Механизм горения газового фонтана

И нефтяных фонтанах

Вопрос № 2. Классификация пожаров на газовых, газонефтяных

Газовые и нефтяные фонтаны классифицируют по следующим признакам:

- составу фонтанирующего вещества;

- виду струи фонтана;

- количеству фонтанирующих скважин.

По составу фонтанирующего вещества:

- газовые (фонтаны с содержанием горючего газа не менее 95% по массе);

- газонефтяные (газа более 50% и нефти менее 50% по массе);

- нефтяные (фонтаны с дебитом нефти более 50% по массе).

Кроме того, газовые и газонефтяные фонтаны условно подразделяются по мощности (дебиту) на:

- слабые – с дебитом газа до 2 млн. м³/сутки;

- средние – от 2 до 5 млн. м³/сутки;

- мощные – свыше 5 млн. м³/сутки.

По виду струи:

- Компактный фонтан (вертикальный или горизонтальный) образуется, когда буровое и устьевое оборудование не создают препятствий для свободного выхода нефти и газа.

- Распыленный фонтан возникает при истечении газа или нефти через неплотности фонтанной арматуры и противовыбросового оборудования, а также из устья скважины, заваленного буровым оборудованием.

- Комбинированный фонтан состоит из распыленной части и компактных струй.

Распыленный и комбинированный фонтаны можно преобразовать в компактный путем растаскивания бурового оборудования и расчистки устья скважины или снятия (отстрела) поврежденной фонтанной арматуры и противовыбросового оборудования.

По количеству одновременно фонтанирующих скважин:

- одиночные;

- групповые.

Групповые пожары фонтанов возникают при кустовой разработке месторождений, нескольких скважин (буровых установок) на ограниченной площади.

Горение газовых фонтанов устойчивое, оно может длиться неделями и даже месяцами и не зависит от метеорологических условий - ветра, дождя и т.п. Для ликвидации такого пожара необходимо огромное количество сил и средств.

Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха с образованием горючей смеси.

Поскольку в реальных условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков и даже сотен метров в секунду (при Re > 2300), движение газовой струи имеет турбулентный характер.

На рис.1 показано распространение турбулентной струи этилена из вертикальной трубы в воздух.

Из рис. 1 видно, что существуют три области концентраций, соответствующие нижнему концентрационному пределу воспламенения, стехиометрическому составу смеси и верхнему концентрационному пределу воспламенения. Ниже нижнего и выше верхнего концентрационных пределов воспламенения го­рение невозможно, т. к. ниже нижнего концентрационного предела воспламенения имеется избыток воздуха, а выше верхнего - избыток горючего газа.

Горение будет идти с максимальной скоростью в области, соответствующей стехиометрическому составу смеси. На рис. 2 показана структура турбулентной горящей струи в произвольном сечении А-А.

	Нф – высота фонтана; Нотр – высота отрыва пламени; Нз.в. – длина зоны воспламенения; Нз.д. – длина зоны догорания.
Рис.1 Структура турбулентной горящей струи газа
Рис.2 Структура турбулентной горящей струи в произвольном сечении А-А Т – температура; Сг – концентрация газа; - концентрация кислорода; Сп.г. – концентрация продуктов горения.

При турбулентном диффузионном горении концентрации газа С_г и кислорода падают до нуля в зоне горения, а концентрация продуктов горения С_ПГ и температура достигают максимума. Образующиеся продукты горения диффундируют как в окружающее пространство, смешиваясь с воздухом, так и внутрь факела, смешиваясь с горючим газом.

Распространение племени и воспламенение новых порций газа при турбулентном диффузионном горении осуществляется теплопроводностью и диффузией горячих продуктов горения. Положение поверхности горения и скорость горения определяются интенсивностью турбулентной диффузии.

Температура газа в ядре постоянных скоростей близка к температуре истечения газа. Максимальная температура пламени находится на поверхности стехиометрического состава. Воспламенение турбулентной струи газа осуществляется по периферии (по кольцевой области), где скорость распространения пламени имеет максимальное значение.

По мере удаления от среза трубы зона высоких температур приближается к оси струи и на некотором расстоянии от среза трубы зона высоких температур достигает оси трубы. Это расстояние называется длиной зоны воспламенения Н_з.в.. Длина зоны воспламенения турбулентного диффузионного факела зависит от физико-химических свойств газа, от содержания атомов углерода в молекуле горючего. Длина зоны воспламенения тем больше, чем выше молекулярная масса горючего, так как для сгорания единицы массы газа должно поступить большее количество воздуха из окружающей атмосферы. И, наоборот, чем меньше молекулярная масса горючего, тем меньше длина зоны воспламенения.

В зоне догорания происходит догорание отдельных молей горючего, на которые разбивается струя в результате турбу­лентных пульсаций. Процесс смешения в этой зоне осуществля­ется в основном за счет молекулярной диффузии, кроме того, эта зона характеризуется значительным недостатком кислорода, поэтому сгорание газа происходит очень медленно, что обус­ловливает значительную длину зоны догорания. Длина зоны до­горания определяется протяженностью пути движения молей га­за за время их выгорания и пропорциональна скорости движе­ния газа.

Фронт горения в турбулентном факеле пламени из-за турбу­лентных пульсаций масс горючего, воздуха и продуктов горения получается размытым, раздробленным на отдельные части и неустойчивым. Особенно это проявляется в зоне догорания.

Одним из важных параметров газового факела является его длина (высота). Под высотой факела горения понимается наблю­даемая визуально или «фотографическая» длина факела, а не «химическая».

Высота факела напрямую связана с дебитом фонтана. Данный вопрос будет рассматриваться на следующем практическом занятии.

Вывод по вопросу: фонтаны природных углеводородов условно подразделяют на газовые, газонефтяные и нефтяные. Горение газовых фонтанов является диффузионным, турбулентным.