地層條件下油氣混合氣安全氧含量實(shí)驗(yàn)研究*

劉 欣，李鵬亮，屈 波，檀為建，田 鑫，王培森，耿 彤

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司，河北 任丘 062550； 2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

注空氣采油技術(shù)廣泛地應(yīng)用于中低滲透油藏的開采，是1種便捷高效的三次采油方法[1-4]。在注空氣采油的過程中，氮?dú)鈱?duì)原油起驅(qū)替作用，氧氣可以與原油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出一定的熱量，從而改善原油的流動(dòng)性，提高油層的采收率。與其他開采技術(shù)相比，注空氣采油操作簡便，成本低廉。此外，相比其他驅(qū)替介質(zhì)，空氣的流動(dòng)阻力要小得多，可以很好地解決中低滲透油藏流動(dòng)阻力大、其他介質(zhì)難以注入等問題[5]。

在注空氣采油的過程中，原油中的輕質(zhì)組分會(huì)揮發(fā)出來，在井筒內(nèi)與空氣形成可燃性混合氣體，遇到點(diǎn)火源有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。可燃?xì)怏w的爆炸特性與溫度和壓力有著密切的聯(lián)系。當(dāng)混合氣體溫度升高，其分子內(nèi)能增加，導(dǎo)致活性分子增加，使原來不燃不爆的混合物變?yōu)榭扇伎杀詼囟壬呤贡ǖ奈ｋU(xiǎn)性增加。而當(dāng)系統(tǒng)壓力增加，分子間間距縮小，碰撞幾率增加，使反應(yīng)更容易進(jìn)行；反之，壓力降低，氣體分子間距拉大，發(fā)生爆炸的可能性會(huì)變小。

在大部分地層條件下，溫度能達(dá)到100℃左右，壓力可以達(dá)到10 MPa。前人的研究[6-12]主要集中在常溫常壓下可燃?xì)怏w的爆炸特性，而在地層條件下，可燃性氣體處于高溫高壓狀態(tài)。因此，需要對(duì)地層高溫高壓環(huán)境下可燃?xì)怏w的爆炸特性尤其是安全含氧量進(jìn)行研究。

本文研發(fā)了1種用于測試地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣體安全含氧量的實(shí)驗(yàn)裝置，通過對(duì)采油現(xiàn)場井筒內(nèi)的氣體進(jìn)行取樣分析，選取一定組分的混合氣體，對(duì)其在不同溫度和壓力條件下的安全氧含量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果可為采油現(xiàn)場的安全控制提供參考，以期確保注空氣采油過程中的安全性。

1 理論分析

采油現(xiàn)場實(shí)測可燃混合氣體組分如表1所示。從表1可以看出，可燃性氣體中甲烷占比最大。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測可燃性混合氣體在常溫常壓下的安全氧含量進(jìn)行了估算。

表1 實(shí)測可燃?xì)怏w混合物組分Table 1 Measured composition of combustible gas mixture

實(shí)測氣體中的可燃組分為混合氣體，用爆炸三角形作圖計(jì)算其安全氧含量時(shí)只能將其簡化成1種單一氣體，這在理想氣體是允許的。根據(jù)萊徹斯特公式求出混合氣體在空氣和氧氣中的爆炸上限和爆炸下限。

作圖法求可燃?xì)怏w的安全氧含量如圖1所示。畫出等邊三角形，其頂點(diǎn)F，O，N分別表示可燃性氣體、氧氣、氮?dú)猓頧1=4.72，X2=14.68，X11=4.92，X22=60.98，以點(diǎn)的形式將混合可燃組分在空氣中的爆炸極限X1，X2畫在空氣線FA上；再以點(diǎn)的形式將混合可燃組分在氧氣中的爆炸極限X11，X22畫在氧氣線FO上；分別連接X1，X11和X2，X22，并延長，其延長線相交于點(diǎn)C；過C點(diǎn)繪制平行于燃料軸的直線，可求得安全含氧量為12.68%。

圖1 作圖法求可燃?xì)怏w的安全氧含量示意Fig.1 Calculation of safe oxygen content of combustible gas by drawing method

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究參照標(biāo)準(zhǔn)E2079-07進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[15]。圖2給出了地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣安全氧含量測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)主要由氣體注入系統(tǒng)、反應(yīng)釜、點(diǎn)火系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，其中，反應(yīng)釜采用高強(qiáng)鈦合金材料加工而成，釜體容積1 L。采用電點(diǎn)火頭進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火能量約為10 J。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

本實(shí)驗(yàn)擬測定地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣體的安全氧含量。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，根據(jù)分壓法依次充入可燃?xì)怏w、氮?dú)夂涂諝?，點(diǎn)火后觀察是否發(fā)生燃爆。

實(shí)驗(yàn)前，首先打開反應(yīng)釜一側(cè)的電極，安裝電點(diǎn)火頭；然后向反應(yīng)釜注入一定壓力的空氣，關(guān)閉所有閥門，測試整個(gè)系統(tǒng)的氣密性；確認(rèn)氣密性良好之后，打開進(jìn)氣閥、空氣調(diào)節(jié)閥、排氣閥，向整個(gè)回路輸送干燥空氣，清洗整個(gè)回路；然后關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥、進(jìn)氣閥、排氣閥，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)和氣體增壓泵準(zhǔn)備注氣。

按分壓法依次向反應(yīng)釜注入可燃?xì)怏w和氮?dú)猓儆煽諝庾⑷胂到y(tǒng)向反應(yīng)釜補(bǔ)充空氣，直到反應(yīng)釜的壓力達(dá)到所需壓力時(shí)為止，關(guān)閉進(jìn)氣閥。待混合均勻，靜置10 min后點(diǎn)火，根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)壓力和溫度變化情況判斷是否爆炸，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。重復(fù)以上步驟，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖2 爆炸測試系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of explosion test system

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)超壓值判斷是否發(fā)生燃爆，并輔以溫度變化差值來進(jìn)行綜合判斷。由于實(shí)驗(yàn)采用電點(diǎn)火頭點(diǎn)火，因此首先要考慮電點(diǎn)火頭燃燒產(chǎn)生的壓力升值和溫度變化情況。為了使結(jié)果判斷更為準(zhǔn)確，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用2個(gè)壓力傳感器和1個(gè)溫度傳感器來采集數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，電點(diǎn)火頭燃燒產(chǎn)生的超壓值不高于0.05 MPa，而其爆炸前后溫度差值在10℃以內(nèi)。因此，超壓值大于0.05 MPa即判定發(fā)生燃爆。由于爆炸極限附近溫度變化比較小，其受環(huán)境影響比較大，所以將其作為輔助的判斷依據(jù)，主要以超壓值的大小判斷是否發(fā)生燃爆現(xiàn)象。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料及條件

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測可燃性氣體組分，在本實(shí)驗(yàn)研究中配置了由94.9%甲烷、2.1%乙烷和3%丙烷組成的可燃性氣體。實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Experimental conditions

3 結(jié)果與討論

在測試1 MPa，40℃條件下的安全氧含量時(shí)，采用逐漸增加氮?dú)夂康姆椒▉磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，具體結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度為2.4%時(shí)，隨著氮?dú)鉂舛仍黾?，混合氣中的氧氣含量降低，?dāng)加入氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)，不會(huì)發(fā)生燃爆。此時(shí)，保持氮?dú)鉂舛葹?0%，增加可燃?xì)怏w濃度至2.8%和3.2%，則又會(huì)發(fā)生燃爆。保持可燃?xì)怏w濃度為3.2%，增加氮?dú)鉂舛戎?0%時(shí)，則又不會(huì)發(fā)生燃爆。按照相同的方法相繼增加可燃?xì)怏w和氮?dú)獾臐舛?，?dāng)可燃?xì)怏w濃度為3.6%，氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)，會(huì)發(fā)生燃爆。繼續(xù)增加可燃?xì)怏w濃度至4%和5%，則不會(huì)發(fā)生燃爆。由此判定，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度為3.6%，氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的氧氣濃度為安全氧含量，即9.74%。由此可以看出，隨著氮?dú)獾募尤?，可燃?xì)怏w的爆炸下限有所升高。

表3 1 MPa，40℃條件下安全氧含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of safe oxygen content at 1 MPa and 40℃

圖3給出了1 MPa，40℃條件下，可燃?xì)鉂舛葹?.4%時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)超壓值隨加入氮?dú)鉂舛鹊淖兓闆r。從圖3中可以看出，隨著氮?dú)鉂舛鹊脑黾?，點(diǎn)火后產(chǎn)生的超壓值逐漸減小，由氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)的3.1 MPa減小到氮?dú)鉂舛葹?0%時(shí)的0.04 MPa，從劇烈的爆炸轉(zhuǎn)化為緩慢的燃燒，直到不發(fā)生燃爆。由此說明，氮?dú)獾募尤肟梢砸种瓶扇細(xì)怏w的燃燒性能，并且濃度越大，抑制效果越明顯。當(dāng)不再發(fā)生燃爆時(shí)，所對(duì)應(yīng)的氧氣濃度即為安全氧含量。

圖3 1 MPa，40℃，2.4%可燃?xì)鈼l件下超壓值隨加入氮?dú)鉂舛鹊淖兓?guī)律Fig.3 The change of overpressure value with nitrogen concentration at 1 MPa, 40℃, 2.4% gas

表4給出了不同條件下安全氧含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從表4中可以看出，在地層高溫高壓條件下所測得的安全氧含量均低于常溫常壓下的理論估算值。隨著壓力的增加，安全氧含量有所降低，這是因?yàn)楫?dāng)壓力升高時(shí)，反應(yīng)物分子間間距變小，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物分子間的碰撞次數(shù)增多，因此，反應(yīng)體系更加危險(xiǎn)，維系反應(yīng)進(jìn)行所需要的氧含量降低。隨著溫度的升高，安全氧含量也普遍降低，這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)更加劇烈，因此，單位時(shí)間內(nèi)分子之間的碰撞次數(shù)增多，反應(yīng)體系更加危險(xiǎn)，反應(yīng)所需要的氧含量隨之降低，與前人研究結(jié)果一致[16-17]。

表4 安全氧含量結(jié)果匯總Table 4 Summary of safe oxygen content

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了1套能用于測試高溫高壓條件下可燃性氣體混合物安全氧含量的實(shí)驗(yàn)裝置，解決了高壓條件下可燃?xì)怏w爆炸特性中安全含氧量難以測定的問題。

2)基于理論分析，采用作圖法，求得可燃?xì)怏w樣品的安全氧含量為12.68%。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在地層高溫高壓環(huán)境下油氣混合氣的安全氧含量要遠(yuǎn)低于理論分析的安全氧含量值。

4)隨著溫度和壓力的升高，油氣混合氣的安全氧含量逐漸降低，體系的危險(xiǎn)性越來越大。