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含硫气井井喷事故会喷发大量有毒气体H2S,对环境、社会、经济、人体健康产生重大的影响。划分含硫气井应急计划区(emergency planningzones,简称EPZ)是有效降低井喷事故危害的通行做法,是政府和企业实施有效监管范围的依据,是合理配置应急资源、节约社会成本的工作基础。我国含硫气井主要集中分布在地形复杂、人口高度密集的川渝地区,但复杂地形含硫气井EPZ划分研究目前尚属空白,研究其划分方法具有重要的科学意义和基础性作用。
基于国内研究含硫气井EPZ的实际需要,以及实验室现有的技术、硬件条件,首先通过现场调研分析“12·23”井喷H2S扩散、环境影响、人员伤亡等情况,选择含硫气井EPZ的主要影响因素,如硫化氢释放速率(记为RH2S)、地形、气象条件、人口分布等,并分析其特征及它们之间的相互关系;其次,利用“12·23”井喷事故风洞试验和现场调查数据验证基于计算流体动力学(CFD)的井喷H2S扩散三维数值模拟模型,该数值模拟模型采用大涡模拟方法(LES)。然后,选择不同类型复杂地形的含硫气井,计算不同主要影响因素组合条件下的H2S浓度场和H2S毒性负荷(记为TLH2S)的时空分布;在此基础上,研究TLH2S与RH2S之间的非线性关系,建立各类复杂地形含硫气井EPZ划分方法,并提出含硫气井EPZ划分原则和应急管理措施;最后,将研究成果应用于川东北气矿的某含硫气井。
结果表明:(1)该三维数值模拟模型是有效的。风洞实验和数值模拟结果误差基本可接受,数值模拟模型的参数经风洞实验整定后,模拟结果与现场调查结果基本吻合;(2)根据所收集的数据,川渝地区含硫气井的RH2S服从标度指数为1.5395的幂律分布,分布的尾部对应一级、二级含硫气井的概率,主要集中在川东北气矿、川西北气矿、重庆气矿、普光气田等;一级、二级含硫气井的累积分布概率远大于高斯分布的概率值;(3)地形对我国含硫气井EPZ范围有显著影响。含硫气井所在的复杂地形大致可分为3类,其对应的含硫气井EPZ计算模型的计算结果均远小于加拿大EUB的计算方法,而且与实际情况较相符;(4)本研究所用的RH2S大于0的591口川渝地区含硫气井中,16.75%的EPZ半径大于公众安全防护距离;EPZ大于1000 m的含硫气井约占2.20%。
总之,我国含硫气井H2S释放速率呈非高斯的幂律分布,其累积分布概率远大于高斯分布的概率值;地形和RH2S直接影响TLH2S的时空分布,决定了含硫气井EPZ范围。基于TLH2S计算的复杂地形含硫气井EPZ的划分方法主要考虑了山区复杂地形对TLH2S的影响,计算结果较为合理,对于我国主要含硫气井集中分布在人口密集的川渝地区的实际情况而言是比较适用且可行的。不是所有含硫气井的EPZ范围都一样。确定EPZ实际边界时,还应考虑含硫气井周围的具体环境特征,如人口分布、交通和通信、社会经济状况等因素,并采取较全面的应急管理措施。