油田注空气工艺防爆实验的研究

油田注气工艺防爆实验研究
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。

注空气开发轻质油藏是一项具有创新性的提高采收率的新技术。

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，这将直接导致生产井和注水井的废弃，以及注气管道的全面破坏，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，对可能形成的可燃混合物的燃烧爆炸特性进行专项实验研究。

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，实验结果还可以进一步评价注气采油过程中的风险水平，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实验装置和实验原理
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，
等高圆柱体和球形容器的测试结果非常接近，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爆炸装置示意图如图所示，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
界氧含量是指当提供足够的点火能量以防止一定浓度的可燃气体燃烧
和爆炸时的临界最大氧浓度，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。

安全氧含量是指在给定足够的点火能量时，不会导致任何浓度的
可燃气体或液体蒸汽爆炸的临界最大氧浓度，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，关于油田注空气条件下安全含氧量的防爆极限，国内外研
究不多，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，分别测试了它们的爆炸极限、爆炸范围和氧含量安全极限，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，因此，爆炸下限对应的含氧量对含氧量安全标准的制定影响不大。

在实验中，主要分析和研究了甲烷的爆炸极限以及相应的氧含量和不同比例的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，随着温度和压力的升高，甲烷爆炸的上限逐渐增大，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，爆炸极限的变化趋势相对缓慢。

目前，在实验室现有条件下测得的甲烷爆炸极限范围为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。