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空气泡沫驱安全控制技术的研究应用

摘要: 由于空气气源丰富，成本低廉，注空气泡沫驱油逐步成为低渗透油田进一步挖掘剩余储量的经济而有效的方法。2007年以来空气泡沫驱技术已在中原油田采油五厂成功应用4井次，目前仍在扩大试验之中。鉴于该技术对安全的特殊要求，通过深入调查研究和试验探索，对空气压缩机、施工管线、注入井、生产井等存在的隐患进行了安全评估，并作出了有效管理控制，达到了消除安全隐患、高效施工的目的。通过现场试验，提出了下步可能存在的安全隐患和应对办法。
主题词:空气泡沫驱 压缩机 注气管线 爆炸极限 安全控制
一、引言
2007年以来在中原油田采油五厂试验应用空气泡沫调驱4井次，无论从工艺的适应性或增油效果都显示了该技术广泛的优越性，目前仍在扩大试验之中。
但该工艺在施工过程中使用高压空气压缩机组，设备、管网、井筒都处在高温、高压、高氧、强腐蚀的环境下，安全问题将成为工艺成败的决定因素。
众所周知，空气中含有大量的氧，当空气与天然气混合时，形成混合气体，在一定条件下易发生爆炸，同时空气和泡沫密度小，注入压力高，因此对注入设备、地面管线及井筒的安全要求远大于常规的调驱施工。通过广泛深入的调查研究和现场探索，对空气压缩机、施工管线、注入井、生产井等存在的隐患进行了安全评估，编制了注空气现场试验安全控制预案，并作出了有效管理控制，达到了消除安全隐患、高效施工的目的。
二、空气泡沫驱安全控制技术应用
注空气安全控制技术研究主要包括空气压缩机安全控制；采出气的爆炸极限研究和临界氧含量监测；注气管线安全控制；注入井井筒安全控制。
1、空气压缩机安全控制
空压机因长期高温运行和积碳两方面因素造成安全隐患。积碳在高温状态下发生自燃，极易造成空压机发生爆炸，国内外因空压机气路系统发生爆炸的案例比比皆是。
（1）高温
形成空压机高温的主要原因是冷却效果不好，冷却系统在设计上存在缺陷造成非最优冷却；空压机部件质量低劣及2号机散热器外部脏无法清理，散热能力变差造成高温，表现在气温高时预警系统自动停机，不能开机；进、排气阀使用寿命短，漏气严重，也是运行温度过高的重要原因。
（2）积碳
积碳的形成首先与润滑油供给量有着密切联系。供油过少，气缸润滑不良，容易造成烧缸；供油过多，则易形成积碳。空压机在运行中的污水污油沉积在后冷却器及储气罐底部，由于不及时排放，附在上面的污油被高温蒸发也易形成积碳。由于积碳本身易燃易爆，此时若遇积碳自燃、油质劣化闪点降低、排气管或气缸等温度过高或受机械冲击、气流中硬质颗粒在运动中冲击或碰撞、静电积聚等，都能引起空压机系统燃烧，甚至爆炸。
在调研分析的基础上，采取了如下安全控制方案，确保了空压机安全运行。（1）通过对国内部分压缩机生产厂的调研，目前能进入油田现场应用的空压机设备及生产厂家主要有重庆及蚌埠。最终选用的空压机型号为：W－7/400型，其最大工作压力为40MPa，最大排量7m3/min。
(2) 提高检修质量，严格控制因密封不严而使润滑油窜入气缸内；对冷却器进行技术监控，冷却器芯由于其质量或长时间运行振动，影响冷却效果，应采用铜制波纹管式冷却器芯并加强检查；及时调整风压，避免空负荷运转; 对于高压压缩，需要级间冷却压缩空气，使排出温度低于149。
（3）根据油田现场经验选用高质量的高温合成双脂润滑剂，将原矿物油更换为全合成油；按国家标准掌握润滑油的用量 (国家标准≤105g/h， L515-40/8型号Ⅰ级缸每分钟15～20滴，Ⅱ级缸每分钟15～18滴)；定期清理后冷却器的积碳。
(4)加强管理，定期巡检，及时调整，制定合理排污周期。
２、采出气的爆炸极限研究和临界氧含量监测
爆炸极限:当可燃性气体与空气在一定范围内均匀混合，遇到火源会发生爆炸。研究结果表明，爆炸极限不是一个固定值，它受多种因素影响。
（1）原始温度：爆炸性气体混合物的原始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高。
（2）系统初始压力：混合物的原始压力对爆炸极限有很大影响，压力增大，爆炸极限范围也扩大，爆炸下限变化不大，但爆炸上限显著提高。压力减小，爆炸范围缩小，压力降低至某一数值时，下限和上限相会成一点；压力再降低，混合物变为不可爆。

（3）氧含量：混合物中含氧量增加，爆炸极限范围扩大。
（4）惰性气体：在爆炸混合物中惰性气体的含量越高，爆炸范围越小。
（5）能源：各种爆炸性混合物有一个最低引爆能量，即点火能。
临界含氧量:若氧含量高于此临界氧浓度，便会发生燃烧或爆炸，氧含量低于此浓度便不会发生燃烧或爆炸。
理论计算结果表明，对大多数石油产物而言，氧含量安全限值为（10～11）%，氧含量低于这个值，即使遇明火也不会发生爆炸。
控制措施：
(1)合理实施注气工艺，延长空气在地层中与原油的接触反应时间，降低氧气产出机会。
（2）注气井所有对应油井采用便携式气体检测仪和气相色谱仪相结合的办法进行含氧监测。当氧气浓度达到3%时，油井关井，注入井停注，当氧气浓度＜3%时，油井恢复生产，当氧气浓度＜1%时，注入井恢复注空气泡沫或注水等安全控制技术实施控制，确保先导试验期间的安全。
(3)产出气体高部位放空。
３、注气管线的安全控制
注气管线爆炸因素：
（1）管线内的锈皮及其他固体微粒随空气高速流动时的摩擦热和碰撞（尤其在管道拐弯处）。
（2）空气流的作用使管线与空气压缩机之间的阀门沾有油脂。
（3）管线漏气，在管线外围形成爆炸性气体滞留空间，遇明火发生着火和爆炸。
（4）空气压缩机着火导致注气管线着火爆炸。
（5）注气管线因腐蚀等原因造成强度下降而破裂，压缩空气能量瞬间释放引起爆炸。
控制措施：
（1）对注气管线进行内部涂层，防止内部生锈，减少锈皮与高速流动的空气磨擦产生的热。
（2）尽量减小注气管线的拐弯，管道连接应采用焊接，但与设备、阀门和附件的连接处可采用法兰或螺纹连接。
（3）防止空气压缩机爆炸，将明火倒入管道内部。
（4）进行气密性和泄露性试验防止管线泄漏。
４、注入井井筒的安全控制
当停注和重新启动后，注入井井底压力下降，地层中的油气容易回流进入注气井，与井筒中的高压空气混合，当该混合气体达到爆炸极限时，在火源的作用下就会发生爆炸。
控制措施：
（1）所有注气井采用封隔器保护，环空注氮气，防止油气上窜。
（2）根据监测到的回流油气成分估算其爆炸极限，评估是否有爆炸倾向。
（3）在注入井中保持正空气压力是防止油气回流安全操作的基本要求。当压缩机的停机时间超过30分钟时，向井内泵入氮气、水或2%的氯化钾水溶液，将剩余的空气推入地层，以阻止烃向井筒回流。
三、空气泡沫驱安全控制技术的探讨与拓展
空气泡沫驱技术在中原油田的矿场应用是安全可行的，随着该项技术的扩大试验，必将面临更多的安全课题，因此有必要做进一步研究和拓展，以应对更为复杂多样的挑战。
１、空压机老化
随着使用年限的增长，在高温高压运行下的空压机将会面临部件老化的问题，出现爆炸的几率大大增加，空压机安全性能大幅度降低。应及早与压缩机厂家建立规范的定期维护检修关系，同时从采油厂内部挑选专业对口、责任心强的高技能人才进行系统培训，做到有备无患。
２、后期氧气窜出
注入空气中的氧气在地温下与原油产生氧化作用，其反应取决于原油性质、岩石与流体关系、温度和压力等，反应热使温度升高，从而使部分轻质油汽化。驱动气体因而不再是注入的空气，而是就地产生的由一氧化碳、二氧化碳、氮气和汽化的轻质烃组成的烟道气。注空气提高采收率，最重要的条件是油藏温度必须足够高、石油活性强，氧气通过低温氧化而消耗掉，以免生产系统内存在氧气而导致爆炸。
中原油田已实施的4口注气井所对应的油井经检测有偶有少量氧气窜出，浓度在安全限值内，分析空气在目前的油藏条件下得到了较充分的氧化反应，同时泡沫作为优势渗流通道的屏障阻碍了气体的外窜，因此做到了安全施工。但施工后，随着后续注入水逐步推进，地下原油将逐渐减少，泡沫会逐渐消泡，未完全反应的氧气可能沿优势渗流通道大量窜出，形成极大的安全隐患；当前在19块即将实施稠油空气泡沫驱，空气与稠油难以彻底进行低温氧化反应，大量未反应的氧气一旦突破，后果严重。
借鉴国内外诸多油田的成功经验，认为可以采用火烧油层的办法提高氧气利用率，减少安全隐患，尤其对大幅度提高稠油油藏采收率效果显著。火烧油层即将空气注入到油层，在井底加热到可以点燃原油的温度，或通过空气与氧气在油层自然氧化生热达到着火点，使原油在地下燃烧，燃烧过程中消耗部分原油产生热量，将产生稠油降粘、蒸馏等一系列有利于原油采出的正向作用，成为原油采出的动力，从而提高采收率。火烧油层具有注汽保持油层压力的特点，且波及系数要高得多;具有注二氧化碳和氮气的性质;该工艺适用范围广，既可用于深层(3500m),薄层(小于6m)、含水较高(大于75%)的水驱稀油油藏，又可用于稠油油藏; 综合了热驱、气驱、混相驱和非混相驱的机理，能量利用率高、适应范围广，是一种充分利用石油资源、较彻底的石油开采技术。
开发应用与现场自动化防控警报系统相连的氧气探测器监测生产、测试设备中的氧气含量，产出气样定期送往实验室做分析，同时继续采用便携式测氧仪随时监测，及时反馈信息并根据安全预案做出及时应对措施。
３、注气井腐蚀造成的安全隐患
从胡12-152井取出的腐蚀监测环和油管从外观可明显发现严重腐蚀，对地面管线、注入管柱带来安全隐患，建议使用钛纳米聚合物防腐涂层油管、镀钨合金防腐油管，或间歇性注入QH-01缓蚀剂和下入阴极保护短节等多种防腐手段，提高综合防腐效果，减少管柱腐蚀带来的一系列安全问题。
４、井场安全环保
空气泡沫驱施工在活性剂配制过程中会出现大量泡沫，极易漫灌，大风天气大量落至附近农田，造成了环境污染。可采取减少单罐配制量和顶部部分密封的方式杜绝污染。
四、结 论
　１、空气泡沫驱技术在现场实施过程中得到了有效安全控制。
2、加深对空压机理论和构造的认识，加强对空压机维修和保养力度是今后空气泡沫驱施工能否安全高效开展的重要前提。
3、在进一步试验应用空气泡沫驱技术时，尽可能（尤其稠油油藏）采用油层燃烧的方式，达到完全耗氧，增加地层能量，提高剩余油采收率，减少氧气产出带来的安全隐患。
4、建立完善氧气自动化监测系统，加强注气井对应油井产氧检测力度。
5、重视注入管线及井下管柱的强腐蚀现象，尽快研究应用多种有效的防腐措施，减少腐蚀带来的危害。