注空氣驅油工藝燃爆實驗研究

趙利慶 楊國駿 李紅波 樊春峰 耿榮燕 梁昌晶

1中國石油華北油田分公司第一采油廠

2中國石油青海油田分公司基建工程處

3中國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劃設計有限公司

注空氣驅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生低溫氧化反應，生成CO2、CO氣體，并釋放出大量的熱，形成由N2和CO2構成的煙道氣驅，同時原油體積膨脹，黏度降低。注空氣技術已成為除熱采之外發展較快的提高采收率的新方法[1]，實驗表明，空氣驅能夠在水驅的基礎上大幅提高采收率，同時相比其他氣體驅替方式（注N2、注CO2）具有操作簡單、成本低廉的特點。

在注空氣過程中，由于空氣與原油反應不完全，剩余氧氣在地層、井筒及地面中與原油中揮發出來的溶解氣混合，在遇到明火時，具備了發生燃燒或爆炸的三要素，體系危險性增大。基于國內已實施注空氣驅油（遼河、吐哈油田）的實際操作數據以及國外BP、挪威石油等現場數據，認為注入氧含量為5%（體積分數，下同）的空氣是安全的，當氧含量＞5%時應啟動安全預警信號，并采取必要的壓井或關井措施。但對安全氧含量的具體數值目前還未明確，且之前國內關于原油蒸汽的燃爆實驗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]，因此有必要對高溫高壓地層條件下可燃物的爆炸極限及安全氧含量進行實驗和測定，以便指導現場作業，確保注空氣過程中的安全。

1 理論計算

1.1 可燃氣體爆炸極限

首先，取試驗區塊生產井的套管氣依據GB/T 13610—2014《天然氣的組成分析氣相色譜法》進行分析，組分中C5+所占的體積分數較小，因此進行簡化，同時除去助燃氣體O2和惰性組分N2、CO2，將各可燃氣體的體積濃度進行重組，得到100%的全組分可燃氣體，具體見表1。

表1 實測可燃氣體組分體積分數Tab.1 Volume fraction of actual combustible gas components %

當已知各組分的爆炸極限時，可以根據Le Chatelier公式計算多組分可燃氣體與空氣組合的爆炸性混合物的爆炸極限，即

式中：Cm為多組分可燃氣混合物在空氣或氧氣中的爆炸極限，%；Vi為i組分在混合氣體中的體積分數，%，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《常用化學品安全手冊》取表2中數值。

表2 單一可燃氣體爆炸極限（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）得到可燃氣在空氣中的爆炸下限為

同理，計算出可燃氣體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 化學法

參考標準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數等于其摩爾分數[4]，因此可以將混合氣體等效看成含C、H、O的單一氣體，分子簡式記為CnHmOλ。假設可燃氣體與氧氣充分燃燒，化學反應式為

依據表1數據計算得到

此時可燃氣體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

構建一個等邊三角形，三個頂點為F、O、N，分別代表可燃氣體、氧氣和氮氣，FO線為甲烷體積分數，FN線為氧氣體積分數，ON線為氮氣體積分數。將每條邊等分成100個單位，在FO邊上標出可燃氣體在氧氣中的爆炸上下限的點 X11、X12，在ON上以20.95%的空氣中氧含量數值標出空氣點A，連接FA即為空氣組分線；在FA邊上標出可燃氣體在空氣中的爆炸上下限的點X1、X2，分別連接 X11、X1以及 X12、X2并延長相交于點C，作點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 實驗

運用化學法和作圖法可以簡便得到不同可燃氣體組分下的安全氧含量限值，但都是基于常溫常壓下進行的，對于高溫高壓地層環境下井筒中可燃氣體的燃爆特性及安全氧含量限值需要進行實驗研究。

2.1 實驗裝置及測試過程

整個實驗裝置由注氣系統、高溫高壓反應釜、點火系統、信息采集及控制系統組成。其中高溫高壓反應釜為核心部件，按照ASTM E2079—2007推薦應選用球形容器，因為球形容器可以很好地控制中心點火點，保證燃爆實驗的測試結果。但國內對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釜進行實驗。反應釜設計耐壓30 MPa，耐溫300℃，容積10 L，實驗裝置見圖2。

測試過程如下：

（1）實驗前，對容器進行氣密性檢查，打開閥1、閥2、閥4向反應釜注入1.5倍設計壓力的空氣，隨后每隔10 min降低10%壓力，直到降至設計壓力，穩定30 min后用手持可燃氣體檢測儀檢測容器周圍可燃氣體濃度，觀察是否有密封不嚴現象。

（2）卸放上述容器中的空氣，關閉閥1、閥2、閥4，對容器抽真空至-0.09 MPa，利用氣體分壓法（氣體混合物的總壓強等于各單一氣體分壓和）對容器進行配氣。打開閥1、閥2、閥3，依次注入可燃氣體和空氣，靜置3 min混合均勻后打開電點火器進行點火，觀察發生燃爆前后的壓力和溫度變化。大量研究表明，發生爆炸的瞬間，壓力會瞬間增大（1 s內增大5～7倍），溫度也會急劇上升（最高可達300～400℃），因此以前后壓差值是否大于0.05 MPa作為發生燃爆的主要判定依據，同時由于反應容器較小，在短時間內對溫度變化并不敏感，將溫差≥10℃作為輔助判定依據。

（3）不斷改變可燃氣體與空氣、氮氣的比例，采用逐步逼近法進行測試，在同一條件下測試5次，每次間隔1 min，得到不同溫度、壓力下的可燃氣體的爆炸上下限及安全氧含量數值。

圖2 可燃氣體燃爆實驗裝置Fig.2 Blast test equipment for combustible gas

2.2 實驗條件

根據表1中實測可燃氣體的組分簡化氣體組分，選用體積分數為97%的CH4、1%的C2H6、1%的C3H8、1%的C4H10（不區分正構或異構丁烷比例）作為實驗氣體，由于大部分陸上油田油藏溫度在80～100℃，地層壓力1～10 MPa，選擇實驗溫度為40、60、80和100℃，壓力為1、5和10 MPa。

2.3 結果及分析

采用逐步逼近法進行測試。測試爆炸下限時，當可燃氣體在某濃度下發生爆炸，則減小其濃度直至不能發生爆炸的最小濃度；當可燃氣體在某濃度下不發生爆炸，則增大其濃度直至發生爆炸的最小濃度。測試爆炸上限時同理，其中爆炸下限濃度步長不大于上次濃度的10%，爆炸上限濃度步長不大于上次濃度2%[5]。不同溫度、不同壓力下可燃氣體的爆炸極限測試結果見表3和圖3、圖4。

表3 不同溫度、壓力下可燃氣體爆炸極限Tab.3 Explosion limits of combustible gas at different temperatures and pressures

圖3 不同溫度、壓力下可燃氣體爆炸下限Fig.3 Lower explosion limit of combustible gas at different temperatures and pressures

圖4 不同溫度、壓力下可燃氣體爆炸上限Fig.4 Upper explosion limit of combustible gas at different temperatures and pressures

由表3和圖3可知，當壓力一定時，隨著溫度的上升，爆炸下限緩慢降低，但幅度不大；同樣當溫度一定時，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個百分點。由此可知，溫度和壓力對爆炸下限不敏感，這是由于下限附近雖然具有足夠的助燃物（氧氣過量），但由于可燃氣體濃度較小，通過改變溫度、壓力來提高化學反應的強度并不明顯，同時由于存在過量的空氣會對可燃氣體反應產生冷卻作用，阻止分子之間發生鏈式反應。

由表3和圖4可知，當壓力一定時，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℃時爆炸上限從27.2%上升到29.5%，增加了2.3個百分點；當溫度一定時，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個百分點。由此可見，溫度和壓力對爆炸上限均敏感，而且壓力的作用更強。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了分子之間的熱運動，活性分子的活體被激活，但壓力的升高同樣會促使氣體分子之間的壓縮，增大了分子之間碰撞的機會，使化學反應更容易進行，即使氧含量較少，也能發生完全的燃爆反應，此時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，可燃氣體爆炸下限為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得的爆炸范圍4.76%～14.72%更寬，增加了系統的危險性。

一般來說，可通過控制可燃氣體的濃度（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，也有可能發生燃燒，同時由于采出液的氣油比相對固定，改變可燃氣體濃度不易實現）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，進而測定安全氧含量[6]。

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

采用逐步逼近法進行測試。保持可燃氣體濃度為2.4%，將N2濃度由10%增加到30%均發生燃爆，當增加到40%時，惰性氣體的增加降低了空氣中的氧含量，不發生燃爆；保持N2含量不變，將可燃氣體濃度增加至2.6%、3%后發生燃爆；隨后保持可燃氣體濃度3%不變，增加N2濃度到45%時可發生燃爆，再增加氮氣濃度到50%時不發生燃爆。采用這種可燃氣體和N2濃度相互增加的方法測試出當可燃氣體濃度無論如何增加，均不會發生燃爆的點，此時對應的氧氣含量即為安全氧含量（表4）。由此可見，1 MPa、40℃條件下安全氧含量為9.762 7%（表4）。同樣，根據上述方法，對其他溫度、壓力下的安全氧含量進行測定，見表5。

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

表5 不同溫度、壓力下可燃氣體安全氧含量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法或作圖法等理論計算相比均大幅降低，其中10 MPa、100℃條件時要求的安全氧含量最小為8.27%，較常溫常壓下兩種理論計算方式分別降低了1.75和4.49個百分點。這是由于溫度、壓力的上升，提高了化學反應所需的惰性氣體鈍化濃度，分子之間的運動更加劇烈，單位時間內分子碰撞的機會更大，因此降低了系統安全系數，導致發生爆炸的危險性更大。

2.4 數據擬合

在相同壓力下，可燃氣體的初始溫度與爆炸極限是一一對應的，為了方便現場快速地對不同壓力、溫度下的燃爆特性進行測算，運用MATLAB中的polyfit和polyval兩個命令對數值進行二次多項式函數線性擬合，結果見表6。

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

3 結論

（1）在101.325 kPa、20℃條件下，應用理論計算出可燃氣體在空氣中的爆炸極限為4.76%～14.72%，用化學法和作圖法計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、壓力的升高對可燃氣體爆炸下限不敏感，對爆炸上限很敏感，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）運用Matlab給出了不同壓力下可燃物爆炸極限與安全氧含量關于溫度的二次線性函數，可用于相近溫度、壓力下的燃爆特性預測。

（4）下一步應繼續開展實驗和數據擬合，充分考慮點火能量、惰性氣體濃度、溫度、壓力、可燃氣體濃度、氧氣濃度對燃爆特性的影響。