空气驱过程中爆炸极限影响因素及预测模型

李海奎，李磊兵，张　亮，王　蕾，王　芳，任韶然

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.中国石油集团长城钻探工程技术研究院，辽宁盘锦124010；3.中国石油煤层气公司韩城分公司，陕西渭南715409；4.辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺113001）

空气驱过程中爆炸极限影响因素及预测模型

李海奎1，李磊兵2，张亮1，王蕾3，王芳4，任韶然1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580；2.中国石油集团长城钻探工程技术研究院，辽宁盘锦124010；3.中国石油煤层气公司韩城分公司，陕西渭南715409；4.辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺113001）

空气驱作为一项富有创造性的提高采收率技术，受到越来越多的重视。而爆炸风险的存在严重制约了该技术的发展和应用，因此准确掌握和控制可燃气体的爆炸极限对空气驱技术的消防预警和安全生产有着重要意义。为此，分析了可燃气体爆炸极限的影响因素，结果表明：混合可燃气体的组分会影响其爆炸极限，多组分可燃气体的爆炸极限为各组分的调和平均值；爆炸极限范围随温度升高而增大，呈线性变化；爆炸极限范围也随压力的增加而增大，但呈对数变化；爆炸极限范围随惰性气体体积分数的增加而减小，不同惰性气体抑爆效果不同。运用数值分析原理，结合经验公式，拟合出了不同影响因素下可燃气体的爆炸极限预测模型和统一预测模型，模型的建立为确定空气驱工艺中不同条件下油气混合物的爆炸极限提供了参考。

空气驱 爆炸极限 可燃气体 温度 压力 惰性气体 预测模型

目前，中国许多油田已进入开发中后期，油井含水率相对较高，投入产出比较大，依靠常规注水技术挖潜越来越困难，油田现场规模化应用的提高采收率技术主要有化学驱、热采和气驱［1-5］。空气驱技术由于适用范围大、空气来源广、驱油机理多样性等优点受到中外专家的重视，但由于氧气在一定条件下跟油气混合存在爆炸风险而限制了其发展［6-7］。可燃气体与氧气（助燃气体）在一定浓度范围内均匀混合，遇到点火源时会发生爆炸，该可燃气体的浓度范围被称为爆炸极限，其最大值被称为爆炸上限，最小值被称为爆炸下限。整个空气驱过程中都存在一定的爆炸风险，如注气井井筒内油气的回流、空气压缩机内积炭的自燃、生产井井筒内氧气的突破、生产管线油气的泄露。因此，准确掌握和控制可燃气体的爆炸极限，对于空气驱技术的消防预警和安全生产有着重要意义。

研究结果［8］表明，爆炸极限受到多种内外因素的影响，并非是一个固定值，工业生产中很难确定可燃气体的安全浓度范围。但若掌握了外界条件变化对爆炸极限的影响规律和计算方法，根据实际所测的气体体积分数并经计算得到爆炸极限对工业生产仍有一定的指导意义。为此，笔者在充分考虑可燃气体爆炸极限影响因素的基础上，建立了可燃气体在不同影响因素下的预测模型和统一预测模型，以期为空气驱过程中确定油气混合物的爆炸极限提供参考。

1　多组分可燃气体爆炸极限预测模型的建立

不同可燃气体具有不同的微观结构和化学性能，因此其爆炸极限也各不相同。由于C—C键比较牢固，C—C型碳氢化合物的分子不易受到破坏，反应能力较差，因而其爆炸极限范围较小；而C≡C键比较脆弱，C≡C型碳氢化合物的分子极易被破坏，其化学反应能力强，因而爆炸极限范围较大；C=C型碳氢化合物的爆炸极限范围则处于C—C型碳氢化合物与C≡C型碳氢化合物之间。对于同一烃类化合物，随碳原子个数增加，爆炸极限范围随之变小［7，9］。因此，当混合可燃气体中烃类组分体积分数改变时，混合气体的爆炸极限也相应地发生改变。

研究常温常压下维持丙烷的体积分数为10%时，甲烷体积分数变化对甲烷、乙烷和丙烷混合气体爆炸极限的影响规律，以及甲烷体积分数一定（50%）时丙烷体积分数变化对该混合气体爆炸极限的影响规律。由图1中的实验值可知，混合气体的爆炸极限相当于各组分可燃气体爆炸极限的调和平均值，当组分体积分数发生变化时，混合气体的爆炸极限趋向于体积分数增加组分的爆炸极限。由多种可燃气体组成的混合气体，它的爆炸极限受到各个组分爆炸极限的影响，可用Lechatlier公式来估算［10］，即

图1　组分体积分数变化对混合气体爆炸极限的影响Fig.1　Influenceofcomponentvolumefractionon theexplosionlimitsofmixedgases

根据表1中可燃气体的爆炸极限理论值［11-12］，用Lechatlier公式计算混合气体的爆炸极限，结果如图1中的预测值所示。由误差计算可知，爆炸下限预测值与实验值的最大误差为3.4%，爆炸上限预测值与实验值的最大误差为4.6%。模型预测值与实验值之间存在一定的差别，这主要是因为可燃气体的爆炸极限为经验值（表1），而非实测值；再者，实验条件、人为操作等因素不可避免地造成误差。由于计算误差在可接受范围之内，且模型预测的爆炸极限范围比实验值宽，完全可以通过模型预测值来定性地研究混合气体的爆炸极限变化规律。

表1　常见的可燃气体爆炸极限Table1　Explosionlimitsofcommonflammablegases　%

式（1）适用于计算活化能、克分子燃烧热、反应速率相接近的可燃气体组成的混合气体的爆炸极限［13］。故在计算碳氢化合物混合气体时比较准确，而对其他可燃性混合气体（如含硫气藏等特殊油气藏产出气）的计算会出现一些偏差。

2　温度影响下爆炸极限预测模型的建立

常温常压条件下可燃气体的爆炸极限数据相对比较充分［14］，但是油田生产现场工艺中经常面临高温高压环境，且生产现场在高温高压条件下可燃气体发生意外爆炸的例子屡见不鲜，因此，测定不同温度压力条件下的可燃气体爆炸极限具有非常重要的意义。

一般来说，温度升高会增加爆炸的风险，即温度升高会扩大混合气体爆炸极限范围。系统温度升高，空间内分子运动更剧烈，且活化分子数增多，可燃气体分子更容易与氧气分子发生碰撞反应，使原本不会爆炸的混合气体变得具有爆炸风险［15-16］。

天然气中的甲烷通常被认为是最具爆炸风险的气体（因其爆炸的临界氧含量最低）。因此，实验用甲烷来代表天然气可燃气体，用空气作为助燃气体，研究常压条件下温度对可燃气体爆炸极限的影响规律。由实验结果（图2）可知，随着温度升高，爆炸下限减小，爆炸上限增大，可燃气体的爆炸极限范围变大且具有很好的线性关系。Zabetakis根据大量实验数据，提出了可燃气体爆炸极限的预测模型，并利用Burgess-Wheeler法则进行了修正［17］。

图2　温度对可燃气体爆炸极限的影响Fig.2　Influenceoftemperatureontheexplosion limitsofmixedgases

Zabetakis修正公式是根据高至1200℃的爆炸实验数据拟合得到，而油田在空气驱过程中存在爆炸风险的管线、空气压缩机等的温度一般不会超过200℃，利用Zabetakis修正公式预测空气驱过程中的爆炸极限误差较大。笔者利用0～100℃的实验数据对Zabetakis公式进行进一步修正，得到

根据式（2）和式（3）计算得到的常压不同温度下可燃气体的爆炸极限如图2预测值所示，其中爆炸下限预测值与实验值的最大误差为0.4%，爆炸上限预测值与实验值的最大误差为0.3%，均在误差可接受范围之内。

为方便建立爆炸极限的统一预测模型，将式（2）和式（3）转化为Zabetakis公式形式，即

其中

3　压力影响下爆炸极限预测模型的建立

与温度的影响相同，一般来说，压力的上升也会增加爆炸风险，即爆炸混合气体初始压力的上升会增大爆炸极限的范围。压力升高，混合气体被压缩，气体分子间距变小，更容易发生碰撞，使可燃气体燃烧的最初反应更容易、更剧烈，混合气体的爆炸风险更大［16，18］。

以空气作为助燃气体，甲烷作为可燃气体的代表，研究常温条件下压力对可燃气体爆炸极限的影响。由实验结果（图3）可知，随着压力的上升，爆炸下限减小，爆炸上限增大，可燃气体的爆炸极限范围变大但并非具有线性关系。Jones和Zabetakis等的研究结果［13，17］证明，可燃气体的爆炸极限随压力呈对数变化。利用0～2MPa实验数据建立了压力影响下可燃气体爆炸极限的预测模型，即

图3　压力对可燃气体爆炸极限的影响Fig.3　Influenceofpressureontheexplosion limitsofmixedgases

根据式（6）和式（7）计算得到的常温不同压力条件下可燃气体的爆炸极限如图3预测值所示，爆炸下限预测值与实验值的最大误差为0.8%，爆炸上限预测值与实验值的最大误差为1.7%，均在误差允许范围之内。

为方便建立爆炸极限的统一预测模型，将式（8）和式（9）转化为Zabetakis公式形式，即

其中

4　惰性气体影响下爆炸极限预测模型的建立

爆炸混合气体中惰性气体（如N2，CO2，Ar和He等）的存在，会压缩混合气体的爆炸极限范围。如果混合气体中惰性组分的体积分数达到一定比例，原本可燃可爆的混合气体就会变成不易反应的稳定体系，不再具有爆炸风险［16］。鉴于油田开发实际状况，主要考察CO2和N2对爆炸极限的影响。

常温常压条件下，在甲烷与空气的混合组分中，逐渐加入CO2或N2，进行点火爆炸实验，考察CO2和N2对爆炸极限的影响规律。实验结果如图4实验值所示。王华等在煤矿开采过程瓦斯防爆安全的研究中［19］曾得出与图4类似的结果。

由图4可知，随惰性气体体积分数的增加，爆炸下限增大，爆炸上限减小，可燃气体的爆炸极限范围变窄，爆炸上下限最终相聚于一点，称之为爆炸极限临界点。如果向混合气体中继续增加惰性气体，则无论怎么改变混合气体中可燃气体的体积分数（保持惰性气体体积分数不变），都不会发生爆炸。爆炸上下限包络内的一尖形半岛区域即为爆炸区域或爆炸极限范围。

含有惰性气体的可燃气体的爆炸极限主要有2种计算方法：①配比计算法［10］，将某种惰性气体与某种可燃气体视为一种组分，该组分的爆炸极限可根据惰性气体与可燃组分之比查图版得到，然后根据Lechatlier公式求得混合气体的爆炸极限；②惰性气体修正法［20］，结果如图4预测值1所示，因其未考虑到不同惰性气体的影响，计算结果出现较大误差，最高达17%，故用该方法预测的可燃气体爆炸极限值参考价值不大。

图4　惰性气体体积分数变化对混合气体爆炸极限的影响Fig.4　Influenceofinertgasvolumefractiononthe explosionlimitsofmixedgases

笔者根据不同CO2或N2质量分数下可燃气体的爆炸极限数据，利用数值分析原理拟合出爆炸上、下限关于惰性气体体积分数变化规律的函数，即

根据式（14）和式（15）计算得到的不同N2体积分数下可燃气体的爆炸极限如图4a预测值2所示，爆炸下限预测值与实验值的最大误差为4.9%，爆炸上限预测值与实验值的最大误差为3.6%，均在误差允许范围之内。根据式（16）和式（17）计算得到的不同CO2体积分数下可燃气体的爆炸极限如图4b预测值2所示，爆炸下限预测值与实验值的最大误差为1.1%，爆炸上限预测值与实验值的最大误差为2.5%，均在误差允许范围之内。

为方便建立爆炸极限的统一预测模型，将式（14）—式（17）转化为Zabetakis公式形式，即

其中

5　统一预测模型的建立

大量的爆炸极限实验数据表明，温度、压力等爆炸极限影响因素之间的交互作用可以忽略［21-23］，此结论同样可以用数理统计的方法［24］证明。

对表2中的数据［23］进行方差分析，得到表3所示结果。根据数理统计方法，取置信度为0.99，则统计量F大于λ（统计量F的置信度为0.99时的分位数或临界值）的概率为0.01，即P｛｝F＞λ=0.01，查相应的F分布表，得λ1=2.70，λ2=2.36，λ3=2.12。温度因素的F值69.50693＞＞λ1，压力因素的F值135.7136＞＞λ2，而温压交互作用的 F值1.565941＜λ3，说明温度、压力对爆炸极限的影响显著，而温压交互作用对爆炸极限的影响并不显著，与温度、压力相比可以忽略。

表2　不同温度、压力下甲烷的爆炸上限Table2　Upperexplosionlimitsofmethaneunderdifferent temperatureandpressure

表3 方差分析结果Table3　Analysisresultsofvariance

因此，不考虑温度、压力、惰性气体各因素之间的交互作用，建立单组分可燃气体的爆炸极限预测模型为

除可燃气体组分、温度、压力、惰性气体等因素外，混合气体的爆炸极限仍受其他因素的影响：①容器中气体的混合程度，可燃可爆系统通常都是由多种气体混合组成，它们的混合程度会对爆炸极限产生一定的影响。总的来说，混合不均的气体爆炸极限值略小。②点火源，一般来说，点火源越靠近容器中心、放出的点火能量越大以及火花塞与混合气体接触得越充分，相应系统的爆炸极限就越大。③爆炸容器，可燃气体的爆炸极限也会受到其所处爆炸容器（形状、大小和材质）的影响。一般来讲，容器形状越不规则，容积越小，其所对应的爆炸极限就越小。

若点火源能量、位置不同，爆炸容器形状、大小不同以及气体混合程度发生变化，测得的可燃气体爆炸极限就会有所不同，而这些因素对爆炸极限的影响程度很难定量描述。为确保安全和简化实验，只需测得最危险的工况条件（如可燃气体混合均匀、点火源能量足够大且与可燃气体接触充分等）下的爆炸极限，来代替不同工况条件下的爆炸极限。

式（26）和式（27）充分考虑了影响爆炸极限的温度、压力、惰性气体（主要是CO2和N2）等因素，气体混合程度、爆炸容器等因素考虑在可燃气体常温常压下的爆炸极限内，故模型预测值有一定的应用和参考价值。

而对于多组分可燃气体，可先根据Lechatlier公式计算其常温常压下的爆炸极限值，然后将其视为单组分可燃气体代入单组分预测模型进行计算。由于单组分预测模型未考虑惰性气体对不同可燃气体抑爆效果的差异，对多组分可燃气体爆炸极限的预测值可能会有所偏差，但惰性气体对可燃2气体爆炸极限的影响趋势相近［20］，其预测值仍有一定的参考价值。

6　结论

空气驱是一项富有创造性的提高采收率技术，但爆炸风险的存在严重制约了该技术的发展和应用。可燃气体的爆炸极限是一个浓度的范围，并且不是一个固定值，受到多种因素的影响，如可燃气体种类、温度、压力、惰性气体体积分数以及气体混合程度、点火源等。

混合气体的爆炸极限相当于各组分可燃气体爆炸极限的调和平均数，可用Lechatlier公式进行计算；温度上升，可燃气体的爆炸极限范围变大，且具有很好的线性关系，可用修正的Zabetakis公式计算；压力上升，可燃气体的爆炸极限范围变大，呈对数关系变化；随惰性气体体积分数增加，爆炸极限范围变小，不同惰性气体抑爆效果不同。

符号解释：

C——多组分可燃性混合气体的爆炸极限，%；V1，V2，V3，…，Vn——各组分在混合气体中的体积分数，%；C1， C2，C3，…，Cn——各组分气体的爆炸极限，%；——常压不同温度下可燃气体的爆炸下限，%；t——温度，℃；——常压不同温度下可燃气体的爆炸上限，%；αL——爆炸下限温度系数——常温常压下可燃气体的爆炸下限，%；αU——爆炸上限温度系数；——常温常压下可燃气体的爆炸上限，%；——常温不同压力下可燃气体的爆炸下限，%；p——压力，MPa；——常温不同压力下可燃气体的爆炸上限，%；βL——爆炸下限压力系数；βU——爆炸上限压力系数；——常温常压下可燃气体在N2影响下的爆炸上限和下限，%；φN2——混合气体中 N2的体积分数，%；——常温常压下可燃气体在CO2影响下的爆炸上限和下限——混合气体中CO2的体积分数，%；γU1，γU2——可燃气体在N2和CO2影响下的爆炸上限惰性系数；γL1，γL2——可燃气体在N2和CO2影响下的爆炸下限惰性系数；——温度t压力p下的爆炸下限，%；——温度t压力p下的爆炸上限，%。

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编辑刘北羿

Influentialfactorsandmodelpredictionfor explosionlimitsduringairflooding

LiHaikui1，LiLeibing2，ZhangLiang1，WangLei3，WangFang4，RenShaoran1

（1.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum（EastChina），QingdaoCity，ShandongProvince，266580，China；2.Engineering&TechnologyResearchInstituteofGreatwallDrillingEngineeringCo.，Ltd.，CNPC，PanjinCity，LiaoningProvince，124010，China；3.PetroChinaCBMHanchengBranch，WeinanCity，Shannxi Province，715409，China；4.CollegeofChemistry，ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunCity，LiaoningProvince，113001，China）

Airflooding，asacreativeEORtechnique，isreceivingmoreandmoreattention.Theexistenceofexplosionrisk severelyconstrainsthedevelopmentandapplicationofthistechnique.Thus，itisofgreatimportancetoobtainaclear knowledgeandcontroloftheexplosionlimitsofcombustiblegasesforfirewarningandproductionsafetyoftheairflooding technique.Forthisreason，thefactorsthatinfluencetheexplosionlimitsofthecombustiblegaseswereanalyzed，andtheresultsshowthat：thecomponentsofthemixcombustiblegasescaninfluenceonitsexplosionlimits，andthecombustiblegaseswithmulti-componenthaveanexplosionlimitswhicharetheharmonicmeanofthosecomponents；theexplosionlimits increaselinearlywiththeraiseoftemperature，butincreaselogarithmicallywiththeraiseofpressure；theexplosionlimits decreasewiththeincreasingvolumefractionofinertgases，anddifferentkindsofinertgaseshavevariousinfluencesonexplosionproof.Thecalculationmodelswithdifferentfactorsandunifiedpredictionmodeloftheexplosionlimitsofthecombustiblegaseswerematchedbyusingmechanismofnumericalanalysisandcombinationofempiricalformula，andthatwill providereferenceforpredictingtheexplosionlimitsofoil-gasmixtureunderdifferentconditionsinairfloodingtechnique.

airflooding；explosionlimits；combustiblegases；temperature；pressure；inertgases；predictionmodels

TE357.7

A

1009-9603（2015）01-0111-07

2014-11-28。

李海奎（1990—），男，山东沂水人，在读硕士研究生，从事注气提高采收率研究。联系电话：15610500319，E-mail：lihaikuiupc@hotmial.com。

教育部创新团队发展计划“复杂油藏开发和提高采收率的理论与技术”（IRT1294）。