页岩气井口装置泄漏风险及安全防护研究

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近年来,页岩气的开发力度突飞猛进,而我国页岩气的勘探和开发还处于初始阶段,页岩气储存地质条件复杂,且页岩气相对于其他非常规天然气埋藏更深,国内页岩气的开采技术及设备的落后使得页岩气泄漏事故时有发生,页岩气泄漏扩散与空气形成易燃易爆的危险混合物,危及开采站场的人身及设备安全。因此,为了保障页岩气的安全高效开采,本文采用数值模拟和理论分析的手段对页岩气开采井口装置的泄漏模式、泄漏概率、泄漏扩散规律、火灾爆炸风险及安全防护进行了研究,主要内容如下:(1)分析了页岩气开采的井口装置泄漏事故致因,利用贝叶斯网络(BN)分析法,确定了页岩气井口装置泄漏事故各基本事件的概率大小,得出阀门泄漏概率>法兰泄漏概率>管道泄漏概率>油/套管泄漏概率,并得出页岩气井口装置泄漏事故的概率大小为2.3×10-5,诊断推理得出影响页岩气井口装置泄漏的因素中二氧化碳气体腐蚀、密封材料老化、人员的误操作与第三方人为破坏等因素的灵敏度高于其他影响因素。(2)建立了基于真实场景的页岩气井口装置泄漏扩散三维模型,利用Fluent模拟不同影响因素(风速、泄漏量、泄漏位置、地形、硫化氢含量)下页岩气的扩散影响规律。研究表明:风速的作用加剧了页岩气的扩散,使得高浓度的页岩气区域随着风速的増加而减少。泄漏口朝上泄漏时危险区域大于泄漏口朝下,在水平方向上形成的窒息区域范围更大。山体的存在对于页岩气在大气中的扩散具有阻碍作用,山体会影响风速的原有方向,从而影响页岩气的扩散。含硫页岩气由于存在重气的成分,稳态情况下其泄漏扩散较不含硫的页岩气扩散区域更小。(3)确定了页岩气开采站场中采气树泄漏危险区域,对页岩气泄漏的窒息、爆炸区域进行了划分。当泄漏时间为5min时,页岩气的危险区域集中在泄漏口附近,窒息区域大于爆炸区域,页岩气泄漏扩散危险范围以泄漏口为基准,沿风向方向的10m×8m×9m,页岩气泄漏的爆炸范围大小主要是泄漏口中心的4m×5m×3m。(4)应用个人风险与社会风险表征页岩气泄漏后发生火灾和爆炸事故的风险水平,当泄漏时间为5min时,发生火灾及爆炸的安全距离分别为22.6m和455m。发生爆炸产生的危害远远大于火灾的影响。当泄漏时间小于5min时,发生火灾距离泄漏口20m及以外产生的火灾风险是可以接受的。而站场内部的爆炸风险是不可接受的。最后分析了页岩气井口装置泄漏危险区域安全防护距离并提出了页岩气泄漏事故的安全防护措施。
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