因此，页岩气采输井场作业安全防护距离的确定应结合邻井地质资料和无阻流量，并综合考虑地形、人口分布、工艺、环境等因素，同时注意其差异性。......
2023-06-28
页岩气钻井井场作业的安全防护模型
【摘要】：页岩气钻井、压裂过程中最重要的危险是井喷失控，井喷失控会导致页岩气大量泄漏，极易引起火灾爆炸，亦不排除可能出现硫化氢中毒。⑤ 安全防护距离的确定。边界条件① 页岩气可能泄漏的最大体积量。页岩气发生井喷事故后，喷出页岩气的量主要取决于井喷流量和井喷时间。
页岩气钻井、压裂过程中最重要的危险是井喷失控，井喷失控会导致页岩气大量泄漏，极易引起火灾爆炸，亦不排除可能出现硫化氢中毒。
1.模型建立及其边界条件
（1）模型建立
① 页岩气泄漏量的确定为
式中：Vm——页岩气可能泄漏的最大体积量，单位为m3；
q——页岩气井无阻流量，单位为m3/d；
t——页岩气井泄漏时间，单位为min。
② 蒸汽云爆炸的爆炸波伤害范围计算。
蒸汽云对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量为
式中：Wc——蒸汽云对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量，单位为kg；
Vm——页岩气泄漏量，单位为m3；
ρ——页岩气密度，单位为kg/m3。
爆源总能量为
式中：E0——爆源总能量，单位为J；
α——对蒸汽云爆炸有实际贡献的页岩气占泄漏页岩气的百分比，平均值为4%；
Wc——蒸汽云对爆炸波有实际贡献的页岩气质量，单位为kg；
Qc——页岩气的燃烧热值，单位为J/kg。
死亡区外径为
式中：R0.5——基于超压—冲量准则确定的蒸汽云爆炸死亡区外径，单位为m。
QTNT——TNT爆炸热值，可取为4.52×106J/kg。
重伤区外径为
ln(Ps)=ln44 000=10.692
式中：Re0.5——基于超压一冲量准则确定的蒸汽云爆炸重伤区外径，单位为m；
Ps——爆炸波正相最大超压，此处取值44 000 Pa；
Pa——大气压力，取1.013 25×105Pa。
轻伤区外径为
ln (Ps)=ln17 000=9.741
式中：Re0.01——基于超压—冲量准则确定的蒸汽云爆炸轻伤区外径，单位为m；
Ps——爆炸波正相最大超压，此处取值17 000 Pa；
Pa——大气压力，取1.013 25×105Pa。
③ 蒸汽云爆炸的爆炸火球伤害范围计算。
蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的燃料质量为
式中：W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的页岩气质量，单位为kg；
Vm——页岩气泄漏量，单位为m3；
ρ——页岩气密度，单位为kg/m3。
死亡半径为
式中：Rs——基于热剂量伤害准则，在瞬间火灾条件下得出爆炸火球的死亡半径，单位为m；
W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的燃料质量，单位为kg。
重伤半径为
式中：Rz——基于热剂量伤害准则，在瞬间火灾条件下得出爆炸火球的重伤半径，单位为m；
W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的页岩气质量，单位为kg。
轻伤半径为
式中：RQ——基于热剂量伤害准则，在瞬间火灾条件下得出爆炸火球的轻伤半径，单位为m；
W——蒸汽云对爆炸火球有实际贡献的页岩气质量，单位为kg。
④ 硫化氢扩散的毒害范围计算。
基于Pasquill-Gifford模型的硫化氢危害范围计算。
100 mg/L的H2S气体的危害半径为
300 mg/L的H2S气体的危害半径为
500 mg/L的H2S气体的危害半径为
式中：r100——100 mg/L的H2S气体危害半径，单位为m；
r300——300 mg/L的H2S气体危害半径，单位为m；
r500——500 mg/L的H2S气体危害半径，单位为m；
V——页岩气可能泄漏的最大体积量，单位为m3；
——气体中的H2S摩尔分数。
在描述气体扩散行为时，涉及扩散气体的密度大小、气体与周围环境是否发生热力学作用及扩散环境的气象、地形等等众多复杂的问题。
为了简化分析，特作如下假设：
第一，气云在平整、无障碍物的地面上空扩散；
第二，气云中不发生化学反应和相变反应，也不发生液滴沉降现象；
第三，气体的泄漏速率不随时间变化；
第四，风向为水平方向，风速和风向不随时间、地点和高度变化；
第五，气云和环境之间无热量交换；
第七，云团中心的移动速度或云羽轴向蔓延速度等于环境风速；
第八，云团内部或云羽横截面上速度、密度等参数服从正态分布。
对于连续泄漏，根据世界银行推荐的模型，给定位置的毒物浓度为
式中：c（x，y，z）——连续排放时，给定地点（x，y，z）的浓度，单位为mg/m3；
Q——连续排放的物料流量，单位为mg/s；
u——平均风速，单位为m/s；
x——下风向距离，单位为m；
y——横风向距离，单位为m；
z——离地面的距离，单位为m；
σy、σz——y、z方向扩散系数。
扩散系数σx、σy、σz的大小与大气湍流结构、离地面高度、地面粗糙度、泄漏持续时间、抽样时间间隔、风速以及离开泄漏源的距离等因素有关。
在计算硫化氢扩散导致人员中毒范围时，选取H2S气体的致死临界浓度为Cs=760 mg/m3，重伤临界浓度为CZ=300 mg/m3，轻伤临界浓度为CQ=150 mg/m3。所选取的H2S气体临界浓度与作业场所H2S最高允许浓度10 mg/m3相差较大，主要是考虑到井喷事故对周围居民的伤害，与作业场所中8小时工作时长的要求不同。
⑤ 安全防护距离的确定。
为了确保页岩气钻井井场作业人员和周围居民的安全，避免在钻井、压裂以及井下作业过程中发生井喷失控恶性事故时遭受伤害，采用安全防护距离计算模型确定其安全防护距离为
式中：Dij——安全防护距离，单位为m；
RQi——不同情况下求出的蒸汽云爆炸波导致轻伤半径RQ1、蒸汽云爆炸火球导致轻伤半径RQ2和硫化氢扩散致轻度中毒半径RQ3。
（2）边界条件
① 页岩气可能泄漏的最大体积量。页岩气发生井喷事故后，喷出页岩气的量主要取决于井喷流量和井喷时间。在井喷失控时可能达到的最大流量是页岩气井的无阻流量。无阻流量是指井底回压为大气压时的井口流出量，反映产气潜力。据不完全统计，页岩气单井无阻流量为15.3×104～155.8×104m3/d。因此，综合考虑页岩气开发实际情况，选取60×104m3/d作为页岩气单井无阻流量。
② 泄漏时间。对于含硫天然气而言，发生井喷15 min后，若无法压井成功，则要求点火放喷。因此，选取15 min作为泄漏时间进行相关计算。
③ 气象参数。模拟气象条件一般为风速1.1 m/s、2.0 m/s、5.0 m/s，稳定度为D、F（在此稳定度下，不利于扩散，有相对较大的危险性）。其中5.0 m/s为计算的最大风速，2.0 m/s为年平均风速，1.1 m/s为接近静风条件的最小风速。因此，选择风速为5.0 m/s，地面粗糙度为1 m。
2.硫化氢含量
硫化氢体积含量大于0.001 4%（20 mg/m3）的气井属于含硫气井。硫化氢体积含量在0.001 4%～0.5%的气井称为微含硫气井，硫化氢体积含量在0.5%～2.0%的气井称为低含硫气井，硫化氢体积含量在2.0%～5.0%的气井称为中含硫气井，硫化氢体积含量在5.0%～20%的气井称为高含硫气井，硫化氢体积含量大于20%的气井称为特高含硫气井，如表5-1所示。因此，选取硫化氢体积含量为2.0%作为计算参数。
表5-1 含硫气井分级
3.页岩气钻井井场安全防护距离的确定
基于边界条件，选取60×104m3/d作为页岩气单井无阻流量，15 min的泄漏时间内，由式（5-1）计算可得页岩气可能泄漏的最大体积量是6 250 m3。
鉴于页岩气的主要成分是甲烷，甲烷的密度是0.717 kg/m3，甲烷的燃烧热值Qc是55.164 MJ/kg。因此，由式（5-2）和式（5-3）计算可得蒸汽云对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量Wc和爆源总能量E0分别是4 481.25 kg和9.89×109J。
由式（5-4）、式（5-5）和式（5-6）可得蒸汽云爆炸的爆炸波伤害范围，如表5-2所示。
表5-2 蒸汽云爆炸的爆炸波伤害范围
由式（5-8）、式（5-9）和式（5-10）可得蒸汽云爆炸的爆炸火球伤害范围，如表5-3所示。
表5-3 蒸汽云爆炸的爆炸火球伤害范围
由式（5-11）、式（5-12）和式（5-13）可得基于Pasquill-Gifford模型的硫化氢危害范围，如表5-4所示。
表5-4 基于Pasquill-Gifford模型的硫化氢危害范围
由式（5-14），利用自编程序可得页岩气（硫化氢体积含量2.0%）的硫化氢气体扩散等浓度曲线，如图5-1所示。
图5-1 硫化氢气体扩散等浓度曲线
由图5-1可以得到基于高斯模型的硫化氢危害范围，如表5-5所示。
表5-5 基于高斯模型的硫化氢危害范围
考虑到页岩气钻井、压裂过程中最重大的危险是井喷失控，井喷失控会导致页岩气大量泄漏，极易引起火灾爆炸，而出现硫化氢中毒的可能性较小，钻遇硫化氢体积含量2.0%的页岩气井可能性更低。因此，由计算得到蒸汽云爆炸波导致轻伤半径RQ1蒸汽云爆炸火球导致轻伤半径RQ2和硫化氢扩散致轻度中毒半径RQ3（基于Pasquill-Gifford模型的硫化氢危害范围），确定页岩气钻井井场作业安全防护距离为95.64 m。
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