劉 欣，李鵬亮，屈 波，檀為建，田 鑫，王培森，耿 彤

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司，河北 任丘 062550； 2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

注空氣采油技術(shù)廣泛地應(yīng)用于中低滲透油藏的開(kāi)采，是1種便捷高效的三次采油方法[1-4]。在注空氣采油的過(guò)程中，氮?dú)鈱?duì)原油起驅(qū)替作用，氧氣可以與原油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出一定的熱量，從而改善原油的流動(dòng)性，提高油層的采收率。與其他開(kāi)采技術(shù)相比，注空氣采油操作簡(jiǎn)便，成本低廉。此外，相比其他驅(qū)替介質(zhì)，空氣的流動(dòng)阻力要小得多，可以很好地解決中低滲透油藏流動(dòng)阻力大、其他介質(zhì)難以注入等問(wèn)題[5]。

在注空氣采油的過(guò)程中，原油中的輕質(zhì)組分會(huì)揮發(fā)出來(lái)，在井筒內(nèi)與空氣形成可燃性混合氣體，遇到點(diǎn)火源有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)?？扇?xì)怏w的爆炸特性與溫度和壓力有著密切的聯(lián)系。當(dāng)混合氣體溫度升高，其分子內(nèi)能增加，導(dǎo)致活性分子增加，使原來(lái)不燃不爆的混合物變?yōu)榭扇伎杀詼囟壬呤贡ǖ奈ｋU(xiǎn)性增加。而當(dāng)系統(tǒng)壓力增加，分子間間距縮小，碰撞幾率增加，使反應(yīng)更容易進(jìn)行；反之，壓力降低，氣體分子間距拉大，發(fā)生爆炸的可能性會(huì)變小。

在大部分地層條件下，溫度能達(dá)到100℃左右，壓力可以達(dá)到10 MPa。前人的研究[6-12]主要集中在常溫常壓下可燃?xì)怏w的爆炸特性，而在地層條件下，可燃性氣體處于高溫高壓狀態(tài)。因此，需要對(duì)地層高溫高壓環(huán)境下可燃?xì)怏w的爆炸特性尤其是安全含氧量進(jìn)行研究。

本文研發(fā)了1種用于測(cè)試地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣體安全含氧量的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)對(duì)采油現(xiàn)場(chǎng)井筒內(nèi)的氣體進(jìn)行取樣分析，選取一定組分的混合氣體，對(duì)其在不同溫度和壓力條件下的安全氧含量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果可為采油現(xiàn)場(chǎng)的安全控制提供參考，以期確保注空氣采油過(guò)程中的安全性。

1 理論分析

采油現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可燃混合氣體組分如表1所示。從表1可以看出，可燃性氣體中甲烷占比最大。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測(cè)可燃性混合氣體在常溫常壓下的安全氧含量進(jìn)行了估算。

表1 實(shí)測(cè)可燃?xì)怏w混合物組分Table 1 Measured composition of combustible gas mixture

實(shí)測(cè)氣體中的可燃組分為混合氣體，用爆炸三角形作圖計(jì)算其安全氧含量時(shí)只能將其簡(jiǎn)化成1種單一氣體，這在理想氣體是允許的。根據(jù)萊徹斯特公式求出混合氣體在空氣和氧氣中的爆炸上限和爆炸下限。

作圖法求可燃?xì)怏w的安全氧含量如圖1所示。畫(huà)出等邊三角形，其頂點(diǎn)F，O，N分別表示可燃性氣體、氧氣、氮?dú)?，令X1=4.72，X2=14.68，X11=4.92，X22=60.98，以點(diǎn)的形式將混合可燃組分在空氣中的爆炸極限X1，X2畫(huà)在空氣線FA上；再以點(diǎn)的形式將混合可燃組分在氧氣中的爆炸極限X11，X22畫(huà)在氧氣線FO上；分別連接X(jué)1，X11和X2，X22，并延長(zhǎng)，其延長(zhǎng)線相交于點(diǎn)C；過(guò)C點(diǎn)繪制平行于燃料軸的直線，可求得安全含氧量為12.68%。

圖1 作圖法求可燃?xì)怏w的安全氧含量示意Fig.1 Calculation of safe oxygen content of combustible gas by drawing method

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究參照標(biāo)準(zhǔn)E2079-07進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[15]。圖2給出了地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣安全氧含量測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)主要由氣體注入系統(tǒng)、反應(yīng)釜、點(diǎn)火系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，其中，反應(yīng)釜采用高強(qiáng)鈦合金材料加工而成，釜體容積1 L。采用電點(diǎn)火頭進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火能量約為10 J。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

本實(shí)驗(yàn)擬測(cè)定地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣體的安全氧含量。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，根據(jù)分壓法依次充入可燃?xì)怏w、氮?dú)夂涂諝猓c(diǎn)火后觀察是否發(fā)生燃爆。

實(shí)驗(yàn)前，首先打開(kāi)反應(yīng)釜一側(cè)的電極，安裝電點(diǎn)火頭；然后向反應(yīng)釜注入一定壓力的空氣，關(guān)閉所有閥門(mén)，測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的氣密性；確認(rèn)氣密性良好之后，打開(kāi)進(jìn)氣閥、空氣調(diào)節(jié)閥、排氣閥，向整個(gè)回路輸送干燥空氣，清洗整個(gè)回路；然后關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥、進(jìn)氣閥、排氣閥，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)和氣體增壓泵準(zhǔn)備注氣。

按分壓法依次向反應(yīng)釜注入可燃?xì)怏w和氮?dú)?，再由空氣注入系統(tǒng)向反應(yīng)釜補(bǔ)充空氣，直到反應(yīng)釜的壓力達(dá)到所需壓力時(shí)為止，關(guān)閉進(jìn)氣閥。待混合均勻，靜置10 min后點(diǎn)火，根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)壓力和溫度變化情況判斷是否爆炸，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。重復(fù)以上步驟，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖2 爆炸測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of explosion test system

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)超壓值判斷是否發(fā)生燃爆，并輔以溫度變化差值來(lái)進(jìn)行綜合判斷。由于實(shí)驗(yàn)采用電點(diǎn)火頭點(diǎn)火，因此首先要考慮電點(diǎn)火頭燃燒產(chǎn)生的壓力升值和溫度變化情況。為了使結(jié)果判斷更為準(zhǔn)確，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用2個(gè)壓力傳感器和1個(gè)溫度傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，電點(diǎn)火頭燃燒產(chǎn)生的超壓值不高于0.05 MPa，而其爆炸前后溫度差值在10℃以內(nèi)。因此，超壓值大于0.05 MPa即判定發(fā)生燃爆。由于爆炸極限附近溫度變化比較小，其受環(huán)境影響比較大，所以將其作為輔助的判斷依據(jù)，主要以超壓值的大小判斷是否發(fā)生燃爆現(xiàn)象。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料及條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可燃性氣體組分，在本實(shí)驗(yàn)研究中配置了由94.9%甲烷、2.1%乙烷和3%丙烷組成的可燃性氣體。實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Experimental conditions

3 結(jié)果與討論

在測(cè)試1 MPa，40℃條件下的安全氧含量時(shí)，采用逐漸增加氮?dú)夂康姆椒▉?lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，具體結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度為2.4%時(shí)，隨著氮?dú)鉂舛仍黾?，混合氣中的氧氣含量降低，?dāng)加入氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)，不會(huì)發(fā)生燃爆。此時(shí)，保持氮?dú)鉂舛葹?0%，增加可燃?xì)怏w濃度至2.8%和3.2%，則又會(huì)發(fā)生燃爆。保持可燃?xì)怏w濃度為3.2%，增加氮?dú)鉂舛戎?0%時(shí)，則又不會(huì)發(fā)生燃爆。按照相同的方法相繼增加可燃?xì)怏w和氮?dú)獾臐舛?，?dāng)可燃?xì)怏w濃度為3.6%，氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)，會(huì)發(fā)生燃爆。繼續(xù)增加可燃?xì)怏w濃度至4%和5%，則不會(huì)發(fā)生燃爆。由此判定，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度為3.6%，氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的氧氣濃度為安全氧含量，即9.74%。由此可以看出，隨著氮?dú)獾募尤?，可燃?xì)怏w的爆炸下限有所升高。

表3 1 MPa，40℃條件下安全氧含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of safe oxygen content at 1 MPa and 40℃

圖3給出了1 MPa，40℃條件下，可燃?xì)鉂舛葹?.4%時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)超壓值隨加入氮?dú)鉂舛鹊淖兓闆r。從圖3中可以看出，隨著氮?dú)鉂舛鹊脑黾?，點(diǎn)火后產(chǎn)生的超壓值逐漸減小，由氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)的3.1 MPa減小到氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)的0.04 MPa，從劇烈的爆炸轉(zhuǎn)化為緩慢的燃燒，直到不發(fā)生燃爆。由此說(shuō)明，氮?dú)獾募尤肟梢砸种瓶扇細(xì)怏w的燃燒性能，并且濃度越大，抑制效果越明顯。當(dāng)不再發(fā)生燃爆時(shí)，所對(duì)應(yīng)的氧氣濃度即為安全氧含量。

圖3 1 MPa，40℃，2.4%可燃?xì)鈼l件下超壓值隨加入氮?dú)鉂舛鹊淖兓?guī)律Fig.3 The change of overpressure value with nitrogen concentration at 1 MPa, 40℃, 2.4% gas

表4給出了不同條件下安全氧含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從表4中可以看出，在地層高溫高壓條件下所測(cè)得的安全氧含量均低于常溫常壓下的理論估算值。隨著壓力的增加，安全氧含量有所降低，這是因?yàn)楫?dāng)壓力升高時(shí)，反應(yīng)物分子間間距變小，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物分子間的碰撞次數(shù)增多，因此，反應(yīng)體系更加危險(xiǎn)，維系反應(yīng)進(jìn)行所需要的氧含量降低。隨著溫度的升高，安全氧含量也普遍降低，這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)更加劇烈，因此，單位時(shí)間內(nèi)分子之間的碰撞次數(shù)增多，反應(yīng)體系更加危險(xiǎn)，反應(yīng)所需要的氧含量隨之降低，與前人研究結(jié)果一致[16-17]。

表4 安全氧含量結(jié)果匯總Table 4 Summary of safe oxygen content

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了1套能用于測(cè)試高溫高壓條件下可燃性氣體混合物安全氧含量的實(shí)驗(yàn)裝置，解決了高壓條件下可燃?xì)怏w爆炸特性中安全含氧量難以測(cè)定的問(wèn)題。

2)基于理論分析，采用作圖法，求得可燃?xì)怏w樣品的安全氧含量為12.68%。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣的安全氧含量要遠(yuǎn)低于理論分析的安全氧含量值。

4)隨著溫度和壓力的升高，油氣混合氣的安全氧含量逐漸降低，體系的危險(xiǎn)性越來(lái)越大。