趙利慶 楊國(guó)駿 李紅波 樊春峰 耿榮燕 梁昌晶

1中國(guó)石油華北油田分公司第一采油廠

2中國(guó)石油青海油田分公司基建工程處

3中國(guó)石油華北油田分公司二連分公司

4河北雄安華油清潔能源有限公司

5河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司

注空氣驅(qū)油方法可用于平均空氣滲透率≤0.05 μm2的低滲及特低滲透油藏，注氣后空氣中的氧氣與原油接觸發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，生成CO2、CO氣體，并釋放出大量的熱，形成由N2和CO2構(gòu)成的煙道氣驅(qū)，同時(shí)原油體積膨脹，黏度降低。注空氣技術(shù)已成為除熱采之外發(fā)展較快的提高采收率的新方法[1]，實(shí)驗(yàn)表明，空氣驅(qū)能夠在水驅(qū)的基礎(chǔ)上大幅提高采收率，同時(shí)相比其他氣體驅(qū)替方式（注N2、注CO2）具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)。

在注空氣過(guò)程中，由于空氣與原油反應(yīng)不完全，剩余氧氣在地層、井筒及地面中與原油中揮發(fā)出來(lái)的溶解氣混合，在遇到明火時(shí)，具備了發(fā)生燃燒或爆炸的三要素，體系危險(xiǎn)性增大?；趪?guó)內(nèi)已實(shí)施注空氣驅(qū)油（遼河、吐哈油田）的實(shí)際操作數(shù)據(jù)以及國(guó)外BP、挪威石油等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，認(rèn)為注入氧含量為5%（體積分?jǐn)?shù)，下同）的空氣是安全的，當(dāng)氧含量＞5%時(shí)應(yīng)啟動(dòng)安全預(yù)警信號(hào)，并采取必要的壓井或關(guān)井措施。但對(duì)安全氧含量的具體數(shù)值目前還未明確，且之前國(guó)內(nèi)關(guān)于原油蒸汽的燃爆實(shí)驗(yàn)研究多集中在常溫常壓或高溫低壓下，而井筒和地層的溫度、壓力大部分集中在80～100℃、1～10 MPa之間[2-3]，因此有必要對(duì)高溫高壓地層條件下可燃物的爆炸極限及安全氧含量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)定，以便指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，確保注空氣過(guò)程中的安全。

1 理論計(jì)算

1.1 可燃?xì)怏w爆炸極限

首先，取試驗(yàn)區(qū)塊生產(chǎn)井的套管氣依據(jù)GB/T 13610—2014《天然氣的組成分析氣相色譜法》進(jìn)行分析，組分中C5+所占的體積分?jǐn)?shù)較小，因此進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)除去助燃?xì)怏wO2和惰性組分N2、CO2，將各可燃?xì)怏w的體積濃度進(jìn)行重組，得到100%的全組分可燃?xì)怏w，具體見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)可燃?xì)怏w組分體積分?jǐn)?shù)Tab.1 Volume fraction of actual combustible gas components %

當(dāng)已知各組分的爆炸極限時(shí)，可以根據(jù)Le Chatelier公式計(jì)算多組分可燃?xì)怏w與空氣組合的爆炸性混合物的爆炸極限，即

式中：Cm為多組分可燃?xì)饣旌衔镌诳諝饣蜓鯕庵械谋O限，%；Vi為i組分在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)，%，其和為100%；Ci為i組分在空氣或氧氣中的爆炸極限，%。

C1，C2，……，Cn參照《常用化學(xué)品安全手冊(cè)》取表2中數(shù)值。

表2 單一可燃?xì)怏w爆炸極限（101.325 kPa，20℃）Tab.2 Explosion limits of single combustible gas（101.325 kPa，20℃）

將各組分的爆炸下限代入公式（1）得到可燃?xì)庠诳諝庵械谋ㄏ孪逓?/p>

同理，計(jì)算出可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸上限為CUA=14.72%；在氧氣中的爆炸上下限分別為CUO=60.76%及CLO=4.78%。

1.2 安全氧含量

1.2.1 化學(xué)法

參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2079—2007中附錄的理論方法，由阿馬格體積定律可知，多元混合氣體中各氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)[4]，因此可以將混合氣體等效看成含C、H、O的單一氣體，分子簡(jiǎn)式記為CnHmOλ。假設(shè)可燃?xì)怏w與氧氣充分燃燒，化學(xué)反應(yīng)式為

依據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算得到

此時(shí)可燃?xì)怏w完全燃燒所需要的氧含量即可定義為安全氧含量

1.2.2 作圖法

構(gòu)建一個(gè)等邊三角形，三個(gè)頂點(diǎn)為F、O、N，分別代表可燃?xì)怏w、氧氣和氮?dú)?，F(xiàn)O線為甲烷體積分?jǐn)?shù)，F(xiàn)N線為氧氣體積分?jǐn)?shù)，ON線為氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)。將每條邊等分成100個(gè)單位，在FO邊上標(biāo)出可燃?xì)怏w在氧氣中的爆炸上下限的點(diǎn) X11、X12，在ON上以20.95%的空氣中氧含量數(shù)值標(biāo)出空氣點(diǎn)A，連接FA即為空氣組分線；在FA邊上標(biāo)出可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸上下限的點(diǎn)X1、X2，分別連接 X11、X1以及 X12、X2并延長(zhǎng)相交于點(diǎn)C，作點(diǎn)C與FN氧氣體積線的平行線相交于ON，則可以得到安全氧含量為12.76%（圖1）。

圖1 作圖法求安全氧含量Fig.1 Safe oxygen content obtained by the drawing method

2 實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用化學(xué)法和作圖法可以簡(jiǎn)便得到不同可燃?xì)怏w組分下的安全氧含量限值，但都是基于常溫常壓下進(jìn)行的，對(duì)于高溫高壓地層環(huán)境下井筒中可燃?xì)怏w的燃爆特性及安全氧含量限值需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試過(guò)程

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由注氣系統(tǒng)、高溫高壓反應(yīng)釜、點(diǎn)火系統(tǒng)、信息采集及控制系統(tǒng)組成。其中高溫高壓反應(yīng)釜為核心部件，按照ASTM E2079—2007推薦應(yīng)選用球形容器，因?yàn)榍蛐稳萜骺梢院芎玫乜刂浦行狞c(diǎn)火點(diǎn)，保證燃爆實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。但國(guó)內(nèi)對(duì)于球形壓力容器的加工和制造存在一定困難，且油田地面和井筒管柱皆為圓柱體，因此考慮使用圓柱體反應(yīng)釜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)釜設(shè)計(jì)耐壓30 MPa，耐溫300℃，容積10 L，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

測(cè)試過(guò)程如下：

（1）實(shí)驗(yàn)前，對(duì)容器進(jìn)行氣密性檢查，打開(kāi)閥1、閥2、閥4向反應(yīng)釜注入1.5倍設(shè)計(jì)壓力的空氣，隨后每隔10 min降低10%壓力，直到降至設(shè)計(jì)壓力，穩(wěn)定30 min后用手持可燃?xì)怏w檢測(cè)儀檢測(cè)容器周圍可燃?xì)怏w濃度，觀察是否有密封不嚴(yán)現(xiàn)象。

（2）卸放上述容器中的空氣，關(guān)閉閥1、閥2、閥4，對(duì)容器抽真空至-0.09 MPa，利用氣體分壓法（氣體混合物的總壓強(qiáng)等于各單一氣體分壓和）對(duì)容器進(jìn)行配氣。打開(kāi)閥1、閥2、閥3，依次注入可燃?xì)怏w和空氣，靜置3 min混合均勻后打開(kāi)電點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火，觀察發(fā)生燃爆前后的壓力和溫度變化。大量研究表明，發(fā)生爆炸的瞬間，壓力會(huì)瞬間增大（1 s內(nèi)增大5～7倍），溫度也會(huì)急劇上升（最高可達(dá)300～400℃），因此以前后壓差值是否大于0.05 MPa作為發(fā)生燃爆的主要判定依據(jù)，同時(shí)由于反應(yīng)容器較小，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)溫度變化并不敏感，將溫差≥10℃作為輔助判定依據(jù)。

（3）不斷改變可燃?xì)怏w與空氣、氮?dú)獾谋壤?，采用逐步逼近法進(jìn)行測(cè)試，在同一條件下測(cè)試5次，每次間隔1 min，得到不同溫度、壓力下的可燃?xì)怏w的爆炸上下限及安全氧含量數(shù)值。

圖2 可燃?xì)怏w燃爆實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Blast test equipment for combustible gas

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)表1中實(shí)測(cè)可燃?xì)怏w的組分簡(jiǎn)化氣體組分，選用體積分?jǐn)?shù)為97%的CH4、1%的C2H6、1%的C3H8、1%的C4H10（不區(qū)分正構(gòu)或異構(gòu)丁烷比例）作為實(shí)驗(yàn)氣體，由于大部分陸上油田油藏溫度在80～100℃，地層壓力1～10 MPa，選擇實(shí)驗(yàn)溫度為40、60、80和100℃，壓力為1、5和10 MPa。

2.3 結(jié)果及分析

采用逐步逼近法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試爆炸下限時(shí)，當(dāng)可燃?xì)怏w在某濃度下發(fā)生爆炸，則減小其濃度直至不能發(fā)生爆炸的最小濃度；當(dāng)可燃?xì)怏w在某濃度下不發(fā)生爆炸，則增大其濃度直至發(fā)生爆炸的最小濃度。測(cè)試爆炸上限時(shí)同理，其中爆炸下限濃度步長(zhǎng)不大于上次濃度的10%，爆炸上限濃度步長(zhǎng)不大于上次濃度2%[5]。不同溫度、不同壓力下可燃?xì)怏w的爆炸極限測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和圖3、圖4。

表3 不同溫度、壓力下可燃?xì)怏w爆炸極限Tab.3 Explosion limits of combustible gas at different temperatures and pressures

圖3 不同溫度、壓力下可燃?xì)怏w爆炸下限Fig.3 Lower explosion limit of combustible gas at different temperatures and pressures

圖4 不同溫度、壓力下可燃?xì)怏w爆炸上限Fig.4 Upper explosion limit of combustible gas at different temperatures and pressures

由表3和圖3可知，當(dāng)壓力一定時(shí)，隨著溫度的上升，爆炸下限緩慢降低，但幅度不大；同樣當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著壓力的上升，爆炸下限緩慢降低，幅度不大。1 MPa、40℃較10 MPa、100℃條件下，爆炸下限僅從2.4%降低到1.6%，降低了0.8個(gè)百分點(diǎn)。由此可知，溫度和壓力對(duì)爆炸下限不敏感，這是由于下限附近雖然具有足夠的助燃物（氧氣過(guò)量），但由于可燃?xì)怏w濃度較小，通過(guò)改變溫度、壓力來(lái)提高化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度并不明顯，同時(shí)由于存在過(guò)量的空氣會(huì)對(duì)可燃?xì)怏w反應(yīng)產(chǎn)生冷卻作用，阻止分子之間發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

由表3和圖4可知，當(dāng)壓力一定時(shí)，隨著溫度的上升，爆炸上限不斷升高，但幅度不大。其中1 MPa條件下，溫度100℃較40℃時(shí)爆炸上限從27.2%上升到29.5%，增加了2.3個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著壓力的上升，爆炸上限大幅升高，其中40℃條件下，壓力10 MPa較1 MPa爆炸上限從27.2%上升到31.2%，增加了4個(gè)百分點(diǎn)。由此可見(jiàn)，溫度和壓力對(duì)爆炸上限均敏感，而且壓力的作用更強(qiáng)。這是由于爆炸上限處的氧氣不足，雖然隨著溫度的升高促進(jìn)了分子之間的熱運(yùn)動(dòng)，活性分子的活體被激活，但壓力的升高同樣會(huì)促使氣體分子之間的壓縮，增大了分子之間碰撞的機(jī)會(huì)，使化學(xué)反應(yīng)更容易進(jìn)行，即使氧含量較少，也能發(fā)生完全的燃爆反應(yīng)，此時(shí)壓力的作用更加明顯。

由此可以確定，在油藏溫度80～100℃、地層壓力1～10 MPa條件下，可燃?xì)怏w爆炸下限為1.6%～2.4%，爆炸上限為27.2%～36.1%，爆炸范圍為1.6%～36.1%，較之前理論分析所測(cè)得的爆炸范圍4.76%～14.72%更寬，增加了系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。

一般來(lái)說(shuō)，可通過(guò)控制可燃?xì)怏w的濃度（濃度控制在爆炸下限以下或爆炸上限以上，但氣體濃度在上限以上也不能證明是安全，也有可能發(fā)生燃燒，同時(shí)由于采出液的氣油比相對(duì)固定，改變可燃?xì)怏w濃度不易實(shí)現(xiàn)）或者是降低空氣中氧氣含量（在爆炸下限附近輸入一定比例濃度的惰性氣體N2），間接降低空氣中氧氣濃度，進(jìn)而測(cè)定安全氧含量[6]。

1 MPa、40℃條件下安全氧含量測(cè)定記錄見(jiàn)表4，其中燃爆用“+”表示，不燃爆用“-”表示。

采用逐步逼近法進(jìn)行測(cè)試。保持可燃?xì)怏w濃度為2.4%，將N2濃度由10%增加到30%均發(fā)生燃爆，當(dāng)增加到40%時(shí)，惰性氣體的增加降低了空氣中的氧含量，不發(fā)生燃爆；保持N2含量不變，將可燃?xì)怏w濃度增加至2.6%、3%后發(fā)生燃爆；隨后保持可燃?xì)怏w濃度3%不變，增加N2濃度到45%時(shí)可發(fā)生燃爆，再增加氮?dú)鉂舛鹊?0%時(shí)不發(fā)生燃爆。采用這種可燃?xì)怏w和N2濃度相互增加的方法測(cè)試出當(dāng)可燃?xì)怏w濃度無(wú)論如何增加，均不會(huì)發(fā)生燃爆的點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的氧氣含量即為安全氧含量（表4）。由此可見(jiàn)，1 MPa、40℃條件下安全氧含量為9.762 7%（表4）。同樣，根據(jù)上述方法，對(duì)其他溫度、壓力下的安全氧含量進(jìn)行測(cè)定，見(jiàn)表5。

表4 安全氧含量測(cè)定記錄（1 MPa，40℃）Tab.4 Safety oxygen content determination record（1 MPa，40℃）

表5 不同溫度、壓力下可燃?xì)怏w安全氧含量Tab.5 Safe oxygen content of combustible gas at different temperatures and pressures

409.14 10608.87 808.54 1008.27

由表5可知，安全氧含量在高溫高壓條件下與采用化學(xué)法或作圖法等理論計(jì)算相比均大幅降低，其中10 MPa、100℃條件時(shí)要求的安全氧含量最小為8.27%，較常溫常壓下兩種理論計(jì)算方式分別降低了1.75和4.49個(gè)百分點(diǎn)。這是由于溫度、壓力的上升，提高了化學(xué)反應(yīng)所需的惰性氣體鈍化濃度，分子之間的運(yùn)動(dòng)更加劇烈，單位時(shí)間內(nèi)分子碰撞的機(jī)會(huì)更大，因此降低了系統(tǒng)安全系數(shù)，導(dǎo)致發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性更大。

2.4 數(shù)據(jù)擬合

在相同壓力下，可燃?xì)怏w的初始溫度與爆炸極限是一一對(duì)應(yīng)的，為了方便現(xiàn)場(chǎng)快速地對(duì)不同壓力、溫度下的燃爆特性進(jìn)行測(cè)算，運(yùn)用MATLAB中的polyfit和polyval兩個(gè)命令對(duì)數(shù)值進(jìn)行二次多項(xiàng)式函數(shù)線性擬合，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同壓力下爆炸極限和安全氧含量的擬合函數(shù)Tab.6 Fitting function of explosion limit and safe oxygen content under different pressures

3 結(jié)論

（1）在101.325 kPa、20℃條件下，應(yīng)用理論計(jì)算出可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸極限為4.76%～14.72%，用化學(xué)法和作圖法計(jì)算出安全氧含量分別為10.02%、12.76%。

（2）在高溫高壓條件下，溫度、壓力的升高對(duì)可燃?xì)怏w爆炸下限不敏感，對(duì)爆炸上限很敏感，隨著溫度、壓力的升高爆炸極限的范圍變寬，由常溫常壓下的4.76%～14.72%增加到1.6%～36.1%。

（3）運(yùn)用Matlab給出了不同壓力下可燃物爆炸極限與安全氧含量關(guān)于溫度的二次線性函數(shù)，可用于相近溫度、壓力下的燃爆特性預(yù)測(cè)。

（4）下一步應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)擬合，充分考慮點(diǎn)火能量、惰性氣體濃度、溫度、壓力、可燃?xì)怏w濃度、氧氣濃度對(duì)燃爆特性的影響。