注空气驱油工艺燃爆实验研究

2019-10-14赵利庆杨国骏李红波樊春峰耿荣燕梁昌晶

油气田地面工程 2019年9期

关键词：氧气组分气体

赵利庆杨国骏李红波樊春峰耿荣燕梁昌晶

1中国石油华北油田分公司第一采油厂

2中国石油青海油田分公司基建工程处

3中国石油华北油田分公司二连分公司

4河北雄安华油清洁能源有限公司

5河北华北石油港华勘察规划设计有限公司

注空气驱油方法可用于平均空气渗透率≤0.05 μm2的低渗及特低渗透油藏，注气后空气中的氧气与原油接触发生低温氧化反应，生成CO2、CO气体，并释放出大量的热，形成由N2和CO2构成的烟道气驱，同时原油体积膨胀，黏度降低。注空气技术已成为除热采之外发展较快的提高采收率的新方法[1]，实验表明，空气驱能够在水驱的基础上大幅提高采收率，同时相比其他气体驱替方式（注N2、注CO2）具有操作简单、成本低廉的特点。

在注空气过程中，由于空气与原油反应不完全，剩余氧气在地层、井筒及地面中与原油中挥发出来的溶解气混合，在遇到明火时，具备了发生燃烧或爆炸的三要素，体系危险性增大。基于国内已实施注空气驱油（辽河、吐哈油田）的实际操作数据以及国外BP、挪威石油等现场数据，认为注入氧含量为5%（体积分数，下同）的空气是安全的，当氧含量＞5%时应启动安全预警信号，并采取必要的压井或关井措施。但对安全氧含量的具体数值目前还未明确，且之前国内关于原油蒸汽的燃爆实验研究多集中在常温常压或高温低压下，而井筒和地层的温度、压力大部分集中在80～100℃、1～10 MPa之间[2-3]，因此有必要对高温高压地层条件下可燃物的爆炸极限及安全氧含量进行实验和测定，以便指导现场作业，确保注空气过程中的安全。

1 理论计算

1.1 可燃气体爆炸极限

首先，取试验区块生产井的套管气依据GB/T 13610—2014《天然气的组成分析气相色谱法》进行分析，组分中C5+所占的体积分数较小，因此进行简化，同时除去助燃气体O2和惰性组分N2、CO2，将各可燃气体的体积浓度进行重组，得到100%的全组分可燃气体，具体见表1。

表1 实测可燃气体组分体积分数Tab.1 Volume fraction of actual combustible gas components %

当已知各组分的爆炸极限时，可以根据Le Chatelier公式计算多组分可燃气体与空气组合的爆炸性混合物的爆炸极限，即

式中：Cm为多组分可燃气混合物在空气或氧气中的爆炸极限，%；Vi为i组分在混合气体中的体积分数，%，其和为100%；Ci为i组分在空气或氧气中的爆炸极限，%。

C1，C2，……，Cn参照《常用化学品安全手册》取表2中数值。

表2 单一可燃气体爆炸极限（101.325 kPa，20℃）Tab.2 Explosion limits of single combustible gas（101.325 kPa，20℃）

将各组分的爆炸下限代入公式（1）得到可燃气在空气中的爆炸下限为

同理，计算出可燃气体在空气中的爆炸上限为CUA=14.72%；在氧气中的爆炸上下限分别为CUO=60.76%及CLO=4.78%。

1.2 安全氧含量

1.2.1 化学法

参考标准ASTM E2079—2007中附录的理论方法，由阿马格体积定律可知，多元混合气体中各气体的体积分数等于其摩尔分数[4]，因此可以将混合气体等效看成含C、H、O的单一气体，分子简式记为CnHmOλ。假设可燃气体与氧气充分燃烧，化学反应式为

依据表1数据计算得到

此时可燃气体完全燃烧所需要的氧含量即可定义为安全氧含量

1.2.2 作图法

构建一个等边三角形，三个顶点为F、O、N，分别代表可燃气体、氧气和氮气，FO线为甲烷体积分数，FN线为氧气体积分数，ON线为氮气体积分数。将每条边等分成100个单位，在FO边上标出可燃气体在氧气中的爆炸上下限的点 X11、X12，在ON上以20.95%的空气中氧含量数值标出空气点A，连接FA即为空气组分线；在FA边上标出可燃气体在空气中的爆炸上下限的点X1、X2，分别连接 X11、X1以及 X12、X2并延长相交于点C，作点C与FN氧气体积线的平行线相交于ON，则可以得到安全氧含量为12.76%（图1）。

图1 作图法求安全氧含量Fig.1 Safe oxygen content obtained by the drawing method

2 实验

运用化学法和作图法可以简便得到不同可燃气体组分下的安全氧含量限值，但都是基于常温常压下进行的，对于高温高压地层环境下井筒中可燃气体的燃爆特性及安全氧含量限值需要进行实验研究。

2.1 实验装置及测试过程

整个实验装置由注气系统、高温高压反应釜、点火系统、信息采集及控制系统组成。其中高温高压反应釜为核心部件，按照ASTM E2079—2007推荐应选用球形容器，因为球形容器可以很好地控制中心点火点，保证燃爆实验的测试结果。但国内对于球形压力容器的加工和制造存在一定困难，且油田地面和井筒管柱皆为圆柱体，因此考虑使用圆柱体反应釜进行实验。反应釜设计耐压30 MPa，耐温300℃，容积10 L，实验装置见图2。

测试过程如下：

（1）实验前，对容器进行气密性检查，打开阀1、阀2、阀4向反应釜注入1.5倍设计压力的空气，随后每隔10 min降低10%压力，直到降至设计压力，稳定30 min后用手持可燃气体检测仪检测容器周围可燃气体浓度，观察是否有密封不严现象。

（2）卸放上述容器中的空气，关闭阀1、阀2、阀4，对容器抽真空至-0.09 MPa，利用气体分压法（气体混合物的总压强等于各单一气体分压和）对容器进行配气。打开阀1、阀2、阀3，依次注入可燃气体和空气，静置3 min混合均匀后打开电点火器进行点火，观察发生燃爆前后的压力和温度变化。大量研究表明，发生爆炸的瞬间，压力会瞬间增大（1 s内增大5～7倍），温度也会急剧上升（最高可达300～400℃），因此以前后压差值是否大于0.05 MPa作为发生燃爆的主要判定依据，同时由于反应容器较小，在短时间内对温度变化并不敏感，将温差≥10℃作为辅助判定依据。

（3）不断改变可燃气体与空气、氮气的比例，采用逐步逼近法进行测试，在同一条件下测试5次，每次间隔1 min，得到不同温度、压力下的可燃气体的爆炸上下限及安全氧含量数值。

图2 可燃气体燃爆实验装置Fig.2 Blast test equipment for combustible gas

2.2 实验条件

根据表1中实测可燃气体的组分简化气体组分，选用体积分数为97%的CH4、1%的C2H6、1%的C3H8、1%的C4H10（不区分正构或异构丁烷比例）作为实验气体，由于大部分陆上油田油藏温度在80～100℃，地层压力1～10 MPa，选择实验温度为40、60、80和100℃，压力为1、5和10 MPa。

2.3 结果及分析

采用逐步逼近法进行测试。测试爆炸下限时，当可燃气体在某浓度下发生爆炸，则减小其浓度直至不能发生爆炸的最小浓度；当可燃气体在某浓度下不发生爆炸，则增大其浓度直至发生爆炸的最小浓度。测试爆炸上限时同理，其中爆炸下限浓度步长不大于上次浓度的10%，爆炸上限浓度步长不大于上次浓度2%[5]。不同温度、不同压力下可燃气体的爆炸极限测试结果见表3和图3、图4。

表3 不同温度、压力下可燃气体爆炸极限Tab.3 Explosion limits of combustible gas at different temperatures and pressures

图3 不同温度、压力下可燃气体爆炸下限Fig.3 Lower explosion limit of combustible gas at different temperatures and pressures

图4 不同温度、压力下可燃气体爆炸上限Fig.4 Upper explosion limit of combustible gas at different temperatures and pressures

由表3和图3可知，当压力一定时，随着温度的上升，爆炸下限缓慢降低，但幅度不大；同样当温度一定时，随着压力的上升，爆炸下限缓慢降低，幅度不大。1 MPa、40℃较10 MPa、100℃条件下，爆炸下限仅从2.4%降低到1.6%，降低了0.8个百分点。由此可知，温度和压力对爆炸下限不敏感，这是由于下限附近虽然具有足够的助燃物（氧气过量），但由于可燃气体浓度较小，通过改变温度、压力来提高化学反应的强度并不明显，同时由于存在过量的空气会对可燃气体反应产生冷却作用，阻止分子之间发生链式反应。

由表3和图4可知，当压力一定时，随着温度的上升，爆炸上限不断升高，但幅度不大。其中1 MPa条件下，温度100℃较40℃时爆炸上限从27.2%上升到29.5%，增加了2.3个百分点；当温度一定时，随着压力的上升，爆炸上限大幅升高，其中40℃条件下，压力10 MPa较1 MPa爆炸上限从27.2%上升到31.2%，增加了4个百分点。由此可见，温度和压力对爆炸上限均敏感，而且压力的作用更强。这是由于爆炸上限处的氧气不足，虽然随着温度的升高促进了分子之间的热运动，活性分子的活体被激活，但压力的升高同样会促使气体分子之间的压缩，增大了分子之间碰撞的机会，使化学反应更容易进行，即使氧含量较少，也能发生完全的燃爆反应，此时压力的作用更加明显。

由此可以确定，在油藏温度80～100℃、地层压力1～10 MPa条件下，可燃气体爆炸下限为1.6%～2.4%，爆炸上限为27.2%～36.1%，爆炸范围为1.6%～36.1%，较之前理论分析所测得的爆炸范围4.76%～14.72%更宽，增加了系统的危险性。

一般来说，可通过控制可燃气体的浓度（浓度控制在爆炸下限以下或爆炸上限以上，但气体浓度在上限以上也不能证明是安全，也有可能发生燃烧，同时由于采出液的气油比相对固定，改变可燃气体浓度不易实现）或者是降低空气中氧气含量（在爆炸下限附近输入一定比例浓度的惰性气体N2），间接降低空气中氧气浓度，进而测定安全氧含量[6]。

1 MPa、40℃条件下安全氧含量测定记录见表4，其中燃爆用“+”表示，不燃爆用“-”表示。

采用逐步逼近法进行测试。保持可燃气体浓度为2.4%，将N2浓度由10%增加到30%均发生燃爆，当增加到40%时，惰性气体的增加降低了空气中的氧含量，不发生燃爆；保持N2含量不变，将可燃气体浓度增加至2.6%、3%后发生燃爆；随后保持可燃气体浓度3%不变，增加N2浓度到45%时可发生燃爆，再增加氮气浓度到50%时不发生燃爆。采用这种可燃气体和N2浓度相互增加的方法测试出当可燃气体浓度无论如何增加，均不会发生燃爆的点，此时对应的氧气含量即为安全氧含量（表4）。由此可见，1 MPa、40℃条件下安全氧含量为9.762 7%（表4）。同样，根据上述方法，对其他温度、压力下的安全氧含量进行测定，见表5。

表4 安全氧含量测定记录（1 MPa，40℃）Tab.4 Safety oxygen content determination record（1 MPa，40℃）

表5 不同温度、压力下可燃气体安全氧含量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，安全氧含量在高温高压条件下与采用化学法或作图法等理论计算相比均大幅降低，其中10 MPa、100℃条件时要求的安全氧含量最小为8.27%，较常温常压下两种理论计算方式分别降低了1.75和4.49个百分点。这是由于温度、压力的上升，提高了化学反应所需的惰性气体钝化浓度，分子之间的运动更加剧烈，单位时间内分子碰撞的机会更大，因此降低了系统安全系数，导致发生爆炸的危险性更大。