急处置机制，对减轻事故后果有着重要的作用。

1 CFD数值模拟概述

CFD数值主要是以能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程等基本守恒方程为计算基础，再结合环境因素、工况因素等初始条件和约束条件，连续计算出这些守恒方程来描述所研究的流体的流动特点。计算流体力学方法具有高效、低成本等优点，模拟流体的流动特性可以不受环境的印象，因此广泛的应用在气体的扩散模拟中。

FLUENT软件是目前国内外应用最为广泛、理论最贴近实际的CFD软件。其最大的优势和亮点是其具有独一无二的网格生成技术，这对气体扩散的模拟有着重要的作用，其生成的网格还具备很强的适应性，能做到在一次气体扩散模拟后，对已经生成好的网格进行进一步的细化，从而提高可操作性和准确性，减少对计算机的要求。FLUENT还具备三维模拟的功能，能实现对复杂地形地貌的环境的气体扩散的模拟。

2 数值模拟和结果分析

2.1 井场井喷条件简化

高含硫气井井喷气体扩散相关条件很多，数值运算非常复杂。为了对高含硫气井井喷硫化氢泄漏扩散的模拟，考虑在尽量减小对模拟结果影响前提下，对井场环境条件、工艺条件作出如下假设：

（1）井口横截面积固定，即在气井井喷时，硫化氢的泄漏面积不会随着泄漏时间的变化而变化；

（2）硫化氢泄漏扩散模拟时所涉及的气体均可看作理想气体；

（3）井内气体、扩散出的气体和空气相互间不发生化学反应；

（4）泄漏扩散过程中，泄漏气体与外界无热交换；

（5）井喷发生时，气候环境和井场环境稳定，风速、风向恒定，不受地点、高度的影响。

2.2 硫化氢泄漏扩散守恒方程

计算流体力学硫化氢泄漏扩散数值模拟主要以三大基本守恒方程为基础，其表达形式如下：

（1）质量守恒方程

■+■=s■

（2）动量守恒方程

■+■=-■+■+？籽g■+F■

（3）能量守恒方程

■+■=■？S■-■h■J■+u■（τ■）eff+sh

式中：？籽-密度；u-速度；t-时间；p-静压；τ-应力张量；h-焓；k-有效导热系数。

2.3 区域模型确定

利用FLUENT软件对四川元坝气田某高含硫气井进行现场区域建模，计算区域为以井口为圆点的400m范围内，网格的划分对计算结果影响很大，由于网格划分越均匀就越有利于计算结果的收敛，因此本文采用均匀的网格划分对井场及周边进行几何建模。网格划分越细就越有利于结果的准确的，但是这就增加了计算机的负荷，因此本文划分的网格为

2.4 边界条件和初始条件的设定

通过对元坝气体某高含硫气井现场调研，统计相邻气井的地质资料得出硫化氢含量最高是在长兴组储层其中甲烷体积分数为85.13%，二氧化碳体积分数约为1.09%，硫化氢体积分数为13.78%，在实际模拟中只考虑甲烷和天然气这两种气体进行模拟。该气井钻到设计井深时的地层孔隙压力为73.48MPa，井垂深6680m，斜深7791m。因此可以计算出井喷时流体速度为18m%。

根据气井井喷气体扩散模拟的5个基本假设可以设定泄漏扩散模拟的初始条件：

（1）自由边界的设定：除了流入面以外的其他面，因为环境温度始终保持恒定，因此可以将气体假设为理想气体，即向无穷远处自由扩散的条件下，按自由边界处理，法相速度为0；

（2）井口边界条件：气井井喷时的井口即为泄漏点，由于设定了自由边界，因此将井口设为压力入口；

（3）速度和压力修正：计算工程中可以通过计算结果的收敛性来判断结果的准确性。

2.5 模拟结果和分析

由于元坝地区常年风速为0.5m/s，该风速下硫化氢泄漏扩散进行模拟，分别得出在井喷后600s时的模拟结果，如图1所示。

图1 0.5m/s下600s时的H2S泄漏扩散范围

可以看出在微风情况下，当井喷持续发生，硫化氢会在低洼处聚集，而且在空气中扩散非常缓慢。由于硫化氢致死（下转第121页）（上接第72页）浓度在375mg/m3时就可能导致人员的死亡，图中有亮点的区域均为致死区域。

该地域常年最大风速约为2m/s，该风速下硫化氢泄漏扩散进行模拟，分别得出在井喷后600s时的模拟结果，如图所示（图2）。

图2 2m/s下600s时H2S泄漏扩散范围

从图2可以看出风速的增加有利于硫化氢的扩散，硫化氢在空间扩散的范围更广，只要井喷持续，硫化氢的危害范围甚至分布在空间的上部。通过对这两种风速情况下硫化氢泄漏扩散模拟发现高含硫气井硫化氢泄漏扩散可能造成的风险巨大。

3 高含硫气井井喷应急建议

由于硫化氢安全临界浓度非常低（30mg/m3），在井喷发生很短时间内就可能对周边产生巨大的危害，因此钻井队和相关但对应当更加重视一级井控、二级井控，防止发生井喷。在正常生产过程中应当实施监控井口和泥浆池的硫化氢含量，一旦发现有硫化氢，应当及时报警，并采取措施。井场配备具有多的空气呼吸器等应急物资，一旦发生井喷失控，立即向政府报告，并组织周边居民疏散，井场除抢险人员外，其他员工和相关人员应同生活区有关人员立即组织撤离。抢险人员必须佩带空气呼吸器。建议在日常工作中加强对井队人员和相关方人员进行应急，提高应急撤离速度，组织周边居民进行疏散演练，做到在最短时间内撤离。

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