海上平台超临界CO_(2)管道泄漏扩散规律实验研究

CO_(2)封存是实现中国“双碳”目标的有效技术途径之一,海上CO_(2)封存通常依托海上油气平台管道回注,CO_(2)回注过程中可能发生泄漏而严重影响作业人员安全。以恩平15-1海上平台为研究对象,开展超临界CO_(2)泄漏扩散规律实验研究。通过缩比设计,搭建与恩平15-1相应的物理模型实验平台,利用相似理论和量纲分析方法,设计了超临界CO_(2)泄漏扩散参数,开展了海上平台管道CO_(2)在不同泄漏压力(1.5~3.0 MPa)、泄漏孔径(0.5~6.2 mm)、泄漏方向(水平、竖直、斜45°)及环境风速(0~0.5 m/s)下的相似模型实验,研究泄漏CO_(2)在平台上的扩散情况及浓度分布规律。结果表明:压力和环境风速的变化,会影响CO_(2)泄漏后的近场射流,但对其远场扩散的影响较小;CO_(2)浓度会在泄漏约20 s后达到峰值并保持稳定,不会随泄漏时间的增加而增大;泄漏口径会显著影响泄漏口轴向CO_(2)浓度的分布规律。研究结果为海上平台CO_(2)泄漏监测与安全防护设计提供了参考。

延长油田CO_(2)大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO_(2)浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO_(2)大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO_(2)驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明:随着风速的不断增加,CO_(2)云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO_(2)云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO_(2)云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO_(2)云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO_(2)云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO_(2)云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO_(2)云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环境、裂缝发育方向、“注气”优势方向和近地表植被高度,确定监测点位布局:方向上为北东—南西向;平面上为距离井口下风向15 m;纵向上为采样高度50 cm。CO_(2)浓度大气监测点的监测结果表明并未发生泄漏。

基于PHAST的CO_(2)露空管道大规模泄漏与放空模拟

为保障CO_(2)管道大规模泄漏和放空过程安全,防止CO_(2)扩散导致人员或地面生物伤亡,考虑泄漏和放空的情况,利用PHAST软件对CO_(2)管道大规模泄漏和放空时的浓度扩散情况进行数值模拟。以国内外安全标准中规定的安全浓度为研究依据,对CO_(2)泄漏影响范围进行模拟,研究分析得出不同介质相态、阀门开度、天气条件和泄漏放空角度对扩散范围的影响。通过总结模拟结果得到结论——使用垂直立管的计划泄漏放空不需要考虑地面危险浓度范围,全尺寸意外泄漏放空危险浓度范围与介质相态、天气条件和泄漏放空角度相关。

孔隙率对埋地超临界CO_(2)管道泄漏扩散的影响

长输管道中的超临界CO_(2)流体一旦发生泄漏并扩散到周围环境中,将会造成极大的经济损失并对生命体构成潜在的生理危害。针对不同土壤孔隙率下埋地超临界CO_(2)管道发生小孔泄漏初期的扩散规律展开研究。根据中国土壤特点选用0.35、0.45、0.55、0.65四种孔隙率,结合中国某油田超临界CO_(2)埋地管道的输送工况参数,依据相关的基础理论建立三维土壤-管道模型,使用FLUENT专业模拟软件,模拟埋地CO_(2)管道发生泄漏初期CO_(2)在不同孔隙率的土壤中扩散情况,通过分析计算得到其以均匀扩散为主的扩散规律。以所选最大孔隙率为例,以5%为CO_(2)危险浓度,确定以泄漏口为中心的2 m范围内的地表为危险区域,相关结论为施工人员提供技术参考。

埋地CO_(2)管道泄漏扩散特征研究进展

[目的]CO_(2)管道输送是碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)技术产业链中的关键环节,其在运行过程中存在意外泄漏风险。相比于地上管道,受土壤阻力的影响,埋地高压管道的泄漏扩散机制更加复杂。然而,目前对于CO_(2)管道泄漏扩散特征的研究综述主要聚焦于地上管道泄漏的场景。[方法]针对埋地管道小孔泄漏与全尺寸断裂两种常见场景,基于文献调研对目前埋地管道泄漏扩散的实验与模拟研究现状进行梳理评述,探究了土壤地质条件、土壤温度、外界压力以及外界风速对CO_(2)气体土壤渗流扩散过程中的影响,并总结了当前模拟埋地CO_(2)管道全断裂泄漏扩散的建模方式与物理模型。[结果]对于埋地CO_(2)管道小孔泄漏近场泄漏源特征,主要以开展小型实验的方式研究泄漏口附近土壤温度变化以及干冰层、冻土层的增长规律。对于埋地CO_(2)管道小孔泄漏远场扩散特征的模拟研究,大多假设土壤孔隙度不发生变化,并未考虑流体相变与冲击压力对土壤孔隙度的影响。埋地管道全尺寸断裂条件下气体射流扩散的研究主要以模拟为主,且大多数模型直接以形成的洞坑为物理原型,未考虑洞坑形成对气体射流扩散的影响。[结论]埋地CO_(2)管道全尺寸断裂的现场测试和小孔泄漏扩散理论模型建立仍有很大发展空间,建议通过专项攻关完善地质条件和外界环境影响下CO_(2)气体在土壤中的扩散机制,加大投入开展埋地CO_(2)管道大孔径或者全尺寸断裂泄漏扩散试验,获取更多实验数据,以建立更加全面准确的数学物理模型。