楊釗 宋洋 韓爽 徐泰喜

摘 ?????要： 減氧空氣驅通過補充地層能量、依靠重力分異作用來增加油藏上部驅替效果，從而提高波及系數(shù)與驅油效率，該技術作為低滲透非常規(guī)油氣藏能量補充的新途徑，是未來幾十年內具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略性技術。通過開展室內注空氣爆炸極限實驗，對減氧空氣驅注空氣過程中不同可燃氣體爆炸特性與影響因素進行研究，分析混合氣體中不同組分爆炸極限、臨界氧含量以及不同溫度、壓力條件下對爆炸極限的影響規(guī)律，并進一步建立減氧空氣驅理想模型，對注入氣含氧量進行數(shù)值模擬，最后結合實驗數(shù)據(jù)分析注入氣含氧量的最優(yōu)值百分比。

關 ?鍵 ?詞：減氧空氣驅;爆炸極限;臨界氧含量;碳氫化合物;數(shù)值模擬

中圖分類號：TE357.7 ??????文獻標識碼：?A ?????文章編號： 1671-0460（2020）03-0559-06

Eeperimental?Research on Explosion Limit of

Air Injection With Deoxygenated Air

YANG?Zhao， SONG?Yang， HAN Shuang， XU Tai-xi

（College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： The oxygen-reduced air flooding increases the displacement effect and the oil displacement efficiency by supplementing the formation energy and relying on gravity differentiation to increase the upper displacement effect of the reservoir. As a new way to supply?the energy of low-permeability unconventional oil and gas reservoirs， this technology is a strategic technology with development potential in the next few decades. Aiming at the broad application prospect of this technology， the explosion characteristics and influencing factors of different combustible gases in the air-injection process of oxygen-reduced air were?studied?by conducting indoor air-explosion limit experiment， and the explosion limit and critical oxygen content of different components in mixed gas were analyzed as well as the?effect of different temperature and pressure conditions on the?explosion temperature limit. Furthermore， an ideal model of oxygen-reduced?air flooding was established， and the oxygen content of the injected gas was numerically simulated. Finally， the optimal value of the oxygen content of the injected gas was analyzed based on the experimental data.

Key words： oxygen-reduced?air flooding; explosion limit; critical oxygen content; hydrocarbon; numerical simulation

當前階段，國內大部分油田已經進入中后期階段，生產水含量不斷增高，導致開發(fā)資源投入增大，產量減小，尤其對低滲油藏等依靠常規(guī)注水技術越來越難以開采。減氧空氣驅采油技術被認為是一種具有創(chuàng)新性的技術，具有氣源廣、成本低、不受地域及空間范圍限制的優(yōu)點。但其在國內還沒有被廣泛推廣與應用，主要原因之一是空氣驅采油過程中存在著爆炸風險。與常規(guī)注氣注水技術不同，減氧空氣驅注空氣過程中從空氣壓縮機到注氣管線，從注氣井到生產井，因為有氧氣的存在，在一定條件下跟油氣混合可能發(fā)生爆炸。注入井井筒、生產井井筒、空氣壓縮機及生產管線內部發(fā)生的油氣回流、氧氣突破、積碳自燃以及油氣泄露等，都會使整個注空氣驅油過程存在一定的風險^[1，2]。如果發(fā)生爆炸事故，很可能導致注氣井、生產井乃至管線的全部破壞廢棄，導致國家資源和人員財產的重大損失。

針對減氧空氣驅注空氣安全適用性的問題，本文通過開展室內爆炸試驗，模擬研究不同條件爆炸特性及其影響因素，分析不同可燃氣體爆炸極限、臨界氧含量以及不同溫度、壓力對爆炸極限的影響。同時建立理想地質模型，模擬減氧空氣驅條件下注入氣含氧量對原油采收率的影響。根據(jù)實驗結果與數(shù)值模擬進行減氧空氣驅油藏適用條件分析，明確減氧空氣驅注空氣爆炸極限。

1 ?實驗裝置與試驗方法

爆炸容器是可燃氣體與助燃氣體接觸并發(fā)生燃燒或爆炸反應的場所，作為實驗裝置的核心，其狀態(tài)因素（包括大小、形狀和點火位置等）與本實驗的測試有密切的關系，實驗中的安全性、數(shù)據(jù)質量的可靠性都與爆炸容器反應室設計的好壞有密不可分的關系。

1.1 ?實驗裝置

從形狀上看，在各種形狀的爆炸容器中，球形容器是效果最好的，很容易且很方便就能將火花塞置于整個容器的最中央，相對于其他外形的腔體，它雖然節(jié)省材料，但是成本高，制作困難，有一定的局限性^[3]。油田生產過程中，注氣井、生產井井筒和氣體管線等設施部件一般都是圓柱形管道，加工、裝卸、使用和密封起來極為方便且成本較低，而且實驗證明，等高圓柱體爆炸室與球形爆炸室的實驗測試結果很接近，處于可接受范圍內，同時圓柱形管道更加節(jié)省材料，更與現(xiàn)場實際接近，所以本實驗裝置爆炸容器室采用容積為2.24?L，長度-直徑比約為4∶1高度相等的圓柱體，模擬生產現(xiàn)場的井筒和管道，以確保實驗結果更趨近現(xiàn)場的真實值。圖1為本次爆炸實驗的裝置示意圖，該裝置主要由爆炸發(fā)生裝置、控溫控壓裝置、點火與配氣裝置、安全控制系統(tǒng)5部分組成。

①爆炸發(fā)生裝置：該裝置由耐壓不銹鋼制成，為高壓圓柱形氣密容器，裝置最大有效容積為2.46 L。最大耐受壓力為70 MPa，可以確保5 MPa壓力下實驗的安全性，爆炸發(fā)生時的壓力是初始壓力的3～6倍左右。裝置內部安置活塞，目的通過上下移動活塞對容器內氣體加壓減壓操作。

②配氣系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由甲烷、空氣、氮氣、少量氧氣、混合可燃氣五類氣體鋼瓶及真空泵組成。真空泵主要用于抽取裝置內部真空狀態(tài)，通過分壓比來配置混合氣體。

③點火裝置：該裝置為GDH-10高能點火裝置，火花頻率在6次/s左右，該裝置可以形成連續(xù)且能量為10 J左右的電火花，該值遠高于實驗中相關可燃氣體最小點火能量。

④控溫控壓裝置

溫度檢測：爆炸容器系統(tǒng)主要通過外部加熱套加熱來達到保溫目的，溫度可以控制在0～150 ℃范圍內，實驗過程中，通過觀察實驗裝置內的溫度可以確定是否發(fā)生爆炸。

壓力檢測：主要為不同量程的壓力表（0～5 MPa，0.25級;0～100 MPa，0.4級）和壓力傳感器（0～1 MPa），該檢測主要用于氣體爆炸時的初始壓力測試及對爆炸后的壓力進行觀察。

⑤安全控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過在爆炸容器內部安裝安全閥，來達到當壓力過高會自動卸壓，保證操作人員及設備安全的目的。

1.2 ?實驗方法

每次進行爆炸實驗前，需要檢查裝置的氣密性，以確保下次實驗氣體分布和實驗數(shù)據(jù)的準確性。清洗實驗設備，對爆炸容器抽真空，將活塞抽至容器頂部，然后用干凈清潔空氣沖洗，將活塞壓至底部，反復幾次，確保爆炸容器內配氣的初始背景是一個大氣壓的空氣。最后計算系統(tǒng)中各組分氣體所占比例，利用道爾頓氣體分壓定律進行配氣^[4]。對制備氣體的色譜分析表明，氣體分布誤差在可接受的范圍內：

式中：P?—混合氣體絕對壓力，MPa;

P_i —混合氣體中組分的絕對分壓力，MPa;

Ф_i?—混合氣體中組分的體積百分數(shù)，%。

實驗前，首先通過文獻對實驗需要測得的數(shù)據(jù)進行研究，找出近似范圍。從較低值或較高值開始，采用逐步逼近法進行爆炸實驗：在沒有爆炸反應的前提下，向反應裝置內繼續(xù)加入某種氣體成分，然后進行點火測試，如果沒有發(fā)生爆炸，繼續(xù)添加該氣體，直到爆炸發(fā)生，每次測試需至少進行10次點火。每次測試完成后，將爆炸反應室抽真空，對活塞抽至頂部后再充入干燥空氣，將活塞壓到底部然后放氣，以確保最后實驗容器內初始反應背景是0.1 MPa的空氣。實驗相鄰爆炸值和非爆炸值的平均值即為本次實驗所測值。

為了保證實驗條件下實驗數(shù)據(jù)的準確和可靠，爆炸下限測量時氣體每次增量應不大于10%，爆炸上限測量時氣體每次減量應不小于2%。

從爆炸的特征來看，爆炸發(fā)生時溫度和壓力都會發(fā)生很大的變化，因此，一般情況下，通過這兩個因素來判定是否發(fā)生爆炸^[5]。

2 ?爆炸特性及其影響因素

2.1 ?可燃氣體種類對爆炸極限的影響

不同可燃氣體具有不同的微觀結構和化學性能，因此，不同可燃氣體的爆炸極限也各不相同。對于碳氫化合物，烷烴類氣體通常比烯烴和炔烴類氣體的爆炸極限范圍小，這主要是因為，烯烴可燃氣體分子結構中含有C三鍵，它沒有由C單鍵構成的烷烴分子結構穩(wěn)固，更容易因碳鍵斷裂而發(fā)生各種反應，爆炸風險最大;對于分子結構中含有C=C型二鍵的烯烴類化合物，其爆炸極限范圍介于烷烴與炔烴之間。對于烷烴類氣體，丙烷的爆炸極限范圍比甲烷小，而乙烷位于兩者之間^[6-8]

將油田生產中常用到的可燃氣體爆炸極限數(shù)據(jù)列表，如表1所示。從表中可以看出，隨著含碳量的增加，爆炸上下限逐漸下降，更容易發(fā)生爆炸。同時，還要關注氫氣等含量微小的氣體對爆炸極限的影響。

2.1.1 ?甲烷的爆炸極限

甲烷的爆炸極限文獻值為5%～15%，為了考察實驗裝置的可靠性，在20 ℃，0.4 MPa的溫度壓力條件下對甲烷的爆炸極限進行測試，所測得爆炸極限為4.86%～14.74%，將其與理論值進行對比，如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)對比中可以看到，本實驗裝置的實驗測量值與理論值比較接近，具有良好的重復性和準確性，因此完全可以用本裝置來測試可燃氣體的爆炸極限，且數(shù)據(jù)具有相當?shù)目煽啃院蜏蚀_性。

2.1.2 ?烷烴類組分含量對爆炸極限的影響

從表1中可以看出，不同的烴類氣體具有不同的爆炸極限，因此混合可燃氣體中烴類組分含量改變時，混合氣體的爆炸極限也會相應地發(fā)生改變。以甲烷、乙烷、丙烷三種烷烴的混合可燃氣體為例，通過模型計算，實驗驗證的方法來研究混合氣體的爆炸極限^[9]。對于由80%的甲烷、15%的乙烷、5%的丙烷組成的混合可燃氣體，通過爆炸極限預測模型計算可得其爆炸極限范圍為4.28%～14.65%，而在20 ℃，0.4 MPa的溫度壓力條件下，本實驗實測值為4.14%～15.52%。將兩種結果列表對比，如表3所示。

從表3對比中看出，模型計算值與實驗實測值之間存在一定的差別，但這主要是由于實驗條件、人為操作誤差等不可避免的原因造成，而且兩者之間差別也比較小，相對比較吻合，因此，完全可以通過模型計算值來定性地研究混合氣體的爆炸極限變化規(guī)律。也就是說爆炸預測模型可以在一定程度上反映可燃氣體的特性，對油田安全生產具有一定的指導意義^[10]。

由甲烷、乙烷、丙烷三種氣體組成的可燃性混合氣體中，將丙烷的體積分數(shù)固定在5%，改變甲烷的含量（乙烷的體積分數(shù)相對也改變），從50%逐漸增加到95%，根據(jù)理—查特列公式可以計算出不同組成下的混合氣體爆炸極限值^{[11，12]}，將不同組成的混合可燃氣體的爆炸極限作圖，如圖2所示。由于甲烷的爆炸下限相對比較大，所以當丙烷含量固定時，隨著甲烷含量的增加，混合氣體的爆炸下限逐漸增大，趨向于甲烷的爆炸下限5%。而由于甲烷、乙烷的爆炸上限相差不大，所以混合氣體的爆炸上限基本不變。

將甲烷的體積分數(shù)固定在50%，逐漸改變丙烷的含量（從0%到50%），將混合氣體的爆炸極限變化規(guī)律作圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，由于丙烷的爆炸上下限值都比較小，當甲烷的含量固定時，隨著丙烷的含量增多，混合氣體的爆炸上下限都逐漸降低，向著丙烷的極限值靠近。

2.2 ?可燃氣體臨界氧含量測定

將石油生產中一些常見的可燃氣體理論臨界氧濃度值列表，如表4所示。表中氣體的臨界氧含量都是通過爆炸下限計算出來的理論值，通過實驗發(fā)現(xiàn)，理論臨界氧含量與實驗值之間存在著一定的差距，這是因為所有臨界氧含量的實驗測量都是在含有一定惰性氣體的背景下進行的（沒有惰性氣體就無法測量臨界氧含量，而且測量值也沒有意義）^[13]。

在爆炸下限附近，氧氣含量是過量的，而理論值是指在爆炸下限時，可燃氣體完全燃燒所需要的氧氣含量，而在實際情況下，只有當所含的氧氣含量大于該理論值時，可燃氣體才能在爆炸下限發(fā)生燃燒或爆炸。

經大量實驗測定，烷烴類可燃氣體實際臨界氧含量值約為理論值的1.2倍，將該系數(shù)定義為“惰性系數(shù)”。例如甲烷的臨界氧含量理論值為10%，而通過實驗所測值在12%左右;由80%甲烷、15%乙烷和5%丙烷組成的混合可燃氣體，臨界氧含量理論值為10.158%，而實驗實測值為12.051%。

2.3 ?其他敏感因素分析

改變裝置系統(tǒng)初始溫度，測定不同溫度下甲烷爆炸極限的變化，結果如表5所示。

隨著系統(tǒng)初始溫度的升高，則甲烷在空氣中的爆炸極限變大，即甲烷的爆炸下限下降，而爆炸上限上升，爆炸風險增加。改變裝置系統(tǒng)初始壓力，測定不同壓力對甲烷爆炸特性的影響規(guī)律，結果如表6所示。

隨著爆炸初始壓力的增加，甲烷在空氣中的爆炸極限范圍增大，也就是說，甲烷的爆炸下限下降，而爆炸上限上升，爆炸風險增大。

3 ?注入氣含氧量數(shù)值模擬

為進一步研究減氧空氣驅注空氣過程中不同可燃氣體的爆炸特性，本文建立理想地質模型（圖4），設置油藏特征參數(shù)：設置地層傾角14°，油層厚度5 m，孔隙度0.2，水平滲透率為7 mD，沉積韻律均勻，洛倫茲系數(shù)0（均勻地層）。 原始地層壓力15 MPa，溫度100 ℃，地下原油黏度為5 mPa·s，地下油水黏度比5.4，原始含油飽和度0.6。采用一注一采兩口井，注入井位于油藏高部位，采油井位于低部位。通過模型對注入氧氣含量 （0%、5%、10%、15%、21%）對原油采收率的影響進行研究，結果如圖5所示。

由于注入氣含氧量的升高，氧化反應增強，氧消耗量增大。開采數(shù)據(jù)表明，氧氣含量適當增大有利于采出程度增加，含氧量為零時空氣驅采出效果最差。通過模型計算研究不同氧氣注入量時空氣驅動態(tài)特征和滲流特征，在油藏溫度與油藏壓力不變的情況下，注入氣含氧量保持在0.15時采出程度最高，故減氧空氣驅氣體組成適用條件為注入氣含氧量10%～15%。

4 ?物模試驗與數(shù)值模擬結果對比

通過物模試驗與數(shù)值模擬相結合的方法可以對減氧空氣驅注空氣過程中不同可燃氣體爆炸特性、影響因素及注入氣含氧量等多個方面進行研究，為更進一步對該區(qū)塊減氧空氣驅注空氣過程中的爆炸特性進行研究，本文根據(jù)爆炸實驗結果及數(shù)值模擬計算結果確定研究區(qū)塊的爆炸特性數(shù)據(jù)如表7所示。

跟甲烷氣體相比，實驗所取天然氣樣由于存在其他烷烴，其上下限均低于甲烷的爆炸上下限，而其最低臨界氧含量值要大于甲烷的理論臨界氧含量值。在安全生產過程中，爆炸上下限和點火源的客觀存在是無法控制的，唯一可以控制的因素是氧氣的含量，因此，在只考慮氧含量這一因素的情況下，該組分的爆炸風險是低于甲烷爆炸風險的^[14-16]。也就是說，只要生產井中的氧氣含量不超過10%，就不會發(fā)生爆炸，同時根據(jù)注入氣含氧量數(shù)值模擬結果顯示，氧含量在10%左右采出程度也較好。出于安全生產的考慮，在氧含量的監(jiān)測與控制上，完全可以用甲烷的標準來要求油井的產出氣體。

5??結論

（1）減氧空氣驅對于開采低滲透、特低滲透以及高溫高鹽類型油藏有著良好的適應性，為了防止開采過程中爆炸風險，保證減氧空氣驅技術的安全可靠性，注入氣含氧量應控制在10%范圍以內，根據(jù)數(shù)值模擬結果顯示，注入氣含氧量為10%左右采出程度較好。

（2）混合氣體的爆炸極限，可以相當于各組分可燃氣體爆炸極限的調和平均值，當組分含量發(fā)生變化時，混合氣的爆炸極限趨向于增多氣體的極限。在要求不是特別嚴格的情況下，可以通過計算理論臨界氧量，再乘以“冷卻系數(shù)”來估算實際臨界氧含量。

（3）通過觀測壓力傳感器，在通常情況下，爆炸發(fā)生時的最高壓力可以達到初始壓力值的3～6倍;從溫度傳感器可以看出溫度的急劇上升，一般能上升幾十度。在爆炸上下限附近發(fā)生的爆炸不是特別劇烈，溫度和壓力發(fā)生的變化也遠遠沒有其他濃度發(fā)生爆炸時變化大。壓力對爆炸的影響更多地體現(xiàn)在它對爆炸嚴重程度的影響上，在壓力很低的情況下，即使發(fā)生爆炸，因為初始壓力過低，也僅僅屬于輕爆，沒有什么威力;而在高溫高下發(fā)生的爆炸，因為極高的初始壓力，會產生高速沖擊波，破壞威力巨大，屬于爆轟。

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