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　　【摘要】通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究可燃?xì)怏w(甲烷)的爆炸極限規(guī)律和加入惰性氣體(氮?dú)?后可燃?xì)怏w臨界氧含量的變化規(guī)律，測(cè)定在特定條件下甲烷的爆炸極限范圍和安全氧含量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定氧含量的安全標(biāo)準(zhǔn)并提出相應(yīng)的事故預(yù)防與控制措施，確保注空氣采油技術(shù)實(shí)施過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)處于可控制范圍內(nèi)，使注空氣采油技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。

　　【關(guān)鍵詞】注空氣；爆炸極限；臨界氧含量；風(fēng)險(xiǎn)；安全氧含量

　　0前言

　　目前，我國(guó)很多油田的油藏開(kāi)發(fā)已進(jìn)入中后期，存在油井含水率高、投入產(chǎn)出比大、常規(guī)注水技術(shù)挖潛困難等問(wèn)題，而其他提高采收率有效技術(shù)的選擇有限。如改進(jìn)注水、注聚技術(shù)一樣，注氣(如注二氧化碳、天然氣或氮?dú)獾?已被證明是一種高效的提高采收率技術(shù)，但存在氣源不足且成本高的情況，其應(yīng)用受到限制，因而注空氣技術(shù)受到越來(lái)越多的重視。注空氣開(kāi)采輕質(zhì)油油藏是一項(xiàng)富有創(chuàng)造性的提高采收率新技術(shù)。空氣來(lái)源廣，成本廉價(jià)，既可以作為二次采油方式，也可用于3次采油。

　　與其他注氣工藝不同的是，注空氣過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)均存在著可燃性混合物爆炸的危險(xiǎn)，這主要是因?yàn)樽⑷肟諝庵泻�有氧氣，氧氣與原油在油藏發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗部分氧氣，但在氧化反應(yīng)不完全的情況下，地層中的輕烴組分就會(huì)和氧氣形成混合性爆炸氣體，當(dāng)混合氣的濃度達(dá)到爆炸范圍時(shí)，在一定條件下就會(huì)發(fā)生爆炸事故。一旦發(fā)生爆炸事故，將直接導(dǎo)致生產(chǎn)井和注入井的廢棄以及注氣管線的全面破壞，更有甚者將會(huì)引起井噴造成更大的人員財(cái)產(chǎn)損失。

　　目前，井下可燃?xì)怏w燃爆特性的現(xiàn)場(chǎng)研究國(guó)內(nèi)外都不多，而且不同的油藏區(qū)塊其壓力和溫度是不同的，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料范圍內(nèi)，不可能索取到可信的數(shù)據(jù)。因此，需要針對(duì)不同的工況條件，對(duì)可能形成的可燃性混合氣體進(jìn)行燃爆特性的專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)研究。

　　該項(xiàng)研究工作，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的局限性，不可能在現(xiàn)場(chǎng)完成，而只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果制定出現(xiàn)場(chǎng)氧含量監(jiān)測(cè)的安全標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以進(jìn)一步評(píng)價(jià)注空氣采油過(guò)程中存在風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)，制定相應(yīng)的預(yù)防控制措施，降低注空氣采油造成的事故后果。將事故的發(fā)生率及嚴(yán)重度控制在人們可接受的范圍內(nèi)，為注空氣采油技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用做好安全技術(shù)工作。

　　1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理

　　1.1實(shí)驗(yàn)裝置

　　由爆炸裝置示意圖可以看出，爆炸室是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，其形狀、大小將直接影響氣體爆炸特性參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，它設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的工作質(zhì)量和安全，從原理上講，球形容器省材料，點(diǎn)火位置也易于控制在整個(gè)容器的中心，但是球形容器加工制作比較困難，成本也高，因而有一定局限性。在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)等高圓柱體與球形容器的測(cè)試結(jié)果很接近，而且圓柱形容器省材，易于加工、裝卸、支撐，密封問(wèn)題也好解決，在實(shí)際生產(chǎn)中注氣井和生產(chǎn)井多為圓柱體管道，采用圓柱體與實(shí)際更接近，所以，爆炸室采用了等高圓柱體的形狀，其容積為24L，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近于實(shí)際。

　　圖1所示為爆炸裝置的示意圖，主要有爆炸容器、配氣裝置、控溫控壓、點(diǎn)火和安全控制系統(tǒng)組成。

 

　　1.2測(cè)試原理

　　根據(jù)爆炸理論，能使可燃性混合氣體發(fā)生爆炸所必需的最低可燃?xì)怏w濃度，稱(chēng)為爆炸下限；而最高可燃?xì)怏w濃度，稱(chēng)為爆炸上限。臨界氧含量是指當(dāng)給以足夠的點(diǎn)燃能量能使某一濃度的可燃?xì)怏w剛好不發(fā)生燃燒爆炸的臨界最高氧濃度，即為爆炸與不爆的臨界點(diǎn)。若氧含量高于此濃度，便會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸，氧含量低于此濃度便不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。

　　安全氧含量是指當(dāng)給以足夠高的點(diǎn)火能量都不能使任意濃度的可燃?xì)怏w或液體蒸氣發(fā)生爆炸的臨界最高氧濃度，氧含量高于該濃度，對(duì)于某一濃度的可燃?xì)怏w會(huì)發(fā)生燃燒爆炸，但是若氧含量低于此濃度則對(duì)任意濃度的可燃?xì)怏w都不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。通常最低臨界氧含量即為安全氧含量。

　　目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)油田注空氣條件下安全氧含量防爆極限的研究不是很多，油井氧含量安全標(biāo)準(zhǔn)的制定還沒(méi)有可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各個(gè)公司都有各自的安全標(biāo)準(zhǔn)，采用最多的是當(dāng)氧含量大于5%時(shí)即采取相應(yīng)的壓井或關(guān)井措施。

　　2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　筆者采用甲烷代替采出氣做了大量實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)他們的爆炸極限及爆炸范圍以及氧含量的安全限值進(jìn)行了測(cè)試，得出的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

 

　　由表1可以看出爆炸下限隨著溫度壓力的升高而逐漸降低，但是降低幅度不是很大，尤其是降到一定值時(shí)，爆炸下限變化更小，以至于目前的設(shè)備測(cè)試不出降幅程度。也就是說(shuō)目前能測(cè)得的爆炸下限最低為4.76%，其對(duì)應(yīng)的氧含量為20%。在只有可燃?xì)怏w和空氣的混合系統(tǒng)中，可燃?xì)怏w的爆炸下限和氧含量是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，爆炸下限降低，氧含量必定升高，在爆炸下限附近氧含量是過(guò)量的，所以爆炸下限對(duì)應(yīng)的氧含量對(duì)制定氧含量的安全標(biāo)準(zhǔn)影響不大。

　　在實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)分析研究甲烷的爆炸上限以及對(duì)應(yīng)的氧含量和不同配比惰性氣體對(duì)爆炸極限和臨界氧含量的影響。

　　由表2做出的圖2和圖3可以看出甲烷爆炸上限隨著溫度和壓力的增大逐漸升高，所對(duì)應(yīng)的氧含量則是逐漸降低的，原因是在爆炸上限附近氧是不足的，溫度和壓力的升高使得分子間距變小，分子的活化能增大，分子運(yùn)動(dòng)劇烈，活化分子碰撞次數(shù)增多，反應(yīng)更容易進(jìn)行，所需要的氧應(yīng)該減小，因此，使燃燒反應(yīng)更容易進(jìn)行，所以爆炸范圍變寬，爆炸危險(xiǎn)性增大。

　　從圖中可以看出，隨著溫度壓力的升高，爆炸極限變化趨勢(shì)相對(duì)緩慢。

　　目前，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件下測(cè)得甲烷的爆炸極限范圍為4.76%～16.95%，雖然實(shí)驗(yàn)室條件與現(xiàn)場(chǎng)工況條件還有一定的差距，但是對(duì)實(shí)際應(yīng)用有一定的參考和指導(dǎo)作用。

 

 

 

　　溫度、壓力和惰性氣體等因素都對(duì)爆炸極限和氧含量產(chǎn)生不同程度的影響。根據(jù)它們的不同影響，可通過(guò)加入惰性氣體減少反應(yīng)中氧濃度，或者是降壓、降溫等辦法以縮小爆炸極限范圍，降低氧濃度，從而將其控制在爆炸范圍之外。

　　在可燃性混合氣體中，當(dāng)加入惰性氣體，如氮?dú)猓�混合氣體中的氧含量相對(duì)減小，會(huì)有效縮小爆炸極限范圍，使爆炸下限有少量上移，爆炸上限卻下移許多。爆炸范圍最終聚為一點(diǎn)，該點(diǎn)則為爆炸臨界點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氧含量即為最低臨界氧含量。如果加入的惰性氣體能使可燃性氣體的氧濃度在最低臨界氧含量以下，無(wú)論可燃性氣體與惰性氣體含量發(fā)生任何變化，也不會(huì)發(fā)生爆炸。要控制爆炸的發(fā)生，將可燃?xì)怏w控制在爆炸范圍以外或者氧含量低于臨界氧含量的最低值即安全氧含量是最安全的方法。

　　從經(jīng)濟(jì)、作業(yè)因素的具體條件而論，無(wú)法控制可燃?xì)怏w的濃度和爆炸范圍，所以只能將氧含量控制在安全氧含量以下，并適當(dāng)附加一定的安全系數(shù)。

　　油田各個(gè)油井的平均溫度在90℃左右，生產(chǎn)井中環(huán)空管一般處于放空狀態(tài)，壓力在1MPa左右，所以取與工況條件相似的一組數(shù)據(jù)分析作圖(見(jiàn)表3、圖4、圖5)，可以直觀地看出：

 

 

　　1)甲烷隨著氮?dú)饬康脑黾樱�氧體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，爆炸極限范圍迅速縮小，其中下限升高幅度不大，而上限急劇下降；

　　2)在氮?dú)饬吭黾拥揭欢ū壤龝r(shí)，爆炸范圍會(huì)聚為一點(diǎn)，超過(guò)此點(diǎn)混合氣體即退出爆炸范圍，此點(diǎn)為爆炸臨界點(diǎn)；

　　3)對(duì)應(yīng)的氧含量也集中到一點(diǎn)，為最低臨界氧含量；

　　4)可見(jiàn)增加氮?dú)饬砍�了氮�(dú)獾亩杌�作用，主要是減小了混合氣體中的氧含量，導(dǎo)致爆炸極限發(fā)生變化。當(dāng)?shù)獨(dú)?甲烷大于6時(shí)進(jìn)入不爆范圍。

 

　　從圖中可以明顯看出，在整個(gè)爆炸范圍內(nèi)，氧含量對(duì)爆炸下限影響較小，而對(duì)上限影響卻很大。隨著氮?dú)獗壤�的增大，下限附近的氧含量相�?duì)上限附近的氧含量下降較快，而甲烷爆炸上限卻下降更快，下限變化不大。

　　分析可知：在下限附近，氧始終處于過(guò)剩狀態(tài)，爆炸與否主要是在于可燃?xì)怏w的含量大小，由于過(guò)量空氣或其他氣體的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延和反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，因此，即使增加或減少氧氣，下限也不會(huì)有明顯變化。

　　在上限附近，可燃性混合氣體存在發(fā)生爆炸時(shí)所需的最大氧含量，上限值所對(duì)應(yīng)的氧含量即是其時(shí)所需的最小氧含量，二者之間是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，若上限值增大，所需要的最小氧含量減小，反之最小氧含量增大。

　　臨界氧濃度與爆炸極限成正比關(guān)系，若氧含量低于上限對(duì)應(yīng)的臨界氧濃度，上限值也會(huì)迅速減小直至臨界可燃濃度；反之若加大氧氣比例至純氧環(huán)境，上限還會(huì)繼續(xù)增大，直至純氧環(huán)境中的上限值。

　　在爆炸范圍內(nèi)，可燃物每一濃度都對(duì)應(yīng)惟一的臨界氧濃度，因此，可運(yùn)用數(shù)值分析原理根據(jù)所給定的部分?jǐn)?shù)據(jù)擬合出相應(yīng)的規(guī)律函數(shù)。筆者選取最接近工況條件的一組數(shù)據(jù)來(lái)擬合出4次函數(shù)：

 

　　其對(duì)應(yīng)模擬圖形如圖6所示。這樣對(duì)可燃?xì)獗�炸范圍�?nèi)不同濃度所對(duì)應(yīng)的臨界氧濃度都可以從理論上估算出。

　　3結(jié)論

　　1)用甲烷替代天然氣或采出氣來(lái)做實(shí)驗(yàn)，取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還必須從安全的角度出發(fā)，考慮一些特殊情況或意外因素導(dǎo)致的危險(xiǎn)有害因素的影響后，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加以一定的安全系數(shù)才可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

　　2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，該項(xiàng)研究中測(cè)得的臨界氧含量的最小值(12.35%)大于目前公認(rèn)的理論臨界氧含量的最小值(10%)。

　　3)由于現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜性及安全控制的要求，通過(guò)分析研究在注空氣過(guò)程中外界因素對(duì)油氣混合物爆炸的影響，建議將實(shí)驗(yàn)值乘以一定的安全系數(shù)，提出現(xiàn)場(chǎng)安全氧含量的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為8%，其參考范圍為5%～8%。即當(dāng)監(jiān)測(cè)到生產(chǎn)井內(nèi)氧氣濃度超過(guò)5%時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)安全預(yù)警措施；當(dāng)氧氣濃度達(dá)到8%時(shí)，油井關(guān)井，注入井停注。關(guān)井一段時(shí)間后，連續(xù)加密取樣監(jiān)測(cè)氧氣的含量，當(dāng)氧氣濃度小于5%時(shí)，油井恢復(fù)生產(chǎn)，當(dāng)氧氣濃度小于3%時(shí)，注入井恢復(fù)注空氣、空氣泡沫或注水等措施。

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