基于绝热火焰温度的空气钻井井下燃爆界限预测方法研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：李一博，博士研究生，主要研究方向为气体钻井、井下燃爆等。通信作者：李红涛，博士，副研究员，主要研究方向为欠平衡钻井、控压钻井、多相流等。：基于绝热火焰温度的空气钻井井下燃爆界限预测方法研究李一博，李红涛，赵强，孟英峰，李皋，黄婉妮（西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 ；中国石油集团渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司，河北 沧州 ）摘要：为进一步准确、高效预测空气钻井井下燃爆界限，首先基于恒压、恒焓原则下的绝对焓守恒理论，推导出 化合物燃烧的绝热火焰温度普适模型，提出使用绝热火焰温度预测空气钻井井下燃爆界限的方法；然后利用高温高压（，）条件下的甲烷 空气燃爆实验数据，分析燃爆界限预测结果的有效性；最后，以马 井为例，提出基于绝热火焰温度预测燃爆界限的钻井现场应用方法。研究结果表明：预测结果与实验结果一致性较高，最大绝对误差为 ；随着井深增加，井下燃爆界限范围不断变宽，燃爆上限变化幅度大于燃爆下限；通过摩尔分数与体积流量之间关系，能够使燃爆界限以甲烷产量的形式得以表现。研究结果可实现在钻井现场快速、准确预测燃爆界限，为预防井下燃爆、提高空气钻井安全性提供一定参考。关键词：绝热火焰温度；燃爆界限；空气钻井；快速预测中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（，），：；引言空气钻井是指使用空气作为循环介质在地层中进行钻进的技术，相较于钻井液，其空气密度较低，能够提供更高的机械钻速，因此被广泛应用于干硬地层和水敏性地层中。因具备低价格、高效率、无污染等特性，空气钻井技术应用较为广泛 。但需要指出的是，即使在非储层段，地层中也存在一定量以甲烷为主的地层气，如果发生钻遇，地层气将进入环空，并与空气混合，进而引发井下燃爆风险。近年来，空气钻井井下燃爆造成钻具损毁的事故屡见不鲜 。防控井下燃爆的主要方法是确定地层气体在井下的燃爆界限，调整注气参数，避免地层气体浓度处于燃爆范围内。燃爆界限一般是通过实验确定，目前已有大量相关实验燃爆数据，但井下燃爆界限的研究需要模拟井下高温、高压等特殊环境条件，该条件的限制易导致实验结果误差较大。在 世纪，一些学者发现，不同低碳烃类气体在燃爆下限处的绝热火焰温度 值 较 为 相似 。等 提出利用绝热火焰温度计算燃爆界限的方法；等 提出计算碳氢气体、惰性气体、氧气混合后的气体燃爆界限模拟模型，该模型要求预先确 定 标 准 温 度，以 此 判 断 是 否 满 足 燃 爆 条 件。等 将 作为甲烷和乙烷燃爆界限的绝热火焰温度；马秋菊等 设定多组分混合物在空气中的爆炸下限温度为 ；等 计算多种烃类物质的平均绝热火焰温度，并将其作为判断该可燃物与空气混合后是否燃烧的标准，在燃爆下限处取得与实验数据较为一致的研究结果；等 对多元可燃烃类混合气绝热火焰温度和燃爆下限关系开展研究，证明通过绝热火焰温度法可以较为准确地获取单一和多元烃类气体的燃爆下限。世纪之后，相关学者们普遍认为，烃类可燃气体在燃爆界限处的绝热火焰温度为 。虽然对于燃爆上限而言，贫氧状态下的绝热火焰温 度 计 算 方 法 并 不 少 见 ，但 等 、万鑫 通过验证得到，使用与燃爆下限相同的绝对火焰温度来确定相同条件的燃爆上限时，存在较大误差，并认为该误差是由于燃爆上限处燃烧产物成分较为复杂引起的。目前，利用绝热火焰温度预测燃爆界限的方法已被广泛应用，但该方法主要应用于常温常压条件下的燃爆下限预测，其原因主要是高温高压下燃爆界限对应的绝热火焰温度难以确定。通过实验测得燃爆界限，反推出与之对应的绝热火焰温度，可作为判断可燃物是否燃爆的标准，但该过程对实验结果具有一定依赖性，因此其应用也一定程度上被限制。鉴于此，本文首先利用恒压、恒焓原理对燃烧反应的绝热火焰温度进行计算，再根据现有燃爆界限实验数据分别拟合出燃爆下限和上限绝热火焰温度经验公式，该公式可在高温高压条件下使用；然后，结合环空流动控制方程和相应的求解方法，提出 种使用绝热火焰温度预测空气钻井井下燃爆界限的方法。研究结果可为通过调整注气参数进而预防井下燃爆事故的方法研究提供一定参考。绝热火焰温度 计算绝热火焰温度在绝热状态下，可燃物燃烧过程保持恒压、恒焓，在达到化学平衡后能够使整个系统温度升高至最高工作温度，该温度即为绝热火焰温度 。可燃物燃烧反应前后的定焓关系如式（）所示：反，（，）生，（，）（）式中：反，为 类反应物的绝对焓，；生，为 类生成物的绝对焓，；，分别为反应物和生成物的种类；为反应初始温度，；为绝热火焰温度，；，分别为反应初始压力和最终压力，。绝对焓分为生成焓与显焓，通过绝对焓守恒原理得到关系，如式（）所示：生（，）反（，）（）式中：生为生成物的生成焓，；反为反应物的生成焓，；为生成物的量，；为定压比热容，（）；为反应过程中系统的温度，；反应过程中系统压力，。大多数可 燃 物 质 是 由 ，元 素 组 成，本 文 以 化合物在空气中燃烧为例，提出式（）用于计算燃烧反应绝热火焰温度的方法。在富氧状态下，可燃物被充分氧化、燃烧，如式（）所示 ：（）式中：，分别为可燃物分子式中 ，元素的个数；为燃烧反应中 的化学计量数。为简化计算过程，比热容的取值为 个积分温度界限平均值，如式（）所示：（）（）（）（）（）式中：为平均比热容，（）。将式（）代入式（），对式（）进行定焓计算，得到绝热火焰温度，如式（）所示：中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷 （）（），（，），（）式中：为可燃物 的 量，；为 燃 烧热，；，分别为 ，的平均比热容，（）；，均为绝热火焰温度计算公式缩减产生的中间系数。在贫氧状态下，不足以支持可燃物被充分氧化时，反应过程中出现中间产物。在燃爆上限处，简化反应过程，可燃物与 反应生成 和，剩余 优先与 反应生产 ，反应过程如式（）所示 ：（）将式（）中的化学反应进行定焓计算，得到贫氧状态下的绝热火焰温度，如式（）所示：，（），（）（），（，），（）式中：为贫氧状态下的绝热火焰温度，；，为式（）中反应的燃烧热，；，为式（）中反应的燃烧热，；，均为贫氧状态下的绝热火焰温度计算公式缩减时产生的中间系数。对于其他数量可燃物和 的燃烧反应，在已知反应产物种类及数量额基础上，同样按照式（）、式（）方法进行计算，但某些中间产物会给计算带来较大难度，如 、等 。目前，通过应用 、和 等化学平衡计算软件可在明确反应元素、机理、热力学数据情况下，直接进行绝热火焰温度计算 。预测燃爆下限在常温常压下，不同类型有机化合物在燃爆下限处的绝热火焰温度数值近似相等，一些学者认为可燃物燃爆下限处的绝热火焰温度可能在 之间，绝热火焰温度的数值因可燃物的种类变化而变化 。等 提出，某可燃物质的平均绝热火焰温度值可视为其在燃爆下限处的绝热火焰温度，该结果被广泛应用。计算全部绝热火焰温度后取平均值的方法虽然可以有效获取燃爆下限，但同样也面临工作量较大等问题。在初始压力维持不变的情况下，燃爆下限处的绝热火焰温度并不会随初始温度改变而变化 ，因此本文以甲烷 空气为例，提出通过数值模拟预测甲烷在空气中燃爆界限的计算方法。本文甲烷在空气中的燃爆界限表示 甲 烷 物 质 的 量 与 混 合 气 物 值 的 量 之 比 乘 以 ，其单位用为来表示。根据文献 可知，在不同初始压力下甲烷在空气中燃爆下限处的绝热火焰温度，如图 所示。图 不同初始压力下甲烷在空气中燃爆下限处的绝热火焰温度 由图 可知，绝热火焰温度与初始压力存在明显的线性关系，对数据进行线性拟合，得到甲烷在空气中的燃爆下限绝热火焰温度经验公式，如式（）所示：，（）式中：，为燃爆下限处的绝热火焰温度，。通过式（）计算出不同压力下的燃爆下限绝热火焰温度，将其与式（）计算结果对比，可得到燃爆下限处甲烷摩尔分数。如图 、图 所示，分别为在初始温度为、初始压力为 时，燃爆下限预测值与实验值的比较 ，计算结果与公开数据吻合度较好，说明拟合得出的燃爆下限绝热火焰温度与采用平均值计算的结果基本相同，同时绝热火焰温度法适用于可燃物燃爆下限的计算。预测燃爆上限直接采用燃爆下限时的绝热火焰温度对燃爆上限值进行计算时，预测值与实验测量值之间存在较大误差。因此，为得到燃爆上限处的绝热火焰温度，根据文献 得到的高温高压燃爆实验结果，获取不同初始温度和初始压力下的燃爆上限，并通过上文计算方法得到与燃爆上限对应的绝热火焰温度。假设在燃爆上限处的绝热火焰温度与反应初始温度无关，这时对不同温度下的绝热火焰温度值取平均值，得到不同初始压力下甲烷在空气中燃爆上限处的绝热火焰温度关系，如图所示。第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术图 初始温度为 时，燃爆下限预测值与实验值的比较 图 初始压力为 时，燃爆下限预测值与实验值的比较 图 不同初始压力下甲烷在空气中燃爆上限处的绝热火焰温度 由图 可知，在初始压力小于 时，绝热火焰温度受压力影响较大；而压力在 以上时，压力增大导致燃爆上限处绝热火焰温度缓慢减小，说明随压力的增大，其对燃爆上限处绝热火焰温度的影响程度减缓。为研究在该阶段中，如果忽略温度影响是否会导致计算结果与实验结果误差过大，本文利用平均绝热火焰温度计算燃爆上限，并将计算结果与实验结果相比较，如图 所示。图 不同初始温度下，燃爆上限预测值与实验值对比 从图 可以看出，在初始压力约为 、初始温度约为 时，得到最大绝对误差为 ，平均绝对误差为 。另外，在实际气体钻井井下工况最高压力普遍在 之间，低压下实验值和预测值的误差更小，因此忽略初始温度能够满足燃爆上限计算的精度要求。利用图 中的初始压力与绝热火焰温度的关系，得到预测燃爆上限处绝热火焰温度经验公式，如式（）所示：，（），（）（）（）式中：，为燃爆上限处的绝热火焰温度，。空气钻井井下燃爆界限预测方法空气钻井流动参数随井深的变化而变化，需要确定井下的温度和压力，而在对气体压缩性、膨胀性、黏性等参数的预测结果与液体之间存在较大差异，因此建立空中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷气钻井流场时，不能直接套用液体相关流动参数计算模型。在建立流动控制方程前，做出以下 项基本假设：）气体在井内视作一维流动，井内温度按照地温梯度计算。）忽略流道截面改变和气液相变造成的能量损失。）井筒内流动视为纯气相流动，忽略岩屑影响。将控制方程中的剪切项直接以摩擦力的形式表现，流体在井下所受的质量力仅为重力，则空气钻井环空流动控制方程 如式（）所示：（），（）（）（）式中：为气体密度，；为气体流速，；为垂向距离，；为时间，；为摩擦阻力系数；为等效直径，；为井斜角，（）；为重力加速度，。简化井下流动状态为稳态，得到求解方程如式（）所示：()（）（）式中：为下 个节点压力，；为当前节点压力，；为下 节点流速，；为当前节点流速，；为节点序号；为环空当量直径，；为网格高度，。对于井下温度，本文采用地温梯度法进行计算，如式（）所示：（）式中：为下 个节点温度，；为当前节点温度，；为地温梯度，（）。在井下各节点温度和压力已确定的基础上，应用上文所述方法计算出燃爆界限处的绝热火焰温度 ，和 ，然后通过甲烷数量与绝热燃烧温度之间关系得到当前节点燃爆界限。通过汇总式（）（）得到结果，如式（）所示：（）（，）（）（，）（，）（），（，）（），（），（）式中：为甲烷在空气中的燃爆下限，；为甲烷在 空 气 中 的 燃 爆 上 限，；为 空 气 和 甲 烷 的 总量，。以马 井为例计算空气钻井时的燃爆界限，井身结构及钻具参数如表 所示，地温梯度 ，注气量 ，地层不出水。表 马 井身结构及钻具尺寸 名称长度 通径 一开 二开 三开 裸眼 钻铤 钻杆 根据式（）（）计算得到不同井深的燃爆界限，如图 所示，随着井深增加，井下温度和压力不断升高，燃爆界限范围愈发宽广，这说明在更深位置发生燃爆的可能性越大。此外，燃爆上限随井深增加其变化幅度较大，但燃爆下限随井深增加其变化幅度较小。图 不同井深的燃爆界限 利用摩尔分数与体积流量的关系，将燃爆界限以甲烷产量的形式展现，如图 所示，得到不同井深对应的井下燃爆区，通过监测现场甲烷产量，判断井下是否处于燃爆区，同时指导注气量等施工参数调整，避免地层气产量处于燃爆范围内。空气钻井现场应用该方法时，应注意所处地理位置对井筒内流动状态的影响，特别是在高海拔、高寒地区，应以当地大气压和温度作为计算初始条件。此外，空气钻井过程中注气量经常动态调整，且随着井深增加，钻第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术图 不同井深发生燃爆的甲烷产量 具组合和井身结构会改变，现场应用时应紧密结合注气量、钻井深度和钻具尺寸等影响整个井筒流动情况的可变参数，实时完成井下燃爆界限及其对应的甲烷产量计算。结论）化学反应在恒压、恒焓条件下进行时，反应物与生成物的绝对焓为定值，利用该关系可计算可燃物燃烧能够达到的最高温度，即绝热火焰温度。）利用现有燃爆实验数据计算燃爆下限和上限处的绝热火焰温度时，均可忽略初始温度的影响，仅以初始压力作为变量，所得结果误差较小。）研究拟合的绝热火焰温度经验公式计算精度较高，基本 上 能 够 满 足 空 气 钻 井 井 下 燃 爆 界 限 的 计 算要求。）随着井深增加，燃爆界限不断变宽，燃爆上限变化幅度大于燃爆下限；利用摩尔分数与体积流量的关系，将燃爆界限以甲烷产量形式得以表现，通过注气量等参数调整可有效避免井下环境处于燃爆范围内。参考文献 李皋，李诚，孟英峰，等 气体钻井随钻安全风险识别 与 监 控 天然气工业，（）：，（）：魏栋超 气体钻井过程中油气混合物燃爆问题研究 成都：西南石油大学，：褚英杰，李旭朝，陈自强，等 安全壳压力试验中多元混合可燃性气体的爆炸极限研究 核科学与工程，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：马秋菊，万孟赛，邵俊程，等 多元可燃气体爆炸极限理论预测模型研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：，（）：，（）：夏阳光，陶刚，张礼敬 基于绝热火焰温度多元混合气体可燃性极限的理论预测 中国安全生产科学技术，（）：，（）：，（）：，：万鑫 高温高压气体爆炸极限预测理论、数值方法及实验 北京：北京理工大学，薛琨，韩文虎，陈东平，等 现代燃烧和爆炸理论 北京：北京理工大学出版社，苟小龙，王卫，桂莹 基于三代路径通量分析方法的甲烷燃烧机理简化 工程热物理学报，（）：，中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷 ，（）：，（），（）：，（）：任常兴，张琰，赵文胜，等 混合气体爆炸性现场测试实验研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：李一博，李永杰 气体钻井井下燃爆界限快速测量装置的研制与试验 石油钻探技术，（）：，（）：任韶然，黄丽娟，张亮，等 高压高温甲烷 空气混合物爆炸极限试验 中国石油大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：徐朝阳，孟英峰，魏纳，等 气侵过程井筒压力演变规律实验和模型 石油学报，（）：，（）：（责任编辑：陈玲檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）中国安科院赴大庆油田有限责任公司调研交流 年 月 日，中国安全生产科学研究院党委副书记、院长，国家安全科学与工程研究院院长周福宝率队赴大庆油田有限责任公司开展调研交流。大庆油田有限责任公司副总经理、安全总监张波出席并主持调研活动。大庆油田质量安全环保部副主任张志刚从油田基本情况、安全生产体制机制建设、安全科技创新等方面介绍了大庆油田在企业安全生产方面开展的一系列工作。中国安科院科技发展部主任康荣学介绍了中国安科院的发展历程、职能定位、机构设置、人员队伍、科研实验能力和国家技术创新中心建设情况等。双方人员围绕双重预防机制建设、重大危险源辨识、定量风险评估、本质安全提升、安全风险监测预警、泥浆溢漏精准测量与堵漏材料研发、超深井井控设备研发、工业互联网 安全生产等重点领域进行了座谈交流。周福宝院长高度赞扬了大庆油田发扬铁人精神，在技术创新方面取得了丰硕成果，表示中国安科院愿与大庆油田加强行业间的融合创新，通过跨领域交流、信息化赋能、智能化发展，推动安全风险监测预警系统建设，加强生产装备智能管控，提高企业安全管理水平，实现以高水平安全保障高质量发展。张波副总经理代表油田公司对中国安科院一行的访问表示欢迎，并希望双方以本次调研交流为契机，进一步推进具体业务对接，加强安全科技交流合作，通过科技创新助力油气生产过程安全水平提升。应急管理部原一级巡视员、国家安全科学与工程研究院特聘专家王?明，应急管理部危化监管二司，中国安科院矿山所、危化所、交通所、北京中安科创科技发展有限公司等部门负责人或相关工作人员，大庆油田有限责任公司质量安全环保部、生产运行与信息部、开发事业部、技术监督中心、消防支队、钻探工程公司、第七采油厂、天然气分公司等部门有关负责人参加了座谈交流。信息来源：中国安科院网站第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术