空氣驅(qū)提高采收率燃性氣體安全因素分析

郭 亮，符 卉，雷 宏，張 博

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)油田股份有限公司西區(qū)采油廠，陜西延安 717500）

注空氣驅(qū)油是一項(xiàng)非常有效的提高原油采收率（EOR）技術(shù)。其中注空氣低溫氧化技術(shù)既適用于注水油田后期高含水的三次采油，也適用于注水困難的低滲油田的二次采油。隨著油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，油井綜合含水率上升，油田開發(fā)難度加大，開采成本升高，如何保持油田高效生產(chǎn)成為開發(fā)面臨的主要課題。注氣采油作為提高原油采收率的重要方法之一越來(lái)越受到人們的重視[1]，對(duì)于低滲輕質(zhì)油藏，注空氣提高采收率不僅具有傳統(tǒng)注氣直接產(chǎn)生的驅(qū)替效果，氧氣還會(huì)在注入過(guò)程中產(chǎn)生其他附加效果，空氣與原油接觸后會(huì)發(fā)生的低溫氧化反應(yīng)，氧氣在這一反應(yīng)過(guò)程中被消耗生成碳氧化物，同時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)升高油層溫度，部分輕質(zhì)組分便會(huì)因此蒸發(fā)[2]、[3]。注入的空氣經(jīng)過(guò)低溫氧化反應(yīng)后在油層內(nèi)形成了新的混合氣體包括CO、CO2、N2以及輕烴組分氣體，被稱作煙道氣。而空氣驅(qū)的另一優(yōu)勢(shì)在于其成本低廉，且來(lái)源廣泛，因此實(shí)際應(yīng)用價(jià)值巨大。

1 井下可燃?xì)怏w的爆炸極限影響因素

可燃?xì)怏w發(fā)生燃燒和爆炸的三個(gè)基本物質(zhì)因素是：氧氣、可燃?xì)怏w以及點(diǎn)火能量。而燃燒爆炸，不僅需要氧氣和可燃?xì)獾拇嬖冢€有一個(gè)重要條件即氧氣與可燃?xì)馀浔确媳ㄒ螅涸谘鹾扛哂谂R界氧含量的情況下，可燃?xì)庠谘鯕馀c可燃?xì)獾幕旌衔镏袧舛缺仨毺幱诒O限之外，即低于爆炸上限且高于爆炸下限，滿足這樣的條件，足夠的點(diǎn)火能量就會(huì)引發(fā)燃燒或爆炸。燃燒與爆炸[4]是可燃性氣體關(guān)聯(lián)緊密兩個(gè)特性，爆炸反應(yīng)實(shí)質(zhì)就是瞬時(shí)間發(fā)生的極其劇烈的燃燒反應(yīng)。若密閉空間中發(fā)生燃燒，由此產(chǎn)生的大量高溫氣體會(huì)增大系統(tǒng)壓力，燃燒就會(huì)在某一瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)楸ā?/p>

1.1 氧含量

可燃?xì)怏w在空氣和純氧氣中的爆炸極限范圍比較（見表1）。可見混合物中含氧量增加，爆炸極限范圍擴(kuò)大，尤其是爆炸下限提高的更多。

1.2 可燃性氣體的種類及其化學(xué)性質(zhì)

可燃?xì)怏w的爆炸極限亦會(huì)受分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能力強(qiáng)弱的影響，對(duì)于碳?xì)浠衔锒裕珻-C 型單鍵結(jié)構(gòu)牢固，分子相對(duì)不易受到破壞使其反應(yīng)能力相對(duì)較弱，爆炸極限范圍因此較小；C≡C 型三鍵結(jié)構(gòu)碳鍵較為脆弱，分子結(jié)構(gòu)較易破壞而化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)，爆炸極限范圍因此較大；C=C 型二鍵碳?xì)浠衔锉ǚ秶橛贑-C 型單鍵和C≡C 型三鍵之間，見表2。對(duì)于同類烴化合物，爆炸極限范圍往往會(huì)隨碳原子數(shù)的增加而減小。除此之外導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)影響爆炸極限范圍，導(dǎo)熱系數(shù)高則導(dǎo)熱速度快，爆炸極限范圍因此增大

表1 可燃?xì)怏w在空氣和純氧中的爆炸板限范圍

表2 爆炸極限受各類可燃?xì)怏w化學(xué)性質(zhì)的影響

1.3 初始溫度

爆炸性氣體混合物的原始溫度越高，爆炸極限的范圍會(huì)變的越大，即爆炸下限和爆炸上限會(huì)因此分別降低和增高。系統(tǒng)整體溫度升高，其中分子內(nèi)能會(huì)增加，處于激發(fā)態(tài)的氣體分子數(shù)量會(huì)上升，原本不可燃的氣體混合物便會(huì)因此變的可燃、甚至可爆。因此，爆炸危險(xiǎn)性同溫度成正比。

根據(jù)Burgess-Wheeler 法則，Zabetakis等人給出修正式：

式中：t—t℃時(shí)的溫度，℃；Lc—25℃時(shí)的爆炸下限，%；Lt—t℃時(shí)的爆炸下限，%。

1.4 初始?jí)毫?/h3>

爆炸極限會(huì)因混合物的原始?jí)毫Σ煌兓邏呵闆r下，爆炸極限范圍也會(huì)較低壓更大，主要體現(xiàn)在爆炸上限的顯著提高，而爆炸下限往往不會(huì)有明顯變化。反之，低壓情況下，爆炸極限的范圍較小，壓力低至一定程度時(shí)，爆炸下限與爆炸上限會(huì)趨于近似值，隨著壓力的進(jìn)一步降低，會(huì)達(dá)到混合氣體的爆炸臨界壓力，此壓力下爆炸極限縮小為零，混合物則會(huì)進(jìn)入不可爆炸狀態(tài)。

1.5 惰性氣體的影響

不利于燃燒的惰性氣體會(huì)顯著改變混合燃?xì)獾谋O限，包括氮?dú)狻⒍趸肌⑺魵狻濉⒑さ取１O限范圍會(huì)隨著惰性氣體在混合物中的體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，在其體積分?jǐn)?shù)提高到某一直時(shí)，混合物亦會(huì)進(jìn)入不可爆炸狀態(tài)。一般情況下，惰性氣體對(duì)爆炸混合物爆炸上限的影響大于對(duì)爆炸下限的影響。

除上述因素造成的影響，可燃?xì)馀c空氣混合的均勻程度、點(diǎn)火源的形式及其所處系統(tǒng)中的位置、爆炸空間的幾何形狀與大小等也會(huì)對(duì)爆炸極限形成影響。

2 可燃?xì)怏w爆炸極限與臨界氧含量

2.1 爆炸極限

單組分可燃?xì)怏w混合物的爆炸極限算式如下，（2）和（3）式：

式中：CL—單組分燃性氣體濃度爆炸下限，%；CU—單組分燃性氣體濃度爆炸上限，%；N—混合物燃燒完全所需要的氧原子總數(shù)。

式（4）可估算多組分可燃?xì)怏w混合物的爆炸極限，其數(shù)值介于單組分可燃?xì)怏w混合物的極限值之間：

式中：Cmin—多組分可燃?xì)怏w混合物爆炸極限，%；V1，V2，V3，…，Vn—混合氣體中的各組分氣體所占的體積分?jǐn)?shù)，%；C1，C2，C3，…，Cn—混合氣體中各組分氣體各自的爆炸界限，%。

影響氣體爆炸的因素很多，實(shí)際生產(chǎn)條件下的爆炸極限應(yīng)在估算的基礎(chǔ)上通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出。

2.2 臨界氧含量的計(jì)算

可燃性氣體與氧氣發(fā)生完全燃燒時(shí)，化學(xué)反應(yīng)式見式（5）：

式中：λ—氧原子數(shù)；m—?dú)湓訑?shù)；n—碳原子數(shù)。

在可燃性氣體體積分?jǐn)?shù)為爆炸下限L 時(shí)，此時(shí)反應(yīng)為富氧狀態(tài)，若體積分?jǐn)?shù)為L(zhǎng)，理論臨界氧含量（也叫理論最小氧體積分?jǐn)?shù)）見式（6）：

式中：C（O2）—可燃性氣體的理論臨界氧含量，%；L—可燃性氣體的爆炸下限也為其體積分?jǐn)?shù)，%；N—每摩爾可燃?xì)怏w完全燃燒時(shí)所需要的氧分子個(gè)數(shù)。

經(jīng)計(jì)算烷烴爆炸下限時(shí)需要的理論臨界氧含量（見表3）。

表3 25℃時(shí)烷烴爆炸下限理論氧含量

對(duì)于井下高溫高壓條件下氧的安全限值則需要進(jìn)一步結(jié)合壓力、溫度、惰性氣體等上述對(duì)爆炸極限產(chǎn)生主要影響的幾大因素對(duì)臨界氧含量進(jìn)行研究分析。

3 結(jié)論

（1）燃性氣體的燃爆極限和臨界氧含量受初始溫度、壓力、氧含量、點(diǎn)火能量的大小位置和惰性氣體等因素的影響，氣體的爆炸范圍會(huì)隨著壓力、溫度和氧含量的升高而變寬，爆炸危險(xiǎn)性增大；臨界氧含量會(huì)隨著溫度、壓力的升高而降低，研究可燃性氣體的爆炸理論能為實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

（2）烷烴物質(zhì)中，其他烷烴類化合物的理論臨界氧含量皆高于甲烷。大多數(shù)石油產(chǎn)物常溫常壓的理論臨界氧含量約為10%左右，氧含量在低于這個(gè)值時(shí)不會(huì)發(fā)生爆炸。

（3）由于產(chǎn)出氣相的成分比較復(fù)雜，而不同油井產(chǎn)出氣的含量及成分也不一樣，因此，在燃爆特性實(shí)驗(yàn)中選用甲烷代表可燃?xì)怏w進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明，利用甲烷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)具有很好的代表性和保守性，測(cè)定的甲烷臨界氧含量安全值完全可用于天然氣或其他石油產(chǎn)物。

［1］王杰祥，張琪，李愛山，張紅玲，劉均榮，張紅.注空氣驅(qū)油室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，27（4）：73-75.

［2］張霞林，張義堂，吳永彬，等.油藏注空氣提高采收率開采技術(shù)［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）：80-84.

［3］Watts B.C.，Hall T.E，Petri D.J—The Horse Creek Air Injection Project：An Overview ［DB/0L］.SPE 38359-MS，1997-05-18.

［4］張?jiān)隽?可燃?xì)怏w（液體蒸氣）的爆炸極限與最大允許氧含量的對(duì)比研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（12）:64-68.