馬孝文，張亞明，尉海燕，郄曉敏，韓 也，梁昌晶

1.中國石油華北油田分公司第四采油廠，河北廊坊 065000

2.中國石油渤海鉆探第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065000

3.中國石油華北油田分公司第一采油廠，河北任丘 062552

4.華北油田公司儲氣庫管理處，河北廊坊 065000

隨著油田的深入開發(fā)，一部分經(jīng)過化學(xué)驅(qū)的油藏沒有合適的接替技術(shù)，另一部分低滲透和特低滲透油藏不適合常規(guī)水驅(qū)或化學(xué)驅(qū)。有研究表明，注空氣驅(qū)特別適合經(jīng)過化學(xué)驅(qū)的油藏及低滲透油藏。美國、俄羅斯、歐盟等分別在HorseCreek、Buffalo和MPHM等油田開展了大規(guī)模的注氣驅(qū)試驗，平均采收率提高了20%，取得了良好的效果[1-2]?？諝馀c其他驅(qū)替介質(zhì)（氮氣、CO2、穩(wěn)定輕烴）相比，驅(qū)油效果相差不多，但易于獲得，成本低廉，操作簡單，注空氣驅(qū)是目前應(yīng)用最為廣泛的三次采油技術(shù)。

當(dāng)空氣注入地層后，空氣中的氧氣與原油發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，促使原油升溫、降黏、體積膨脹；但當(dāng)氧化反應(yīng)不完全時，原油中揮發(fā)出的可燃氣體就會混合有剩余氧氣，此時遇到足夠能量的點火源后，則存在爆炸風(fēng)險。劉振翼等[3]在0.1 MPa的條件下，測試了15～100℃不同初始溫度對原油蒸氣爆炸極限和安全氧含量的影響。吉亞娟等[4]在常溫常壓下測試了多元混合氣體的爆炸極限和安全氧含量。楊釗等[5]對0.2～2 MPa、20～80℃條件下可燃氣體的安全氧含量進行了測定，并進行了溫度、壓力的敏感性分析。曾偉平等[6]對0.2～2 MPa、20～80℃條件下的甲烷爆炸極限和對應(yīng)的臨界氧含量進行了測定。前人的研究中，壓力一般不超過2 MPa，溫度不超過100℃，缺少高溫高壓條件下的安全氧含量數(shù)據(jù)，而注氣過程中發(fā)生爆炸的風(fēng)險點常位于生產(chǎn)井或注入井[7-8]。因此，采用理論和試驗手段研究高溫高壓下的安全氧含量，以期為現(xiàn)場安全生產(chǎn)和操作提供理論依據(jù)。

1 理論計算

1.1 公式法

取華北油田同口注氣區(qū)塊某生產(chǎn)井的套管氣，參照GB/T 13610—2014《天然氣的組成分析氣相色譜法》進行氣質(zhì)組分分析，見表1。

表1 套管氣組分分析結(jié)果

當(dāng)可燃氣體與氧氣發(fā)生完全反應(yīng)后，方程式如下所示：

根據(jù)阿馬格分體積定律，可將多元混合氣體視為含C、H、O元素的單一氣體，則n=0.961 6+0.028 3×2+0.004 6×3+（0.002 9+0.002 6） ×4=1.054，m=0.961 6×4+0.028 3×6+0.004 6×8+ （0.002 9+0.002 6） ×10=4.108，λ=0。

當(dāng)混合氣體在空氣中的爆炸下限為L1（4.76%，體積分?jǐn)?shù)）時，體系為過氧狀態(tài)，臨界氧含量CO2等于1mol可燃氣體完全燃燒所需要的氧分子體積分?jǐn)?shù)：

1.2 爆炸三角形法

作以代表可燃氣體（F）、氧氣（O）和氮氣（N）為頂點的等邊三角形ΔFON，在ON線右側(cè)找到氧氣體積分?jǐn)?shù)21%的點A，連接FA，F(xiàn)A為空氣線，將可燃氣體在空氣中的爆炸下限L1和爆炸上限U1在FA線上標(biāo)出，將可燃氣體在氧氣中的爆炸下限L2和爆炸上限U2在FO線上標(biāo)出（其中爆炸下限和爆炸上限均根據(jù)查特里公式計算，該公式假定多元氣體之間無反應(yīng)、無催化作用，單一氣體的爆炸極限值通過查詢化學(xué)品安全手冊確定），分別連接L1、L2和U1、U2并延長相交于C點。此時，由CL2U2圍成的三角形即為可燃氣體的爆炸區(qū)域，在C點作與FN的平行線，并與ON氧氣線相交的點即為安全氧含量限值，為12.17%（體積分?jǐn)?shù)）。如圖1所示。

圖1 爆炸三角形確定安全氧含量

綜上所述，公式法的計算結(jié)果更為保守，但這兩種方法都是采用常溫常壓下的爆炸極限數(shù)據(jù)計算得到的安全氧含量，用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)風(fēng)險過大。

2 試驗研究

2.1 試驗裝置

試驗裝置由高溫高壓反應(yīng)釜、高壓氣瓶、高能點火電極、溫度傳感器、壓力傳感器等組成，如圖2所示。

在爆炸容器的選取上，ASTM E 2079—2013推薦采用球形容器，點火位置更容易放置在中心，壁面所受的壓力波和火焰振面較均勻，但考慮到球形容器加工困難，價格較高，現(xiàn)場從井筒到地面集輸系統(tǒng)又皆為圓柱形管道，且有研究表明兩者的試驗結(jié)果相差不大[3]，殘差在可接受的范圍內(nèi)；因此，采用長徑比4∶1的圓柱形高溫高壓反應(yīng)釜，有效容積2.25 L，耐壓150 MPa，以確保發(fā)生燃爆時瞬間超壓造成的沖擊不會對容器造成損壞。點火電極采用高能點火裝置，火花頻率為10次/s，點火能量20 J，足夠克服可燃氣體的最小點火能量。

圖2 試驗裝置

2.2 試驗步驟和條件

（1）試驗前，打開閥1、閥2和閥6，關(guān)閉其他所有閥門，向反應(yīng)釜中注入一定壓力的空氣，進行壓力試驗和氣密性試驗，完成后打開閥5進行持續(xù)輸送，對整個裝置進行沖洗。

（2） 試驗開始后，依次打開閥3、閥6和閥4，關(guān)閉閥5，按照道爾頓分壓定律向反應(yīng)釜中輸入可燃氣體、氮氣和空氣，待均勻混合20 min后，開始點火，記錄溫度、壓力隨時間變化的數(shù)據(jù)。

（3）試驗結(jié)束或緊急情況發(fā)生時，只打開閥4和閥5，其余閥門全部關(guān)閉，對反應(yīng)釜充入氮氣進行惰性保護。

由于在空氣注入系統(tǒng)、地面集輸系統(tǒng)、注入井和生產(chǎn)井等位置都存在燃爆的風(fēng)險，因此取壓力1～30 MPa（步長 5 MPa，注入壓力在 20～30 MPa）、溫度40～120℃（步長20℃，一般采出井和注入井的溫度均在90℃附近，但考慮局部高溫情況，將溫度上限增加到120℃）進行試驗，按照體積分?jǐn)?shù)分別為：96%的 CH4、2%的C2H4和 2%的C3H8，配置可燃氣體。

3 結(jié)果與討論

在可燃氣體被點燃的瞬間，氣體體積膨脹，壓力會在短時間內(nèi)（2～3 s內(nèi)）迅速上升，最大瞬間壓力可達初始壓力的5～9倍，最大瞬間溫度可達400℃，安全氧含量測定中可燃氣體的體積分?jǐn)?shù)主要在爆炸下限附近，而爆炸下限對溫度的敏感程度不高，同時考慮到反應(yīng)容器較小，因此以超壓值≥0.05 MPa作為判斷發(fā)生燃爆的主要指標(biāo)，同時將溫差≥10℃作為判斷發(fā)生燃爆的輔助指標(biāo)。

以1 MPa、40℃的條件為例，采用逐步逼近法找出可燃氣體燃爆與非燃爆的臨界點，用于確定安全氧含量的具體數(shù)值，見表2。

表2 1 MPa、40℃條件下安全氧含量測定試驗結(jié)果

在可燃氣體體積分?jǐn)?shù)2.4%不變的條件下，氮氣體積分?jǐn)?shù)從10%增加到40%，爆炸下限處的氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸不足，惰性氣體的冷卻作用加強，在氮氣體積分?jǐn)?shù)40%時不發(fā)生燃爆；隨后，在氮氣體積分?jǐn)?shù)40%不變的條件下，調(diào)整可燃氣體體積分?jǐn)?shù)增加至3%，此時可燃氣體體積分?jǐn)?shù)超過此工況的爆炸下限，發(fā)生燃爆；采用上述方法，當(dāng)不斷調(diào)整可燃氣體與氮氣之間的配比，最終在氮氣體積分?jǐn)?shù)50%的條件下，由于惰性氣體的鈍化和分壓作用，促使爆炸下限小幅上移，爆炸上限大幅下移，最終匯集到一點（爆炸臨界點），此時無論可燃氣體體積分?jǐn)?shù)如何增加，均不會發(fā)生燃爆，爆炸臨界點對應(yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)即為安全氧含量，1 MPa、40℃的安全氧含量為9.76%，較之前兩種理論計算的數(shù)值小，安全性降低。

測試一組（序號為1～6的試驗）從燃爆到非燃爆區(qū)間超壓值隨氮氣體積分?jǐn)?shù)的變化曲線，見圖3；反應(yīng)釜觀察窗觀察到的火焰情況，見圖4。當(dāng)?shù)獨怏w積分?jǐn)?shù)在10%～20%之間時，超壓值呈直線減小趨勢，從3.5 MPa降為0.06 MPa，此階段氧氣體積分?jǐn)?shù)較大，可燃氣體完全燃燒并伴隨爆炸，火焰呈亮白色；隨后超壓值緩慢降低，在氮氣體積分?jǐn)?shù)為40%時降為0.015 MPa，此階段氧氣體積分?jǐn)?shù)不足，可燃氣體從之前的爆炸轉(zhuǎn)為緩慢燃燒直至熄滅，火焰呈橙黃色。

圖3 超壓值隨氮氣體積分?jǐn)?shù)的變化

按照上述方法分別對其余壓力、溫度條件下的安全氧含量進行測定，結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同氮氣體積分?jǐn)?shù)下的火焰情況

圖5 不同壓力、溫度下可燃氣體的安全氧含量變化曲線

在溫度相同的條件下，安全氧含量與初始壓力呈對數(shù)關(guān)系，隨著壓力的增加，安全氧含量呈下降趨勢，這是由于壓力升高，反應(yīng)釜內(nèi)的氣體被壓縮，內(nèi)能增大，分子間的間距變小，反應(yīng)活化能增加，反應(yīng)所需的氧含量減小的緣故。在壓力相同的條件下，安全氧含量與初始溫度呈線性關(guān)系，隨著溫度的上升，安全氧含量呈下降趨勢，這是由于溫度上升，提高了惰性氣體完全鈍化所需的體積分?jǐn)?shù)，分子間碰撞的機率加大，反應(yīng)更容易進行。在壓力30 MPa、溫度120℃的極端條件下，安全氧含量測定值為6.68%，體系危險性大幅上升。

通過采用軟件Origin進行數(shù)據(jù)擬合（見表3），發(fā)現(xiàn)在不同溫度區(qū)間內(nèi)的安全氧含量y與初始壓力P呈對數(shù)關(guān)系，與前面分析相符，可用于現(xiàn)場操作人員快速計算安全氧含量，當(dāng)監(jiān)測到的氧氣體積分?jǐn)?shù)超過限值時，啟動應(yīng)急預(yù)案和安全預(yù)警措施，如注入井停注、采出井關(guān)閉、吹掃管道等，待氧氣體積分?jǐn)?shù)滿足要求后，恢復(fù)生產(chǎn)。

表3 Origin軟件擬合結(jié)果

4 結(jié)論與建議

（1）設(shè)計了一套用于測定安全氧含量的試驗裝置，為可燃氣體燃爆中所需的氧含量測定提供了基礎(chǔ)。

（2）安全氧含量與初始壓力呈對數(shù)關(guān)系，與初始溫度呈線性關(guān)系，溫度、壓力的升高均會造成安全氧含量的降低，其中30 MPa、120℃條件下不發(fā)生燃爆的安全氧含量為6.68%（體積分?jǐn)?shù)），遠小于常溫常壓下的理論計算值10.08%和12.17%，體系危險性大幅增加。

（3） 安全氧含量與試驗中惰性氣體的選擇、點火源的形式、可燃氣體的種類等均有關(guān)，今后可針對不同因素進行敏感性分析。