【摘要】通過實驗，研究可燃氣體(甲烷)的爆炸極限規律和加入惰性氣體(氮氣)后可燃氣體臨界氧含量的變化規律，測定在特定條件下甲烷的爆炸極限范圍和安全氧含量，根據實驗結果，確定氧含量的安全標準并提出相應的事故預防與控制措施，確保注空氣采油技術實施過程中的風險處于可控制范圍內，使注空氣采油技術得到更廣泛的應用。

　　【關鍵詞】注空氣；爆炸極限；臨界氧含量；風險；安全氧含量

　　0前言

　　目前，我國很多油田的油藏開發已進入中后期，存在油井含水率高、投入產出比大、常規注水技術挖潛困難等問題，而其他提高采收率有效技術的選擇有限。如改進注水、注聚技術一樣，注氣(如注二氧化碳、天然氣或氮氣等)已被證明是一種高效的提高采收率技術，但存在氣源不足且成本高的情況，其應用受到限制，因而注空氣技術受到越來越多的重視。注空氣開采輕質油油藏是一項富有創造性的提高采收率新技術。空氣來源廣，成本廉價，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，注空氣過程中各個環節均存在著可燃性混合物爆炸的危險，這主要是因為注入空氣中含有氧氣，氧氣與原油在油藏發生氧化反應，消耗部分氧氣，但在氧化反應不完全的情況下，地層中的輕烴組分就會和氧氣形成混合性爆炸氣體，當混合氣的濃度達到爆炸范圍時，在一定條件下就會發生爆炸事故。一旦發生爆炸事故，將直接導致生產井和注入井的廢棄以及注氣管線的全面破壞，更有甚者將會引起井噴造成更大的人員財產損失。

　　目前，井下可燃氣體燃爆特性的現場研究國內外都不多，而且不同的油藏區塊其壓力和溫度是不同的，在現有的文獻資料范圍內，不可能索取到可信的數據。因此，需要針對不同的工況條件，對可能形成的可燃性混合氣體進行燃爆特性的專項試驗研究。

　　該項研究工作，由于現場條件的局限性，不可能在現場完成，而只能通過實驗的方法，根據實驗結果制定出現場氧含量監測的安全標準，通過實驗結果還可以進一步評價注空氣采油過程中存在風險的等級，制定相應的預防控制措施，降低注空氣采油造成的事故后果。將事故的發生率及嚴重度控制在人們可接受的范圍內，為注空氣采油技術在我國的廣泛應用做好安全技術工作。

　　1實驗裝置及實驗原理

　　1.1實驗裝置

　　由爆炸裝置示意圖可以看出，爆炸室是整個系統的核心部件，其形狀、大小將直接影響氣體爆炸特性參數的測試結果，它設計的好壞直接關系到整個實驗過程的工作質量和安全，從原理上講，球形容器省材料，點火位置也易于控制在整個容器的中心，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。在實驗誤差范圍內等高圓柱體與球形容器的測試結果很接近，而且圓柱形容器省材，易于加工、裝卸、支撐，密封問題也好解決，在實際生產中注氣井和生產井多為圓柱體管道，采用圓柱體與實際更接近，所以，爆炸室采用了等高圓柱體的形狀，其容積為24L，以保證實驗結果更接近于實際。

　　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、點火和安全控制系統組成。

 

　　1.2測試原理

　　根據爆炸理論，能使可燃性混合氣體發生爆炸所必需的最低可燃氣體濃度，稱為爆炸下限；而最高可燃氣體濃度，稱為爆炸上限。臨界氧含量是指當給以足夠的點燃能量能使某一濃度的可燃氣體剛好不發生燃燒爆炸的臨界最高氧濃度，即為爆炸與不爆的臨界點。若氧含量高于此濃度，便會發生燃燒或爆炸，氧含量低于此濃度便不會發生燃燒或爆炸。

　　安全氧含量是指當給以足夠高的點火能量都不能使任意濃度的可燃氣體或液體蒸氣發生爆炸的臨界最高氧濃度，氧含量高于該濃度，對于某一濃度的可燃氣體會發生燃燒爆炸，但是若氧含量低于此濃度則對任意濃度的可燃氣體都不會發生燃燒或爆炸。通常最低臨界氧含量即為安全氧含量。

　　目前，國內外對油田注空氣條件下安全氧含量防爆極限的研究不是很多，油井氧含量安全標準的制定還沒有可靠的實驗數據，各個公司都有各自的安全標準，采用最多的是當氧含量大于5%時即采取相應的壓井或關井措施。

　　2實驗結果分析

　　筆者采用甲烷代替采出氣做了大量實驗，分別對他們的爆炸極限及爆炸范圍以及氧含量的安全限值進行了測試，得出的相關數據如表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，爆炸下限變化更小，以至于目前的設備測試不出降幅程度。也就是說目前能測得的爆炸下限最低為4.76%，其對應的氧含量為20%。在只有可燃氣體和空氣的混合系統中，可燃氣體的爆炸下限和氧含量是此消彼長的關系，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量的，所以爆炸下限對應的氧含量對制定氧含量的安全標準影響不大。

　　在實驗中，重點分析研究甲烷的爆炸上限以及對應的氧含量和不同配比惰性氣體對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，所對應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，分子運動劇烈，活化分子碰撞次數增多，反應更容易進行，所需要的氧應該減小，因此，使燃燒反應更容易進行，所以爆炸范圍變寬，爆炸危險性增大。

　　從圖中可以看出，隨著溫度壓力的升高，爆炸極限變化趨勢相對緩慢。

　　目前，在實驗室現有的條件下測得甲烷的爆炸極限范圍為4.76%～16.95%，雖然實驗室條件與現場工況條件還有一定的差距，但是對實際應用有一定的參考和指導作用。

 

 

 

　　溫度、壓力和惰性氣體等因素都對爆炸極限和氧含量產生不同程度的影響。根據它們的不同影響，可通過加入惰性氣體減少反應中氧濃度，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，當加入惰性氣體，如氮氣，混合氣體中的氧含量相對減小，會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，該點則為爆炸臨界點，該點對應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，無論可燃性氣體與惰性氣體含量發生任何變化，也不會發生爆炸。要控制爆炸的發生，將可燃氣體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。

　　從經濟、作業因素的具體條件而論，無法控制可燃氣體的濃度和爆炸范圍，所以只能將氧含量控制在安全氧含量以下，并適當附加一定的安全系數。

　　油田各個油井的平均溫度在90℃左右，生產井中環空管一般處于放空狀態，壓力在1MPa左右，所以取與工況條件相似的一組數據分析作圖(見表3、圖4、圖5)，可以直觀地看出：

 

 

　　1)甲烷隨著氮氣量的增加，氧體積分數逐漸下降，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)在氮氣量增加到一定比例時，爆炸范圍會聚為一點，超過此點混合氣體即退出爆炸范圍，此點為爆炸臨界點；

　　3)對應的氧含量也集中到一點，為最低臨界氧含量；

　　4)可見增加氮氣量除了氮氣的惰化作用，主要是減小了混合氣體中的氧含量，導致爆炸極限發生變化。當氮氣/甲烷大于6時進入不爆范圍。

 

　　從圖中可以明顯看出，在整個爆炸范圍內，氧含量對爆炸下限影響較小，而對上限影響卻很大。隨著氮氣比例的增大，下限附近的氧含量相對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，氧始終處于過剩狀態，爆炸與否主要是在于可燃氣體的含量大小，由于過量空氣或其他氣體的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延和反應的進一步發生，因此，即使增加或減少氧氣，下限也不會有明顯變化。

　　在上限附近，可燃性混合氣體存在發生爆炸時所需的最大氧含量，上限值所對應的氧含量即是其時所需的最小氧含量，二者之間是此消彼長的關系，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系，若氧含量低于上限對應的臨界氧濃度，上限值也會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境，上限還會繼續增大，直至純氧環境中的上限值。

　　在爆炸范圍內，可燃物每一濃度都對應惟一的臨界氧濃度，因此，可運用數值分析原理根據所給定的部分數據擬合出相應的規律函數。筆者選取最接近工況條件的一組數據來擬合出4次函數：

 

　　其對應模擬圖形如圖6所示。這樣對可燃氣爆炸范圍內不同濃度所對應的臨界氧濃度都可以從理論上估算出。

　　3結論

　　1)用甲烷替代天然氣或采出氣來做實驗，取得的實驗結果，還必須從安全的角度出發，考慮一些特殊情況或意外因素導致的危險有害因素的影響后，在實驗數據的基礎上加以一定的安全系數才可以應用于實際生產中。

　　2)通過實驗可以看出，該項研究中測得的臨界氧含量的最小值(12.35%)大于目前公認的理論臨界氧含量的最小值(10%)。

　　3)由于現場條件的復雜性及安全控制的要求，通過分析研究在注空氣過程中外界因素對油氣混合物爆炸的影響，建議將實驗值乘以一定的安全系數，提出現場安全氧含量的監測標準為8%，其參考范圍為5%～8%。即當監測到生產井內氧氣濃度超過5%時，應啟動安全預警措施；當氧氣濃度達到8%時，油井關井，注入井停注。關井一段時間后，連續加密取樣監測氧氣的含量，當氧氣濃度小于5%時，油井恢復生產，當氧氣濃度小于3%時，注入井恢復注空氣、空氣泡沫或注水等措施。