管九洲

摘 要：吞吐稠油開發(fā)后期，利用廉價空氣進行保壓開采，已成為改善周期吞吐效果新技術(shù)。注空氣對吞吐稠油具有保壓增能、助排、調(diào)整吸汽剖面等良好作用。試驗表明，注空氣對吞吐稠油開發(fā)中后期增產(chǎn)潛力巨大。通過理論研究及爆炸實驗，確定氧氣爆炸極限。并確定了安全風險源、制定安全控制措施，為保障現(xiàn)場試驗安全奠定了基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞：稠油;注空氣;風險分析;安全控制

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1448-04

Analysis and Control of Oil and Gas Explosion During

Air Injection for Heavy Crude Oil Development

GUAN Jiu-zhou

（Shuguang Oil Production Plant， Liaoning Panjin 124109， China）

Abstract： In the later stage of heavy oil stimulation development， cheap air is always used to keep formation pressure， which has become a new technology of improving cycle stimulation effect. Air injection for stimulation of heavy oil has many functions， such as keeping formation pressure， cleanup， adjusting the steam absorption profile and so on. The experiment shows that air injection has huge potential to increase production of heavy oil in mid and late development. In this paper， through the theoretical research and explosion experiment， the explosion limit was determined as well as the risk sources， and control measures were put forward.

Key words： heavy oil; air injection; risk analysis; safety control

我國稠油資源豐富，目前年產(chǎn)量已突破1000萬t[1]。主要采取注蒸汽吞吐熱采方式[2]。吞吐稠油開發(fā)后期，利用廉價空氣進行保壓開采[3]，已成為改善周期吞吐效果新技術(shù)。遼河油田曙光采油廠自2008年10月首次進行吞吐稠油注空氣采油試驗，至今已試驗300多井次，增產(chǎn)原油6.8萬t。該技術(shù)對開發(fā)后期吞吐稠油具有巨大增產(chǎn)潛力，具有廣闊的推廣應用前景。

幾年來，不斷總結(jié)現(xiàn)場試驗經(jīng)驗，分析注空氣、注蒸汽、燜井和開采過程風險，通過計算進行安全評價，對現(xiàn)場工況條件尾氣進行爆炸實驗，確定安全氧含量極限，形成人防、技防一整套現(xiàn)場安全控制體系，為吞吐稠油注空氣技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 吞吐稠油注空氣安全評價

氣體爆炸[4]必須有三個基本條件：有合適濃度的燃料氣體、有合適濃度的氧氣、有足夠能量的點火源。每種燃料氣體在氧氣或在空氣中都有一個可以發(fā)生爆炸的濃度范圍。超出這個范圍，即使用很強的點火源也不能激發(fā)爆炸，這個濃度范圍叫做爆炸極限[5]。

1.1 三爆炸極限影響因素分析

（1）原始溫度

爆炸性氣體混合物原始溫度越高，活性分子相應增加，爆炸極限范圍越寬。

（2）原始壓力

在增加壓力情況下，爆炸極限變化不大。壓力增加，物質(zhì)分子間距縮小，碰撞幾率增加一般壓力增加，爆炸極限范圍擴大，且壓力升高對上限提高的影響較為顯著。當壓力降到某一數(shù)值時，其上限即與下限重合，出現(xiàn)一個臨界值，若壓力再下降，氣體便不燃不爆。

（3）容器

容器的大小對爆炸極限也有影響。實驗證明，容器直徑越小，爆炸范圍越窄。隨容器或管道直徑的減小，單位體積的氣體就有更多的熱量消耗在管壁上。當散出熱量等于火焰放出能量的23%時，火焰即會熄滅，所以熱損失的增加必然降低火焰的傳播速度并影響爆炸極限。能持續(xù)燃燒的條件是新生自由基數(shù)量必須等于或大于消失自由基數(shù)。隨著管徑縮小，自由基與反應分子間的碰撞幾率也不斷減少，而自由基與器壁碰撞的概率反而不斷增大，當器壁間距小到某一數(shù)值時，這種器壁效應就會使火焰無法繼續(xù)。

（4）惰性介質(zhì)

若混合物中加入惰性氣體，則爆炸極限范圍縮小，惰性氣體的提高到某值時，可使混合物不燃不爆。圖1表明了加入惰性氣體（N2、CO2、Ar、He、CCl4、水蒸氣）對甲烷混合氣爆炸極限的影響。由圖可見，隨惰性氣體的增加對上限的影響較之對下限的影響更顯著。

圖1 各種惰性氣體濃度對甲烷爆炸極限的影響

Fig.1 A variety of inert gas concentration of methane explosion limit

（5）點火能源

點火源，如火花的能量、熱表面的面積、火源與混合物的接觸時間等，對爆炸極限均有影響。例如，甲烷當電壓為100 V，電流強度為2 A時其爆

炸界限為5.9%～13.6%，而當電流強度為3 A時，

爆炸界限為5.85%～14.8%。一般情況下，點火源能量越大、持續(xù)時間越長，則爆炸極限范圍越寬。各種爆炸性混合物都有一個最低引爆能量，一般在接近于理論混合比例時出現(xiàn)。除了上述因素外，光的作用對爆炸極限也有影響。

（6）火焰的傳播方向（點火位置）

當在爆炸極限測試管中進行爆炸極限測定時，可發(fā)現(xiàn)在垂直的測試管中于下部點火，火焰由下向上傳播時，爆炸下限值最小，上限值最大;當于上部點火時，火焰向下傳播，爆炸下限值最大，上限值最小;在水平管中測試時，爆炸上下限值介于前兩者之間。

（7）含氧量

空氣中的（O2）為21%，當混合氣中（O2）增加時，爆炸極限范圍變寬。由于當處于空氣中爆炸的下限時，其組分中的（O2）已經(jīng)很高，故增加（O2）對爆炸下限的影響不大;而增加（O2）使上限顯著增加，是由于氧取代了空氣中的氮，使反應更容易進行。

1.2 爆炸風險分析

吞吐稠油中可燃氣主要成分是甲烷，注空氣爆炸可能發(fā)生的幾個環(huán)節(jié)：

①注空氣前井筒中有可燃氣體，開始注入空氣過程，甲烷與空氣中氧氣混合達到爆炸濃度，遇明火爆炸。

②空氣注入油層，氧化反應不完全，或直接氣竄至相臨井，氧含量超標，遇到明火爆炸，主要發(fā)生生產(chǎn)井井口、采油站、集輸，導致事故發(fā)生。

③注完空氣后，油井壓力下降，油層甲烷返吐到井筒中，且甲烷與空氣中氧氣混合達到爆炸濃度，注蒸汽時產(chǎn)生火花發(fā)生爆炸。

本文主要對以上三個階段進行分析和制定控制措施。

1.3爆炸極限理論計算

1.3.1多元爆炸性混合氣體爆炸極限計算

多種可燃有機蒸汽和空氣與氧氣混合，其可燃部分爆炸極限可用下式計算[6]：

（1）

（2）

式中 L0，U0—混合氣體中可燃部分的爆炸下、上限，%;

Li，Ui—各可燃氣體組分的爆炸下、上限，%;

Ni—各組分氣體的體積比。

多元爆炸性混合氣體的熱力性質(zhì)取決于組成氣體的種類及組成成分。

1.3.2 高溫高壓條件下有機蒸汽爆炸極限計算

（1） 高溫狀況下

對于可燃有機蒸汽或氣體，隨著溫度的升高，爆炸濃度上、下限的寬度會增加，溫度增高10 ℃，其在空氣中的爆炸下限大約降低8%，而其上限將提高8%，爆炸極限與溫度的數(shù)學模型公式如下：

Lt=L25（1-8×10-4（t-25）） （3）

Ut=u25（1+8×10-4（t-25）） （4）

式中： Lt，Ut —溫度為t時爆炸下、上限，%;

L25，u25—溫度為25 ℃時爆炸下、上限，%;

t—燃氣溫度，℃。

（2） 高壓狀況下

根據(jù)燃氣燃燒和爆炸理論，隨著壓力的升高，爆炸濃度上、下限的寬度一般會增加，且對上限的影響較大，當可燃有機蒸汽或氣體的壓力高于常壓，又低于20.7 MPa時的爆炸上限Up，取決于壓力的對數(shù)，可用下式進行計算：

Up=u+20.6（lgP+1） （5）

式中： Up—壓力為P時的爆炸上限，%;

u—可燃蒸汽常壓（0.1 MPa）下爆炸上限，%;

P—可燃蒸汽系統(tǒng)的實際壓力，MPa。

1.4爆炸極限理論計算結(jié)果

主要針對高溫空氣注入階段和燜井階段進行理論計算。

1.4.1 高溫空氣注入階段

空氣注入過程中，稠油被氧化。原油中可燃氣體主要是由于溫度升達到初餾點，開始產(chǎn)生可燃氣。

通過實驗可知稠油和氧化稠油有所不同。但初餾點在90℃以上，30%的餾程在300 ℃以下，為安全計算保險系數(shù)高，揮發(fā)出來的烴類氣體正庚烷來計算。

假設(shè)地層壓力為15 MPa，近井溫度為100 ℃，已知正庚烷100 ℃的飽和蒸汽壓106.1 kPa，得出地層壓力下正庚烷與空氣的體積比：

=

因此，可燃氣體所占體積百分比為：

經(jīng)查正庚烷爆炸下限、上限分別為：L0=1.05，U0=6.7;

應用IAST注空氣安全評價軟件計算可燃氣體體積分數(shù)為0.707%、溫度100 ℃、壓強15 MPa、烷烴碳數(shù)范圍5～7時，得到100 ℃時的爆炸下限為0.987%，和上限為51.930%。所以100 ℃、15 MPa時可燃氣體體積分數(shù)為0.707%，不在爆炸范圍之內(nèi)所以是安全的。

1.4.2 注蒸汽及燜井階段

依據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果，稠油為完全氧化反應過程中，氧含量小于6.47%。

經(jīng)過計算，注入空氣12×104 Nm3 空氣，可燃氣體在混合氣體中的所占比例0.182%。應用IAST注空氣安全評價軟件計算可燃氣體體積百分比為0.182%、溫度200 ℃、壓強15 MPa、烷烴碳數(shù)范圍5～7時，得到200 ℃，15 MPa時的爆炸下限0.903%，上限為52.465%，此時烴類氣體體積分數(shù)為0.182%，而此時的氧氣含量6.47%，均不在爆炸范圍之內(nèi)，所以是安全的。

1.5現(xiàn)場工況條件下尾氣爆炸實驗

以曙一區(qū)杜80塊、杜210塊、杜66塊有代表性的幾十組不同氣體組分進行燃爆實驗，獲取了爆炸島圖，見圖2。無論在任何條件下，氧氣濃度控制在10.47%以下，就不會存在爆炸風險。

圖2 現(xiàn)場工況條件下爆炸導圖

Fig.2 Explosion map under field operating conditions

2 安全控制措施

2.1 采用催化劑提高氧含量消耗速率

注空氣前，加入催化劑，加速氧氣消耗，48 h內(nèi)，氧含量降低到5%以下。如圖3所示，反應條件為200 ℃，反應48 h，注氣壓力1.2 MPa，催化氧化（用量3 t/10 Nm3空氣）條件下，含氧量從20.53%下降到2.71%，與不加催化劑對比， 氧氣消耗速率提高31.4%，可有效保障現(xiàn)場試驗安全。

圖3 反應后的尾氣組成分析

Fig.3 Analysis of exhaust gas composition after the reaction

2.2 氧含量監(jiān)測

制定現(xiàn)場氧含量操作作法，規(guī)定了監(jiān)測手段、監(jiān)測范圍、監(jiān)測時間間隔、監(jiān)測等級以及特殊作業(yè)井監(jiān)測注意事項。結(jié)合稠油吞吐特點，規(guī)定氧含量超標預警值為5%，超過預警值啟動應急處理預案。

2.3 優(yōu)化工藝消除風險源

現(xiàn)場試驗中，通過施工工序的不斷完善，有效消除爆炸風險源。經(jīng)過300多井次不同類型井現(xiàn)場試驗，從未發(fā)生爆炸，有效保障了現(xiàn)場試驗安全。

①注空氣前，由油套空間和油管補充1 000方氮氣，頂替套管氣，使井筒內(nèi)無可燃氣;

②注空氣過程中，當鄰近生產(chǎn)井套管壓力升高1 MPa，從油套環(huán)空注氮氣1 000 m3，將可燃氣頂替到油層。當氧含量超過5%，補充氮氣1 000 m3并關(guān)井;

③相鄰近井采取進高架罐生產(chǎn)方式;

④注完空氣后，油管和油套環(huán)空分別注氮氣

1 000 m3和2 000 m3，并直接注蒸汽，中間間隔時間不能超過5 h。

⑤需要在監(jiān)測井井口、采油站、集輸動明火時，監(jiān)測氧氣含量為0時方可動工;

⑥對注氣井相鄰300 m內(nèi)生產(chǎn)井、撈油井、作業(yè)井、長停井做好防噴措施。

3 結(jié) 論

（1）高溫高壓條件下有機蒸汽的爆炸極限計算結(jié)果表明，在注空氣、注蒸汽燜井階段可燃氣體組份均在安全范圍內(nèi);

（2）通過注入催化劑，可急速氧氣消耗，在48 h內(nèi)可使氧氣濃度降低到5%以下，可有效保障注入過程相鄰井的生產(chǎn)安全;

（3）爆炸實驗結(jié)果表明，只要氧氣濃度控制在10.47%以下，就不會存在爆炸風險。

（4）完善施工工藝，有效消除爆炸風險源，是避免發(fā)生事故的主動性防范措施，對保障現(xiàn)場試驗安全十分必要。

參考文獻：

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