注空气驱油中油井伴生气爆炸极限实验研究.pdf

利用高温高压爆炸实验装置对不同温度、压力条件下油井伴生气的燃爆特性进行了研究,得到了爆炸极限的变化规律和安全氧含量。结果表明,初始温度和初始压力的升高均会扩大伴生气的爆炸极限范围,1 MPa、40 时的爆炸极限为 2.41%27.23%,而 20 MPa、120 时的爆炸极限变为 1.02%61.52%,范围变宽;爆炸下限和爆炸上限分别对温度和压力变化较为敏感;随着氧气浓度的减小,爆炸极限交汇一点,得到安全氧含量 7.8%。研究结果可为注气吞吐过程的安全控制提供实际参考。关键词:注空气驱油;伴生气;高温;高压;爆炸极限作者简介:王建伟,大学本科,1998 年毕业于西南石油学院,工程师,注册安全工程师。主要研究方向:安全管理、环保管理。目前,我国陆上油田的勘探和开发已进入中后期,原油含水率越来越高,油藏的平均空气渗透率也越来越低,导致常规注水压力较高,部分区块的注水压力已达 30 MPa 以上,且存在大量无效注水,不能为地层补充足够能量,限制了油田的稳定持续开发。注空气开发已被认为是提高原油采收率的有效方式,具有气源充足、易获取、不受空间限制等优点1-2。但与氮气、二氧化碳等注气介质不同,空气中含有的氧气与井筒伴生气混合后,在遇到点火源时,容易引发油气起火或爆炸事故3。针对空气驱油中面临的安全问题,诸多研究人员参照 在高温和高压下测定化学品可燃性极限的标准实施规程(ASTM E9182019)规程中的相关做法进行了实验研究,获得了不同温度、压力条件下烃类可燃气体的爆炸极限和安全氧含量,但多以单一介质为主,对于多元体系下的爆炸特性研究较少,且对井筒或地层深处的高压情况研究不足4-5。基于此,以某油田区块油井伴生气为研究对象,利用高温高压爆炸实验装置确定伴生气的爆炸极限,考察不同工况对燃爆特性的影响,以期 为 同 类 型 油 藏 的 注 气 开 发 提 供 理 论依据。1实验装置和方法1.1实验装置装置 由 高 温 高 压 反 应 釜、配 气 系 统、点 火装置、控温控 压 装 置 和 数 据 采 集 系 统 等 组 成,见图 1。图 1实验装置示意图28 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT虽然 ASTM E9182019 规程中推荐采用球形容器进行实验,但考虑到球形容器成本较高、制作困难,而 注气井 筒、生 产 井 筒 和 注 采 管 道均为圆柱形,故选择圆柱 形的反应 釜 作 为 爆 炸容器。反 应 釜 有 效 容 积 2.5 L,最 大 耐 压 70MPa,釜外有隔热结构的加热套管,最高加热温度 150 。配气 系 统 由 甲 烷、乙 烷、丙 烷、空气、氮气等气 瓶组成。点 火 装 置 采 用 高 能 点 火电极,点火后可在瞬间释放超过 20 J 的电火花,用于可燃气 体的点燃。控 温控压装 置 为 温 度 监测和压力监 测,用于观察 气体爆炸 时 产 生 的 超温、超压现象。数 据 采 集 系 统 由 计 算 机、打 印机和数据采 集模块等组 成,用于对 反 应 釜 内 的温度、压力等数据进行收集和控制。1.2实验方法在每次实验前,对反应釜进行氮气吹扫、抽真空操作,根据浓度比等于体积比的规律,向容器内依次注入可燃气体和空气,通过温压控制使工况维持在设定要求内,静置 10 min,然后开始点火操作,通过数据采集系统记录是否发生爆炸。利用逐步逼近法,找到可燃气体爆炸的浓度临界点,由此确定伴生气的爆炸极限。为保证实验结果的准确性,测试爆炸下限时,可燃气体体积每次的增量应不超过 5%;测试爆炸上限时,可燃气体体积每次的减量应不超过 2%。1.3实验条件以某油田区块的油井伴生气为例进行分析,伴生气组成为 85.15%甲烷、5.18%乙烷和 9.67%丙烷(摩尔分数)。考虑到井筒深部的温度为100 120、压力为 15 20 MPa,故取最高实验温度 120,最高实验压力20 MPa。根据前人研究结果6,压力对爆炸上限的影响较大,且当压力升高到一定值时,爆炸上限的变化较小,因此,实验时压力取值遵循先密后疏 的 原 则,取 1 MPa、2 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa,温度取值为40、60、80 和120。对于氮气和氧气的浓度,采用逐步逼近 法,通过不断增加氮 气或可燃气 体的 浓 度 进 行 计 算获取。2结果与讨论2.1实验现象辨别和爆炸判定依据通过反应釜的可视窗观察,当可燃气体浓度不在爆炸极限范围内时,点火后装置内无反应;当浓度在爆炸下限或爆炸上限附近时,可燃气体有一定点燃的可能性,点燃后伴随黄色不完全燃烧火焰,同时产生较小的响声;当可燃气体在爆炸极限范围内,且与助燃气体充分反应,点燃后伴随白色完全燃烧火焰,并产生较大响声。以上实验现象只能定性判别反应釜内是否发生爆炸,还需以超温、超压数据定量判断釜内是否发生爆炸,当点火前后的压力增加值大于0.05 MPa,温度上升值大于 10 时,即可判断发生爆炸6-8。鉴于温度参数受点火电极位置的影响较大,以压力增加值作为爆炸发生的主要判断依据。2.2爆炸下限变化规律通过逐步逼近法,确定不同温度、压力工况下伴生气的爆炸下限,见图 2。可见温度、压力均对爆炸下限产生一定影响,1 MPa、40 时的爆炸下限为 2.41%,而 20 MPa、120 时的爆炸下限为 1.02%,降低了约 57.6%。a)压力变化b)温度变化图 2不同温度、压力下爆炸下限实验结果38 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT爆炸下限的变化与压力呈负相关,但其随压力升高而降低的幅度逐渐减小,在压力高于10 MPa后,爆炸下限几乎不发生改变,两者呈对数关系。随着温度的升高,爆炸下限逐渐降低,但降低的幅度逐渐增大,在温度高于 100 后,爆炸下限明显降低。这是由于初始温度升高,迫使混合气体中活化物质的百分比有所增加,反应向正方向行进。相对而言,爆炸下限对温度变化更为敏感。2.3爆炸上限变化规律通过逐 步 逼 近 法 确 定 不 同 温 度、压 力 工 况下伴生气的爆炸上限,见图 3。可见温度、压力均对爆炸上限产生一定影响,1 MPa、40 时的爆炸上限为 27.23%,20 MPa、120 时的爆炸上限为 61.52%,升高了约 125.9%。工况改变对爆炸上限的影响 明显大于爆 炸 下 限,这 是 由于可燃 气 体 在 爆 炸 下 限 附 近 可 能 发 生 缓 慢 燃烧,火焰 传 播 速 度 较 慢,同 时 持 续 时 间 较 短,此时受可燃气体浓度的 限 制,爆 炸 下 限 附 近 氧气过量,导 致 不 同 工 况 下 对 爆 炸 下 限 的 影 响较小。a)压力变化b)温度变化图 3不同温度、压力下爆炸上限实验结果随着压力的升高,爆炸上限逐渐上升,但上升幅度越来越小,两者呈指数关系,推测当压力上升到一定程度后,爆炸上限将不再发生改变,这是由于压力增加,反应物之间的碰撞次数和碰撞几率越来越大,在加快反应速率的同时释放更多的能量支持反应持续进行,但这种反应受分子运动的影响,存在一定极限。随着温度的升高,爆炸上限缓慢增大,且压力越高,爆炸上限增加的趋势越明显,两者呈线性关系,这是由于温度升高,使活性物质处于激发态,促进了反应的进行。相对而言,爆炸上限对压力变化更为敏感。2.4爆炸区域拟合根据上述爆炸极限实验的研究结果,参照可燃气体和氧气体积分数的变化情况,对爆炸区域进行拟合,见图 4。随着氧气浓度的减小,可燃气体的爆炸下限有所上升,但增加幅度较小,而爆炸上限几乎沿着横坐标迅速降低,爆炸极限范围变窄,最终两者在低可燃气体浓度处汇集到一点,该点对应 的 氧 气 浓 度 即 为 安 全 氧 含 量,图 中 为7.8%。按照可燃气体报警装置的安全裕度为 2%核算,保守估计报警装置的报警值应设为 5%,当现场伴生气中的氧含量超过 5%时,应停止注气和油井工作;关闭一段时间后,如伴生气中氧含量小于 5%,则油井恢复工作;当氧含量小于 3%时,注气井应恢复注气活动。图 4可燃气体爆炸区域48 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT3结论利用爆炸实验装置,对高温、高压条件下油井伴生气的燃爆特性进行了研究,得到如下结论:(1)爆炸下限随压力的升高逐渐降低,但降低的幅度逐渐减小,两者呈对数关系;随温度的升高逐渐降低,当降低的幅度逐渐增大,爆炸下限对温度变化更为敏感。(2)爆炸上限随压力的升高逐渐上升,但上升的幅度逐渐减小,两者呈指数关系;随温度的升高逐渐上升,两者呈线性关系,爆炸上限对压力变化更为敏感。(3)爆 炸 极 限 范 围 从 1 MPa、40 时 的2.41%27.23%增 加 至 20 MPa、120 时 的1.02%61.52%,范围变宽;随着氧气浓度的减小,爆炸 极 限 汇 集 到 一 点,此 时 的 安 全 氧 含 量为 7.8%。参考文献1 高定祥,丁雯,任向海,等.空气-原油伴生气低温氧化反应 安 全 性 分 析 J.当 代 化 工,2021,50(6):1484-1487+1495.2 刘涛涛,贾泉升,刘成.多组分可燃气体爆炸极限研究现状及探讨 J.工业安全与环保,2022,48(9):53-55.3 张东清,李一博,刘劲歌,等.气体钻井井下燃爆界限计 算 模 型 J.科 学 技 术 与 工 程,2022,22(25):10945-10951.4 吴华杰,孙云厚,郑磊,等.可燃气体爆炸极限的理论预测方法研究 J.山西建筑,2022,48(13):73-75+113.5 于洪敏,左景栾,任韶然,等.注空气采油油井产出气体燃爆特性 J.中国石油大学学报(自然科学版),2010,34(6):99-103.6 肖丰浦,彭建福,侯秀芹,等.注氮作业井筒内可燃气体扩散特征数值模拟 J.安全 与 环境 学报,2022,22(2):756-762.7 赵利庆,杨国骏,李红波,等.注空气驱油工艺燃爆实验研究 J.油气田地面工程,2019,38(9):12-17.8 刘振翼,李浩,邢冀,等.不同温度下原油蒸气的爆炸极限和 临 界 氧 含 量 J.化 工 学 报,2011,62(7):1998-2004.58