油田注空气工艺防爆实验的研究
【摘要】通过实验，研究可燃气体(甲烷)的爆炸极限规律和加入惰性气体(氮气)后可燃气体临界氧含量的变化规律，测定在特定条件下甲烷的爆炸极限范围和安全氧含量，根据实验结果，确定氧含量的安全标准并提出相应的事故预防与控制措施，确保注空气采油技术实施过程中的风险处于可控制范围内，使注空气采油技术得到更广泛的应用。
【关键词】注空气；爆炸极限；临界氧含量；风险；安全氧含量
0前言
目前，我国很多油田的油藏开发已进入中后期，存在油井含水率高、投入产出比大、常规注水技术挖潜困难等问题，而其他提高采收率有效技术的选择有限。如改进注水、注聚技术一样，注气(如注二氧化碳、天然气或氮气等)已被证明是一种高效的提高采收率技术，但存在气源不足且成本高的情况，其应用受到限制，因而注空气技术受到越来越多的重视。注空气开采轻质油油藏是一项富有创造性的提高采收率新技术。空气来源广，成本廉价，既可以作为二次采油方式，也可用于3次采油。
与其他注气工艺不同的是，注空气过程中各个环节均存在着可燃性混合物爆炸的危险，这主要是因为注入空气中含有氧气，氧气与原油在油藏发生氧化反应，消耗部分氧气，但在氧化反应不完全的情况下，地层中的轻烃组分就会和氧气形成混合性爆炸气体，当混合气的浓度达到爆炸范围时，在一定条件下就会发生爆炸事故。一旦发生爆炸事故，将直接导致生产井和注入井的废弃以及注气管线的全面破坏，更有甚者将会引起井喷造成更大的人员财产损失。
目前，井下可燃气体燃爆特性的现场研究国内外都不多，而且不同的油藏区块其压力和温度是不同的，在现有的文献资料范围内，不可能索取到可信的数据。因此，需要针对不同的工况条件，对可能形成的可燃性混合气体进行燃爆特性的专项试验研究。
该项研究工作，由于现场条件的局限性，不可能在现场完成，而只能通过实验的方法，根据实验结果制定出现场氧含量监测的安全标准，通过实验结果还可以进一步评价注空气采油过程中存在风险的等级，制定相应的预防控制措施，降低注空气采油造成的事故后果。将事故的发生率及严重度控制在人们可接受的范围内，为注空气采油技术在我国的广泛应用做好安全技术工作。
1实验装置及实验原理
1.1实验装置
由爆炸装置示意图可以看出，爆炸室是整个系统的核心部件，其形状、大小将直接影响气体爆炸特性参数的测试结果，它设计的好坏直接关系到整个实验过程的工作质量和安全，从原理上讲，球形容器省材料，点火位置也易于控制在整个容器的中心，但是球形容器加工制作比较困难，成本也高，因而有一定局限性。在实验误差范围内等高圆柱体与球形容器的测试结果很接近，而且圆柱形容器省材，易于加工、装卸、支撑，密封问题也好解决，在实际生产中注气井和生产井多为圆柱体管道，采用圆柱体与实际更接近，所以，爆炸室采用了等高圆柱体的形状，其容积为24L，以保证实验结果更接近于实际。
图1所示为爆炸装置的示意图，主要有爆炸容器、配气装置、控温控压、点火和安全控制系统组成。
1.2测试原理
根据爆炸理论，能使可燃性混合气体发生爆炸所必需的最低可燃气体浓度，称为爆炸下限；而最高可燃气体浓度，称为爆炸上限。临界氧含量是指当给以足够的点燃能量能使某一浓度的可燃气体刚好不发生燃烧爆炸的临界最高氧浓度，即为爆炸与不爆的临界点。若氧含量高于此浓度，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。
安全氧含量是指当给以足够高的点火能量都不能使任意浓度的可燃气体或液体蒸气发生爆炸的临界最高氧浓度，氧含量高于该浓度，对于某一浓度的可燃气体会发生燃烧爆炸，但是若氧含量低于此浓度则对任意浓度的可燃气体都不会发生燃烧或爆炸。通常最低临界氧含量即为安全氧含量。
目前，国内外对油田注空气条件下安全氧含量防爆极限的研究不是很多，油井氧含量安全标准的制定还没有可靠的实验数据，各个公司都有各自的安全标准，采用最多的是当氧含量大于5%时即采取相应的压井或关井措施。
2实验结果分析
笔者采用甲烷代替采出气做了大量实验，分别对他们的爆炸极限及爆炸范围以及氧含量的安全限值进行了测试，得出的相关数据如表1所示。
由表1可以看出爆炸下限随着温度压力的升高而逐渐降低，但是降低幅度不是很大，尤其是降到一定值时，爆炸下限变化更小，以至于目前的设备测试不出降幅程度。也就是说目前能测得的爆炸下限最低为4.76%，其对应的氧含量为20%。在只有可燃气体和空气的混合系统中，可燃气体的爆炸下限和氧含量是此消彼长的关系，爆炸下限降低，氧含量必定升高，在爆炸下限附近氧含量是过量的，所以爆炸下限对应的氧含量对制定氧含量的安全标准影响不大。
在实验中，重点分析研究甲烷的爆炸上限以及对应的氧含量和不同配比惰性气体对爆炸极限和临界氧含量的影响。
由表2做出的图2和图3可以看出甲烷爆炸上限随着温度和压力的增大逐渐升高，所对应的氧含量则是逐渐降低的，原因是在爆炸上限附近氧是不足的，温度和压力的升高使得分子间距变小，分子的活化能增大，分子运动剧烈，活化分子碰撞次数增多，反应更容易进行，所需要的氧应该减小，因此，使燃烧反应更容易进行，所以爆炸范围变宽，爆炸危险性增大。
从图中可以看出，随着温度压力的升高，爆炸极限变化趋势相对缓慢。
目前，在实验室现有的条件下测得甲烷的爆炸极限范围为4.76%～16.95%，虽然实验室条件与现场工况条件还有一定的差距，但是对实际应用有一定的参考和指导作用。
温度、压力和惰性气体等因素都对爆炸极限和氧含量产生不同程度的影响。根据它们的不同影响，可通过加入惰性气体减少反应中氧浓度，或者是降压、降温等办法以缩小爆炸极限范围，降低氧浓度，从而将其控制在爆炸范围之外。
在可燃性混合气体中，当加入惰性气体，如氮气，混合气体中的氧含量相对减小，会有效缩小爆炸极限范围，使爆炸下限有少量上移，爆炸上限却下移许多。爆炸范围最终聚为一点，该点则为爆炸临界点，该点对应的氧含量即为最低临界氧含量。如果加入的惰性气体能使可燃性气体的氧浓度在最低临界氧含量以下，无论可燃性气体与惰性气体含量发生任何变化，也不会发生爆炸。要控制爆炸的发生，将可燃气体控制在爆炸范围以外或者氧含量低于临界氧含量的最低值即安全氧含量是最安全的方法。
从经济、作业因素的具体条件而论，无法控制可燃气体的浓度和爆炸范围，所以只能将氧含量控制在安全氧含量以下，并适当附加一定的安全系数。
油田各个油井的平均温度在90℃左右，生产井中环空管一般处于放空状态，压力在1MPa左右，所以取与工况条件相似的一组数据分析作图(见表3、图4、图5)，可以直观地看出：
1)甲烷随着氮气量的增加，氧体积分数逐渐下降，爆炸极限范围迅速缩小，其中下限升高幅度不大，而上限急剧下降；
2)在氮气量增加到一定比例时，爆炸范围会聚为一点，超过此点混合气体即退出爆炸范围，此点为爆炸临界点；
3)对应的氧含量也集中到一点，为最低临界氧含量；
4)可见增加氮气量除了氮气的惰化作用，主要是减小了混合气体中的氧含量，导致爆炸极限发生变化。当氮气/甲烷大于6时进入不爆范围。
从图中可以明显看出，在整个爆炸范围内，氧含量对爆炸下限影响较小，而对上限影响却很大。随着氮气比例的增大，下限附近的氧含量相对上限附近的氧含量下降较快，而甲烷爆炸上限却下降更快，下限变化不大。
分析可知：在下限附近，氧始终处于过剩状态，爆炸与否主要是在于可燃气体的含量大小，由于过量空气或其他气体的冷却作用，阻止了火焰的蔓延和反应的进一步发生，因此，即使增加或减少氧气，下限也不会有明显变化。
在上限附近，可燃性混合气体存在发生爆炸时所需的最大氧含量，上限值所对应的氧含量即是其时所需的最小氧含量，二者之间是此消彼长的关系，若上限值增大，所需要的最小氧含量减小，反之最小氧含量增大。
临界氧浓度与爆炸极限成正比关系，若氧含量低于上限对应的临界氧浓度，上限值也会迅速减小直至临界可燃浓度；反之若加大氧气比例至纯氧环境，上限还会继续增大，直至纯氧环境中的上限值。
在爆炸范围内，可燃物每一浓度都对应惟一的临界氧浓度，因此，可运用数值分析原理根据所给定的部分数据拟合出相应的规律函数。笔者选取最接近工况条件的一组数据来拟合出4次函数：
其对应模拟图形如图6所示。这样对可燃气爆炸范围内不同浓度所对应的临界氧浓度都可以从理论上估算出。
3结论
1)用甲烷替代天然气或采出气来做实验，取得的实验结果，还必须从安全的角度出发，考虑一些特殊情况或意外因素导致的危险有害因素的影响后，在实验数据的基础上加以一定的安全系数才可以应用于实际生产中。
2)通过实验可以看出，该项研究中测得的临界氧含量的最小值(12.35%)大于目前公认的理论临界氧含量的最小值(10%)。
3)由于现场条件的复杂性及安全控制的要求，通过分析研究在注空气过程中外界因素对油气混合物爆炸的影响，建议将实验值乘以一定的安全系数，提出现场安全氧含量的监测标准为8%，其参考范围为5%～8%。即当监测到生产井内氧气浓度超过5%时，应启动安全预警措施；当氧气浓度达到8%时，油井关井，注入井停注。关井一段时间后，连续加密取样监测氧气的含量，当氧气浓度小于5%时，油井恢复生产，当氧气浓度小于3%时，注入井恢复注空气、空气泡沫或注水等措施。
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