石油化工生产要求

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1、安全安全首都经济贸易走学顾士学位论文天然气钻井井场安全距离研完内容提要随着我国工业化 进程的加快，石油和天然气的需求量激增,推动了我同油气开采业的快速发展。特别是20世 纪80年代以来，石油天然气行业实施了油气并重的开发战略,加大了我国天然气开发的力 度。在天然气开发过程中，存在着较大的风险，特别是重庆开县发生的12? 23特大井喷 事故，其惨痛的后果和血的教训给人们敲响了警钟。本沦文研究的天然气钻井井场安全距 离是气田开发安全规划中的1个重要参数，它的合理确定可避免天然气井钻采过程中发生 事故时对周围居民造成的伤亡，研究成果具有一定的理论价值和现实意义。论文首先分析 了天然气钻井井场可能发生

2、的事故类型及事故的破坏程度。然后选择适合的事故后果模型, 对天然气井井喷失控后可能发的蒸气云爆炸及硫化氢扩散的后果进行量化分析，根据安全安全安全距离并采用重庆开县罗家16tt井的现场数据分析计算了该井的安全超压一冲量准则、热剂量准则和硫化氢扩散行为规律，计算出爆炸波、爆炸火球及硫化氢扩 散的危害范围。最后，建立了天然气钻井井场安全距离的计算模型，提出了一种确定安全距离 的方法。论文通过计算给出了不同无阻流量、不同硫化氢体积含量的20种条件下的天然 气钻井井场安全距离，并采用重庆开县罗家16tt井的现场数据分析计算了该井的安全距离。 关键词:油气田开发;含硫气井； 丈 天然气钻井井场全距 离研究

3、 ABSTRACT Withtherapiddevelopmentofthe process ofindustrializationin China,more andmore requirements boutpetroleum andnatural gasareincreasedcontinually which promotes the exploitationindustry of petroleum andnatural gasdeveloping. Especially in the eighties ofthe20thcentury adevelopingstrategy whic

4、hthe petroleumandthenatural gas were regarded asall equal and important sitIlationhas been adopted inthe exploitationindustryof petroleum andnatural gas.and tIlat1eads tomorerapid thenatural gasdevelopment.Therefore.itbringsmany seriousrisksin the process ofnatural gasexploitationindustry.Forexample

5、,12023。1 enolToous blowoutaccidenthadhappened inKai county Chongqingprovince.It causes very seriousconsequenceand brings theenormousfearandgiyeshardlessonto people. Asafedistanceof gas wellsite,whichis investigated inhisdissertation,is an importantparameter inthe safetyprogramming aboutthe exploitat

6、ion of gas field.In Ordertoavoid doing an injury tothelocalresidentswhenagraveaccident happens intheprocess of drillinggasWell.theparameter hastoberationalconfirmed.The resultof study hastheworthandrealistic meaning ofcertaintheories. Inthebeginning ofthedissertation analyzed accidents type andthe b

7、reakage degreeoft11e accidentsthat may take places inthe process of driDing natural gas Well 袖 enchoosetheaptaccidentresultmodel.tocalculatethenatural gastidy spray tolosecontrolbehindtheresultoft11e vapor cloud explosion and hydrogen sulphidediflusionthat may take place carriesonthe quantity toturn

8、the analysis, according to superpress thesandard,hotquantitythestandardand hydrogen sulfidesdiffusionbellaviourregulation,computing art explosion waveand exploding thebane SCope ofthefireballand hydrogensulphide diflusion.At last.builtingup thecalculafionroodelofasafedistanceofthenatural gas wellsit

9、e,andputingforwardakindofmethodthatconfirmsthesafedistance.volume percentagecontent andadopts thespotdataofthe Luojia of ChongqingProvinceto analysisLuojia16DWell.ofthewetland computesKeywords:dvelopoiland安全Thedissertationconfirms20kindsofonditiOIlSofthewellsite safety distance ofthenatural gas Well

10、site bycalculatingaccording to thedifferent open flow quantity underthe grade andthedifferent hydrogensulphidephysical 16DWellofKai County thesafedistanceofthe gasreserves,sourgaswell,safedistance,drilling well site 3 袁同学首都经济贸易大学硕士学位论 文天然气钻井井场安全距离研究独创性声明本人郑重声明:今所呈交的天然气钻井井场 安全距离研究论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及

11、取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外 ,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成 果,也不包含为获得首都经济贸易大 学或其它教学机构的学位或证书而使用过的材料。 作 者签名 日期: 刀以一年 j-月玎目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解首都经济贸易大 学有关保留、使用学位论文的规 定,即:学校有权保留交送论文的复印件,允许论文被查阅和 借阅; 学校可以公布论文的全部 部分内容,可以采用影印、缩印或其他 的复制手段保存 论文。懒名:婵孙虢弛飙丛年且蜀 蓦逢肆日期:!年!月兰目、d、堙辈日期:二二年二月兰 目袁同学首都经济贸易大学硕士擘住论文天然气钻井井场距离研究一

12、、引言天然气钻井井场距离研究第一章概述在工业生产中，为了保障人民生命和财产，在生产设施与周围居民区 之间必须傈持一定的距离,以便在发生事故时，该距离可以作为周围居民 在启动应急行动之前的一个缓冲距离,这个距离就是距离。在石油天然气行业中距离指钻井或生产井、输气管道或产油气的站、厂等能源设旌与居民区、村J芭、公共设施之间应保持的最小距离。在标准建筑设计防火规范（GBJ16-87:2001年）、石油库设 计规范（GBJ74-84:1995年）、石油化工 业设计防火规范（GB50160_92:1999年）中提 出了有关石油化工企业的防火间距。防火间距是为了防止一个建（构）筑物发生的灾害蔓延 至周围设

13、施，避免因烤热而爆炸着火的次生灾害,并有利 于消防工作的展开而要求在建（构） 筑物之间留有的距离。可见防火间距侧重f保护设备，防止次生灾害，而不是从考虑生产 活动对周围居民和公共设施等的影响，及发生事故时确保居民的生命的角度出发而制定的,它的作用不同于 距离，其计算方法和取值方法也不同于 距离。目前我国在石 油天然气行业的 距离方面还没有出台国家强制性标准，而是在7个行业推荐性标准中对 井1:3距民房的 距离提出3种不同的距离，使标准在执行中受到阻碍，在井场设计中难以 合理采用。-直以来我国对天然气钻井井场 距离的研究 视不够，天然气井场没有合 理的 规划，导致天然气井发生井喷事故时往往造成严

14、重后果,给周围居民带来了巨大的 恐慌。2003年12月23日，位于重庆市开县高桥镇,川东北矿罗家16D井发生特大井喷失控 事故，造成243人死亡，2142人入院治疗、 65000 人被紧急疏散安置，直接经济损失9262.71万 元。生产过程潜藏的巨大能量失控带给人们的灾难-大量的人员伤亡、巨大的财产损失、 严重的社会恐慌和 沉重的心理压力,使我们不得不思考如何进行科学的油气田 规划和生产监管问题。”12.23”特大井喷”事故的发生是突然的,但不是偶然的。在近1O年 的 统计中，从1992年华北油田赵48井井喷”（6人死亡,24人中毒），到 最近的”12-23”特大井喷事故，在国内江汉、新疆、胜

15、利、北、四川等油气田均有钻井过程中D2S气体溢出导致中毒死亡事故发生的情况。因此，对天然气的钻井和生产井井场距离的研究是十分有必距离研究综合、复杂的学术问题。目前 距离，但朱明确说明制 |距离虽已统一，但并没有 距离，而且没有相关文献说明计算井场要的。井场距离是油气田开发过程中的一个重要参数，它的合理制定是一个袁同学首都经济贸易太学硕士学位论文天然气钻井井场困外一些石油天然气工业发达的国家制定了天然气钻井井场的 定的方法和依据。我国石油天然气行业的推荐标准中有关井场.根据天然气中硫化氢含 量的不同给出不同的的角度,提出了基于天然气井井喷一定时间内可能导致火灾、爆|距离数学模型，给出了模型、目的

16、和意义（一）、研究背景重庆距离的方法。本论文从分析天然气井场可能发生的事故类型及其危害程度八手,从确保 井场周围居民炸D2s扩散中毒的人员伤害范围的天然气钻井井场的的觯算方法,并计算了典型油气井的井场距离。开县”12? 23特大井喷失控事故造成了严重人身伤亡，其重要原因之1就是开县罗家16D井 的距离不能满足井喷事故发生时人员 撤离的要求。罗家16D井为高压、高含硫气井,当井喷发生时，由于气象条件和16D井的地形条件都不利于气体扩散，因此事故发生后大 量硫化氢在井场周围积聚， 高浓度的硫化氢气体使井场周围的居民中毒，造成了大量居民伤 亡。沉痛教训 使人们认识到了含硫油气井钻探过程和生产过程对井

17、场周围居民的危险性 ，安全安全安全提出了在油气田开发过程中的安全规划、安全监督审批、日常安全生产监督管理，以及戍 急管理、应急救援等问题。为了避此类恶性事故的再次发生，必须加强对高风险油气发安全安全安全安全安全距离。天然气钻井场安全安全田的监督管理，于是提出了高风险油气田开发安全生产监管机制研究的研究项目。本 论 文的研究内容作为该项目研究的一部分,将研究不同天然气井条件下井场安全距离的计算 模型和计算方法。(二)、研究的目的和意义我国是一个油气开采条件复杂的国家，且天然气 气藏一般具有较高的压力,特别是一些深层天然气气藏，常常形成某些高压和超高压层段。四 川盆地气田的川西北和川东南存在着两个

18、高压异常区,压力系数高达2.2以上，中原油田文 东，沙三中气藏压力系数在1.6以上。由于气藏的压力系数很高，液柱 压力一旦与之失去平衡, 则其释放速度非常迅猛，将会造成强烈井喷，天然气又是种易燃、易爆性气体，与空气混合在 爆炸极限范围内，若遇明火会引起爆炸14】。特别是我国已经发现的江汉、新疆、胜利、华 北、四川等油气区均含有很高浓度的D2S,D2S气体不仅对设备具有严重的腐蚀性，而且对 人和牲畜会造成毒害作用，当浓度超过150mg/m3时,人类的嗅觉器官因受到伤害而失去嗅 觉功能，接触浓度达到1000mg/m3时，即会发生”闪电型”死亡。所以一旦这些含硫气井发生 井喷,D2s气体的浓度往往会

19、导致人重伤甚至死亡。加之我袁同学首都经济贸易大学硕士 学位论文天然气钻井井场安全距离研究国人口众多，因此，存在着油气井的合理布局与农业 生产、人民生产和生活的矛盾。本论文研究的主要同的是量化天然气井发生的井喷事故的 危险程度，探讨天然气钻井井场安全g巨离的计算方法,建立计算安全 不同天然气井开采条件下钻井井场与周围居民区之间的 距离是气田开发的安全规划中一个重要参数,它的合理确定可避免天然气井开采过程中发 生井喷事故时造成重大人身伤亡。通过本沦文的研究，将为气田开发的安全规划和天然气井 井场的合理布局提供理论基础祁有价值的参考数据。三、研究现状(一)、国外研究现状国 外在早期天然气的开采过程中

20、,由于缺乏经验，对事故的统计数据不足，没有对天然气钻井井 场与周围居民及其他公若设施之间的距离给予明确严格的规定。直到19世纪50年代，石油 工业开始在加拿大阿尔伯达的PrincherCreek油气田和JumpingPound油气田、美国阿肯色州 的McKamie-Patton油气翻以及 法国的LacqSuperiettt油田开展勘探开发工作,这些油气田都 含有大量的D2S气体。从那时起含硫气体(SourGa)开始被看做是一种重大的安全隐患,天然气开采业也慢慢认识到了 D2s气体的扩散将对公众和牲畜造成严重的影响。尤其是 当美国西得克萨斯州由于D2S气体导致人员伤亡事故后，得克萨斯州铁路委员会

21、(RailroadCommissionofTexas)要求所有的油气公司严格遵守1976年3月15日生效的RCT36 号规范嗽 ule3 髓 OiGas orGeothermalResource operation 伽 DydrogenSulfideAreas。该规范 中明确规定:浓度为100ppm(x10 _6)D2s气体的爆炸半径超过50mile，除了公路以外不应含任 何公共区;浓度为500 ppm(x10_6)D2S气体的爆炸半径比50mile大得多，该范围内不能含任 何公共区；浓度为1000ppmx10-6)D2S气体的爆炸半径超过3000mile。可见，对天然气钻安全钻进的推荐做法标

22、准fADRP49安全井井场安全距离研究，是从对含D2s气体爆炸危害的认识开始的。美国石油组织(API)于1987 年4月15日颁布了含硫井安全RecommendedPracticeforDrilling andWell Servicing op? erationsInvolvingDydrogenSu 珩 d 司, 在这个标准中提供了含硫油气井在钻井和开采之前进行安全设计和制定应急预案的指南 【5】。在美国密歇根州,石油公司在实施勘探和开采气井之前，必须基于对油气井中岩石组成 的分析，来判断该井出现硫化氢气体的可能性，并保证油气井距离公众居所或者公共场所的 距离不能少于300ft.;在已开采的

23、油气井边上必建有警示牌;每年须组织居民举行防安全硫化氢的演习。由于美国对天然气井的钻井和开采的安全距离有了严格的规范，并能依法执 行，从1976年到1996年，尽管美国发生了 208起硫化氢泄漏事故，却没有造成一人死亡。袁 同学首都经济贸易大学硕士学位论文天然气钻井井场安全距离研究加拿大阿尔伯达省是 世界第三大天然气产地，同时还是仪次于俄罗斯的第 二大出口商，当地所产的天然气约有1/3为高含硫气。1982年在阿尔伯达省的Lodgepole的一个小城附近发生广一起重大的高 含硫气田井喷事故井喷以很高的泄漏速度持续了 67天,对当地的居民健康和牲畜产生了严重的影响，曲名从得克萨斯州请去的井控专家死

24、亡。在这次重大的井喷事故发生后，阿尔伯达 能源保护局（AERcB）认为当时的规程已经不足以规范天然气采业的安全生 产了，因此聚集了天然气行业的各相关方讨论如何进行重大的技术改进。1987年6月颁布了一个过渡 性指令，强调并涉及了含硫井的注册、开采和钻探的具体条件，其中对天然气井的安全距离有 了初步的规定。后于1995年由能源保护局（AERCB）和公共设旌局（PUB）合并成为能源与公 共设施局（EUB）,EUB于2003年6月颁布了 56号指南能源开发申清程序，其中明确提出 了按照D2s释放速度分级的各级天然气钻井井场的安全距离（如表1 一 1）ItO1。在EUB的 指南释义中，说明r为何要按D

25、2S释放速度不同制定不同的安全距离，主要由于D2S对居民 的危害程度不同，对于不同功能区制定不同的安全距离主要是 由于不同的人口密度，导致不 同的疏教条件。因此可以说该标准对安全距离的制定考虑因素还是较全面的,很值得借鉴。表1-1 EUB56号指南中钻井井场安全距离的规定10等级D2S释放速度（m） 距离规定距最近的居民区和商业区100m:没有一级0-3其他距离限制。距最近的居民 区和商业区100m:距最二级O_32近的公共设施（公共礼堂，学校，医院等）500m;没有离市 中心距离的限制。距最近的居民区和商业区100m;距最三级26近的公共设旌（公共礼堂, 学校，医院（易出问题的井）等）500

26、m;距最近的市中心1500m。四级EUB将根据特殊情况 在三级井的基础6易出问题的井）上提出附加距离条件。（二）国内研究现状 我国石油天 然气行业的安全生产一直采用国家监督、行业自律、企业负责的管理模式，该行业有关设计、 技术和设备的规范要求,基本是过行业推荐 性的标准形式颁布的，我国始终没有颁布有关天然气钻井井场安全距离的国家强制性标准，因此，天然气钻井开采业对井场 没有给予充分的重视。4袁同学首都经济贸易大学硕士学位论文天然气钻井井场 离研咒而且,要使天然气钻井井场 场序等予以强制执行。我国的石油天然气行业的推荐性柄：准中，有7个标准涉及了井口与居民 区及铁路等设施的安全距离，见表1 一

27、2。表1 一 2石油行业推荐性标准中有关井口安全距 离的内容标准号 标准名称 涉及安全距离的条款SY门、5272-91常规钻井安全技术规 程3.2.4b井口距居民住宅4:小于100m。3.1.5井距民房100m以外,井场边SY门j466 一 1997钻前工程技术条件缘距铁路、高压线及其他永久性设施不得小于50m。 5.1.3高压油气井，井口距民房150m以外;井场边缘距铁路、高压输电线路、地下电缆及其 他永久性设施不得SY厂r5958.94并场布置原则和技术要求小于100m。5.1.4含硫 油气田的井,井口距民房的距离应以使其不受硫化氯扩散影响为准则。SY厂r6426.1999 钻井井控技术规

28、程3.9a）井口距民房500m以上。石油与天然气钻井、开发、储运3 2.1 井口距民房100m以外SY5225.1994防火防爆安全生产管理规定3.1.6,1井口应距民房 1oom以外;SY5876.93石油钻井队安全生产检查规定3.1.6.2井场边缘距铁路高压线及其 他永久性设施不小于40m。SY厂r6586.2003石油钻机现场安装及检验5.5c） 井口应距民房500m以外由表1-2可以看出,7个标准中对井口距民房的安全距离要求出现 了 3个 不同的距离。在石油行业制定标准时，在相同条件下没有考虑到各标准之间的统一 往,使其在规划设计中执行困难。要使井场安全距离在井场安全规划中具有可操作性

29、,并考虑 居民安全和生产经济性的需要，应根据天然气井的地质、开采条件对其发生井喷的危险性进 行分级，建立不同级别下井场安全距离的计算方法。5袁同学首都经济贸易大学硕士学住 论文天然气钻井井场安全距离研究2004年3月全国石油钻采发备和工具标准委员会与石 油安全专业标准化技 术委员会讨论清理和修改了以上标准中的井口安全距离，统一修改为: 油气井 井距铁路、高速公路不少于200m;距学校、医院和大型油库等人口密集性场所安全安全安全安全距离安全安全距距离的规定在生产中贯彻落实,首先应建立科学的井 距离计算模型和计算方法，制定相应的强制性安全标准,并通过安全|规划、安全审批程安全安全安全安全安全安全生

30、产检查规定06圖场边缘距铁路安全安全安全不小于500m:距高压线及其它永久性设施不小于75m。在钻井作业期恻，应 撤离距油气井井口 100m范围内的居民;对含硫油气井（硫化氢浓度大于等于20mg/m3）、高鹾油气井和区域 探井，在钻开油气层前2天到完井期间，应撤 离距油气井井口 500m范围内的居民。此条规定 是一般性、通行性的技术条件，对特殊情况,应进行风险评估,并采取或增加相应的保障措施，然后 调整技术条件。随后颁布了钻前一日里及井场布置技术要求（sY厂r5466-2004）,该标准是对井场布置原则和技术要求（SY/T5958-1994）和钻前J:程技术条 件（sY,r5466.1997）

31、修订后的整合。新的井口距离的规定按照不的功能区确定了不同的距离值，也对含硫油气井（D2S浓度一 20mg/m3）做了统的规定,但并没有根据硫化氢含量的不同设定井场距离。四、主要研究内容和技术路线（一）、主要内容 论文研究的主要内容有:（1）天然气井钻井过程中的事故因素分析;（2）井喷后可能发生的事故及 量化事故破坏程度的理论基础（3）计算距离的模型和方法;（4）重庆开县罗家16D井距离的计算分析。（二），技术路线本论文首先对天然气井钻井事故中最严重的、波及范围最 广的井喷事故进 行了分析，调研了井喷失控后可能发生的火灾、爆炸及硫化氢扩散中毒等事 故 伤害范围的理论计算方法和实验数据资料，综述了

32、蒸气云爆炸的爆炸波效应模 型、爆炸 火球的效应模型及毒气扩散的浓度分布模型。在此基础上，选取了合 适的火灾、 炸及硫 化氢扩散的伤害范围计算模型，选择井场周围居民的伤害程度指标，计算出死亡、重伤和轻伤 半径,从而给出发生井喷事故时的伤害范围。然后，建立天然气钻井井场 距离的计算模型, 确定不同等级的天然气钻井井场的 距离。最后，采用重庆开县罗家16D井的现场真实数 据资料，分析计算了罗家t6D并发生井喷时的伤害范围，通过对居民分布情况和伤害范围的分析，说明了罗家16D井井喷事故的危险性。本论文研究的技术路线如图l 一 1所示。6袁 同学首都经济贸易犬学硕士学桩论文天然气钻井井场 距离研究圈1-

33、1技术路线图 袁同学首都经济贸易大学硕士学位论文天然气钻井井场 距离研究第二章天然气钻井 井场 距离的理论基础事故因素分析影响 距离的因素有很多:天然气埋藏深度、天 然气埋藏地层压力、天t田气藏的地质和储层、天然气田地貌、天然气田水系、天然 气中有毒有害成分的含量、开采方式、钻采工艺、钻具质量、钻井液性能、井控措施等都 可 能影响 距离的大小。考虑影响 距离的因素，可以发现,这些因素本质卜是影响了 可能发生的事故类型、事故发生的几率及事故的破坏程度等事故因素。确定天然气钻井井 场 距离的意义在于有效的避免钻井事故对周围居民造成伤害，通过分析诸多因素，并受 大量资料内容的启示，本论文在确定安仝距

34、离时主要分析钻井过程中可能发生的事故类型, 并考虑如何量化事故的破坏 程度。 （一）、可能发生的事故类型 钻井是一个隐蔽工程，工作 对象是地层，虽然在钻井之前已初步进行地质 研究和地球物理勘探，初步取得了一些地层资 料，但缺乏钻井设计与施工必须 掌握的各地层的确切资料数据，往往使钻井的设计与施工陷 入极大的盲目性， 同时因为钻具在井内工作情况难于了解，而且寻找的油气层常常伴随异常 压力， 钻井使用的成套机械设备高大复杂，钻井又属于群体施工，需要多工种、多: 序联合作 业，可见钻井作业中存在着许多危险因素。表 2-1 是对钻井作业中的 主要危害和影响分析 剐。 据资料统计，每年钻井作业中的伤亡人

35、数占石油天然气作业总伤亡人数的 20%以上，有 的年份高达40%。其中卡钻、钻具断落等钻井工程事故时常发生，但这类钻井事故并不造成 人身伤亡,主要是对生产造成不良影响，在研究距离的过程中，此类工程事故可以不作考 虑。如表2-1可见钻井过程中常易发生的伤亡事故包括物体打击、高处落物、机械伤害、 触电、井喷后的火灾、爆 炸和中毒事故等。 在石油天然气工业生产中，凡是发生几率较高， 同 比较难于控制和扑救， 而且损失大、后果严重的事故，可称为常见的重大事故。它们主 要包括3大类 其中第一类就是井喷失控后引发的火灾和（或）爆炸事故【l。由表2-1也可看 出在起钻、固井作业和测井作业时都有可能发生井喷事

36、故。根据石油系统统计， 1978 年至 1988年十年间就有133口井发生过井喷失控事故，分析我国玉门、 四川、大庆、中原等油气田发生的一些井喷失控事故,这些事故大多是由于: 在钻入高压油、气层时,施工设计不准确, 泥浆性能不好;操作技术不当,起 钻抽吸;机械故障;未安装防喷器或防喷器不符合要求 ;没有 及时发现溢流或 井下发生严重漏失等原因造成的.。 袁同学 首都经济贸易大学硕学位 论丈天然气钻井井场安仝距离研究表2-1对钻井作业中的主要危害和影响分析作业项目 主要危害主要影响建井场物体打击、机械伤害、火工品危害人身及财产钻进卡钻、钻具断落、钻井设备产生噪声生产秩序、人和动物的生活起钻钻、钻

37、具断落、 井喷(潜在)生产秩序、人身及财产下钻卡钻、钻具断落、井漏(潜在)生产秩序、污染地下水源井口操作高处落物、机械伤害、触电人身 调配钻井液腐蚀刺激皮肤、 粉尘、毒性人体健康固井作业水泥失重诱发井喷人身及财产测井作业放射源泄漏(潜在)、井壁坍塌人体健康、生产秩序试井作业井喷天然气溢出、火灾、爆炸、人身及 财产安伞设备维护、保养高处落物、机械伤害、触电、毒气人身健康据资料分析, 与距离有关的天然气钻井灾害事故主要是指井喷失控后发生的火灾、爆炸及含硫气井的硫化氢毒气扩散事故。井喷失控导致大量的天然气喷出后可能发生下面五种情况：(1)天 然气在没有着火之前就消散掉,不形成爆炸危险性: (2)天然

38、气从井口以高速喷射、摩擦或静电 点火。在这种情况下,一般 只引起着火(喷射火)而不爆炸; (3)天然气扩散到广阔的区域,经过 一段延滞时间后,可燃气云被点燃, 接着发生.场大火灾; (4)事件的顺序按上述(3)所列的情 况发生外,在气云燃烧之后,火焰 通过蒸气云传播而被加速,使爆燃向爆轰转变,产生爆炸冲击 波和爆炸火球。 (5)天然气中如含有的硫化氢气体向外场扩散,对人和牲畜产生毒害作 用。 而且由于井场周围点火源较多,井喷失控后,喷出的天然气与空气混合, 散布在井场周围遇到 明火和电火花可能性较大,引起火灾或爆炸几率也很高。 引起火灾和爆炸的主要原因有： (1) 由井场运转的内燃机引起。 发

39、生井喷失控,井场的内燃机未能立即停车,排管内必然有温度较高的 9 袁同学 首都经济贸易夫学硕士学住论丈 天然气钻井井场蛋全距离研完 废气 排到空中,有时排气管中存有一定数量的积炭呈火花状态从排气管中排出, 发生井喷失控时, 天然气遇到火花、高温气体或灼热的物体,都极易引起燃烧, 导致井喷失控火灾或爆炸。 (2) 因铁制工具相互撞击产生火花,或井内喷出的碎石、钻具碰到井架上 产生火花都将引起火灾 或爆炸。 (3)由并场照明系统产生电火花而引起,发生井喷时如果井架上、钻台上 电灯未及 时关闭,灯泡被震破,或因井下喷出的钻具、泥沙碎石的碰撞,使喷 出的天然气与灯泡中的钨 丝接触而引起火灾或爆炸。另外

40、,在井喷失控时电开 关产生火花或短路打火也能引起火灾或 爆炸。 (4)井喷失控时在井场附近使用明火、吸烟、电、气焊,以及使用砂轮、 或机动车辆 未带防火罩，外冬季采用明火取暖或因锅炉烟筒距井口太近等都能引起火灾或爆炸4J。我国天然气井中含硫气井较多,一旦发生井喷失控,喷出的含硫天然气就 会对周围居民和牲 畜产生毒害，尤其是在地势低洼、气象条件不佳，毒气无法向高空迅速扩散的情况下,发生硫 化氢中毒事故的可能性较大。(二)、事故的破坏程度研究距离首先要确定事故发生后对周围居民和公共设施等能产生多大的影响，在钻井过程中常易发生的伤亡事故中,物体打 击、高处落物、机械伤 害及触电事故发生的几率较高，但

41、这些事故发生时影响的范围较小， 受影响的 人员主要为井场作业人员而且被伤害人数较少。 而发生井喷失控事故，其危害和 影响很大，主要包括以下几方面： (1)打乱正常的工作秩序，影响全局生产; (23使钻井事故复杂 化，处理难度增加；(3)井喷失控极引起火灾、爆炸及毒物扩散，危及井场人员及周围居民的生命 ；(4)喷出的油、气、水及有害物质(如硫化氢)会造成严重的环境污染：(5)伤害油 气层,破坏地下油气资源；(6)井喷着火,造成机毁人亡和油气井报废，带来巨大的经济损失；(7) 涉及面广,在国际、国内造成不良的社会影响【1 81。如上所述井喷失控后对周围居民产生 生命危害的典型灾害形式有：喷射燃 烧

42、、蒸气云爆炸及硫化氢毒气扩散，其具体危害包括冲击 波、碎片、热辐射和 毒性对人体的影响。以下是国内外对这些事故破坏程度的研究情况。喷 射燃烧(JetFire)方面,Cow1ey等人对喷射火焰的热冲击效应进行了试验。试验采用天然气和两相丙烷的喷射火焰,获取了水平释放的喷射火焰规律, 并发现不同物质无论在火焰形状、浮 升特性、辐射特性等方面都有很大的不同。试验还得到一些相关的数据.Johnson等采用 CFX的两个子模块CFX- FL0W3D和CFX-RADIATION进行补充后，对紊流高压喷射火焰进 行数值模拟。模拟用于预测丙烷喷射火焰的形状、火焰路径、火焰离地位置、火焰温度、10 袁同学首都经

43、济贸易大学硕士学位论文天然气钻井井场距离研究烟的形成及对外热辐射等，结果与试验吻合较好oBaillie等通过物理分析得出一套完整的计算模型:该模型用于 计算高压天然气喷射火焰对圆筒状容器形成 的辐射和对流热负荷。模型首先预测出平均温 度、气体成分和烟气浓度等参数， 然后采用离散传递模型和一个单一的灰一白气体辐射模 型计算热辐射流。对物体的对流热负荷是通过Nu/Re关系确定的，其中的定性平均速度、 温度及 其它流动热物均由模型得到。并将计算结果同一些试验结果进行了对比。Wen等对通风条件可以控制的情况下，指定喷射火焰的影响范围作了预测:他们将 层状火焰模型 及CE火焰模型与Lindstedt的烟

44、气模型相结合(法-),将EBU火焰模型与Magnussen的烟气 模型相结合(法二)，用DTRM辐射模型来计算整体热辐射交换，用RUN-IDL计算层状模型中 的微小热辐射交换,分别对 在135m3和415m3封闭体积内的丙烷喷射火焰进行了模拟预测, 发现这两种方法对场内分布参数(v、T、CO以及烟气等)预测值和试验比较吻合,其中，在层 状模型中对温度分布的预测和试验值吻合的非常好。蒸气云爆炸(UnconfinedVapour Cloud Explosion)方面:在这方面欧洲国家作丁，很多研究工作,进行了论分析、试验和数值模拟，目前应用较广的有Munday提出的TNT模型,设想把气云爆炸的破坏

45、作用转化成TNT爆 炸的破 坏作用，从而把气云当量转化成盯量。以及Van、den、Berg等提出了 TNO多能模型 以半球形气云为模型，假设中心点火，火焰以恒定速度传播，从而获 得数值方法计算不同燃烧 速度一 F的气云爆炸强度。针对n汀模型,Van、den、Berg对23起事故的120余个点进行 了统计分析，认为气云爆炸和TNT爆炸有着本质的区别,n盯模型适用于很强的气云爆炸，且 用于描述远场时偏差较小。蒸气云爆燃形成的火球，产生强烈的热辐射，对周围人员和设备设 施可能造成伤害和破坏。国内外关于火球有许多模型,如世界银行国际信托公司的工业污 染 所用的moorhowse-Pritchard.R

46、oerts模型,美国的Gayle-Digh模 型、日本长谷川模式、美国Fay模型等等。有毒物质在大气中的扩散情况的研究较多。气体扩散形成原始气 团时有两种扩散形式:喷射扩散和绝热扩散。气体泄漏后，经过原始气团释放过程，形成易燃 易爆有毒气体一空气混合气云。混合气云在大气中的扩散，根据混合气 体的密度等差异，可分 为三种扩散模式:稠密气团(重气)扩散、中等密度气团扩散和羽状烟流扩散等。国内关于危 险气体在大气中的扩散研究报道较晚。国外在这方面的研究工作始于七、八十年代直到现 在该领域的研究还比较活跃。在此期间,提出了不少扩散的计算模型，同时也进行了许多大规 模试验。主要的数值扩散模型有高斯模型(

47、Gaussianplume/puff model),BM(BritterandMcQuaid 模型、Sutton 模型、FEW(3 一 D FiniteElementModel)等等。高斯模 型适用于 点源的扩散，早在五、六十年代就己经被应用。它从统计方法入手， 考察扩散介质的浓度分 布,。适用于中等密度气团扩散的模拟。Plumemodel(烟羽模型)适用于连续源的扩散,PlI圩 model(烟团模型)适用于短时问泄漏的扩散(即泄放时间相对于扩散时间比较短的情形，如突 发性泄漏等)。袁同学首都经济贸易大学硕士学位论丈天然气钻井井场距离研究20世纪70年代以来，复杂地形F的大气扩散问题逐渐的被广

48、泛研究。如美国能源部主持的复 杂地形的大气扩散研究计划(ASCOT),研究J,复杂地形上大气输送和扩散的基本物理过程及 空气质量的技术和方法(Dickerson, 1983);美国环保主持的复杂模式发展计划(CTMO)研究了高架源排出污染物在复杂地形上的输送、扩散和形成的空气污染问题 (Leveryatal,1983),以及美国电力研究所主持的烟流模式验证与发展计划(PMV&D),通过大量 现场观测试验检验和改进现有的烟流扩散模式(Bowne,1983)o我国也曾在天津、沈阳、太 原和兰州等地进行了有关大气扩散试验研究。然而,在复杂地 形上,大气受下垫面特性的影响很大,因而在水平和垂直方向上形

49、成的风场和 温度场非常特殊,再加上地形动力作用的阻塞 与分流,致使污染物的扩散、稀 释规律比平原地区复杂得多。因此,以上提 j:_j 的一些模式 和方法也都由于适用 条件限制,未经充分检验,相互问的可比性差而存在一定缺陷。迄今为止, 国 外已开发了大量的各种类型的扩散模型, 包括箱及似模型、浅层模型和三维 流体力学模型。 随着计算机的普及和计算能力的不断提高,加上近似计算方法,例如,有 限差分法、有 限元法、有限体积法等的发展,基于数值计算的计算流体力学 （ComputationalFluidDynamics,CFD）方法形成并得到了迅速的发展。正是England等（1978年） 触发了采用c

50、FD方法模拟重气扩散的三维菲定常态湍流流动过程。这种数值方法是通过建 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,例如,流场、温度场、浓度 场等,以达 到对扩散过程的详细描述。用这种方法就克服了箱及相似模型中辨识和模拟重 气的下沉、空气的卷吸、气云的受热等各种物理效应时所遇到的许 问题。另 外,该法具 有模拟除平坦均匀地形以外更复杂情形的能力。这种基于Navier-Stokes方程（简称N.s方程） 的完全三维的流体力学模型的预测方法, 至少在原理上,具有内在的能力可以模拟所有重要 的物理过

51、程2 创。 井喷失控后发生各类事故的后果根据不同的实际情况:如井场环境,井喷 持续的时间，井喷的方式和点火源类型等等客观条件的不同会有很大的差别。因此，在确定天 然气钻井井场距离时，可不必对各种客观条件下的情况都进行细致的分析，而应估算发生事故时释放出的最大能量，及释放出的能量转 移会导致最严重后果的情况，而且主要研究 其对人身的伤害程度。根据消防人员的经验，井喷失控后可能发生的喷射燃烧（喷射火）的影 响范围基本在50m范围内，较大的喷射燃烧其伤害范围也在70m范围内，因此 本论文着 重研究 蒸气云爆炸的爆炸波和爆炸火球的伤害范围 ，及硫化氢气体扩散的中毒伤害范围。 二、蒸气云爆炸危害模型当大

52、量天然气因井喷失控从井口喷出到敞开空间以后，如果没有立 即点袁同学首部经济贸易大学硕士学位论丈天然气钻井井_；西距离研究火,而是先 在空中扩散与空气形成爆炸混合物，云团在扩散过程中遇点火源，发生延迟点火，就会导致蒸 气云爆炸。 蒸气云爆炸的后果表现为爆炸火球的热辐射、爆炸冲击波对周围人员、建 筑物、 储罐等设备的伤害、破坏作用。下面分别对这两种危害的伤害模型进行 分析研究。 （一）、 蒸气云爆炸的爆炸波伤害效应模型爆轰的传播速度为每秒1000m至10000m,对于大多数可 燃气体与空气混 合的蒸气云而言，直接爆轰需要一定的能量，因此蒸气云不大容易发生直接 爆 轰， 一般蒸气云炸是爆燃过程，极少是爆轰过程。但预测和研究蒸气云爆轰 产生的伤害效应仍然十分重要:因为一方面爆燃通过火焰加速可以转变成爆 轰，或反应容器泄爆产 生的灼热湍流射流可能实现爆轰；另一方面旦发生事 故，